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凤凰汽车达人秀:解读汽车锂离子电池

凤凰汽车达人秀 最近看了某位网友对汽车发动机声音的形容,他觉得V10的声音是“轰轰轰轰 ”;V8的声音是“嗯嗯嗯嗯”;V6的声音是“鹅鹅鹅鹅”;电动机的声音是:“滋滋滋滋 ”...事实上比起声音,电动车的更大问题在于续航里程,而解决这个问题的关键词就是电池技术,本期《汽车达人秀》我们就聊聊电动车的动力源泉——锂离子电池,而抛开技术本身,它也是笔大买卖。

什么是《汽车达人秀》?

《汽车达人秀》是由凤凰汽车出品的一档汽车新技术解读栏目,这里有最前沿的汽车圈时尚科技,这里也有机械制造领域里的点点滴滴。我们喜欢精美的图片和详实的文字,我们讨厌杂乱的数据和枯燥的说教。凤凰汽车的技术解读栏目,每周五如期上线 。

本期内容:主流电动车的动力源泉——锂离子电池

Q:决定汽车燃料电池好坏的因素有什么?

A:能量密度、安全性、热稳定性和循环寿命,当然还有制造成本

去一家餐馆吃饭,决定用餐感受不仅仅是一道菜的好坏,它其实是菜品口味、就餐环境、服务态度等等的综合结论。就像锂离 子燃料电池,决定其好坏也不能单单看电池容量,它也受能量密度、安全性、热稳定性、循环寿命等多重因素影响,说到这里,我们有必要简单普及一下锂离子电池的组成。和普通蓄电池的构成相似,一块锂离子电池通常也是由外壳、正极材料、负极材料 、隔膜、电解液等物质构成的。其中最重要的当属正极材料,它的作用会直接影响一块锂电池的容量、体积和使用寿命,因此, 正极材料占一块锂电池的制造成本也最多(大约在40%左右),技术发展也变得最为关键。

就工业使用的燃料锂离子电池而言,主流的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂以及镍钴锰酸锂三元材料等。而选择不同材料的化学表现又各有千秋,这也是导致正极材料技术路线出现分化的直接原因,说的直白点:有的汽车厂商觉得用稳定耐用的最好,有的厂商觉得用成本更低的最好,于是就各干各的了。另外,从供货商角度来看,日亚化学、韩国L&F、比利时UMICORE这三家公司目前是全球锂电池正极材料主要供应商,2012年上述3家企业市场份额合计为36%。

当然,说是各自研究各自的,但大方向其实是有趋同化的意思,即集成多种化学物质作为复合正极,达到优势互补的效果是现在更多厂商在做的事情。这与锂电池离不开钴元素有关,受到化学特性影响,锂电池很难离开钴,但钴元素是有毒材质,同时价格昂贵,因此,出于效率、成本、环保等多重因素的考量,锂电池“少钴化”就成了主流方向。目前采用复合正极材质的锂电池已经可以将钴的比重降低到20%以下,同时电池容量和制造成本也得到了更好控制。

Q:汽车锂电池组常见的“18650”是什么意思?

A:它是电池的型号制式,不是客服热线

如果您熟悉特斯拉MODEL S,那您一定知道它的续航里程能达到486公里,进而您也许知道这辆车的电池组容量高达85千瓦时, 也就是85度电,实际上这个电池组是由8142个3.4安时电池组成的,电池为松下生产的18650型产品,那究竟为什么称之为18650型电池呢?

其实,所谓的18650是日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准锂离子电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。常见的18650电池有锂离子电池、磷酸铁锂电池。其中锂离子电池电压通常为3.6V,磷酸铁锂电池电压通常为3.2V,常见容量为1500mAh-3100mAh(mAh是电池容量的计量单位,中文名称为库仑计)。

事实上,除了特斯拉车型,我们的笔记本电脑电池,通常使用的也是18650型电池,而松下公司可以称得上率先将传统电子产品锂电池移植到汽车上的厂商,电动汽车的价格也因此降低很多,当然这里所说的“移植”并非想象中的简单,最简单的,汽车燃料电池的使用环境要比电子产品复杂得多,对电池容量、耐久性和安全性的要求也更高,这需要重新对电池组单元的串联和并联形式进行调整。

当然,电池供应商其实也明白,广泛应用于电子产品的18650型电池并非汽车用燃料电池的最佳选择,事实上,为了满足汽车 更高电容量的需求,通常需要增加电池组单元的体积,但单元尺寸越大,往往也意味着散热问题越难以解决。只是由于电动汽车已经到了迫切需要大容量便宜电池组的时间,迅速推出迎合需求的产品更重要,如果研发专属汽车使用的电池组,可能需要3-5年 时间,因此,在新的电池技术没有被肯定之前,18650型电池仍然不失为电动车的稳妥之选。

Q:谁掌握着汽车燃料电池的核心技术?

A:日本人、美国人、德国人还有韩国人

讨论这个问题之前,我们有必要先看看目前的实际情况:特斯拉使用的三元聚合物锂离子电池供应商为日本松下,其中日本住友化学为松下提供了用于生产锂电池的耐热隔膜;丰田普锐斯的电池来自PEVE,PEVE是世界最大的镍氢动力电池公司,由丰田和 松下联合创立;无独有偶,日产聆风采用了AESC生产的电池,AESC是日产和日本NEC的合资公司;另外,奔驰S400混合动力车使用 了来自美国江森-萨福特(Johnson Controls-Saft)的电池技术;宝马i3电动车的锂电池则来自SB LiMotive,这是一家由德国博世和韩国三星SDI联合组建的公司;相应的,雪佛兰Volt沃蓝达汽车则使用了韩国LG化学研发的三元锂离子电池。

情况显而易见了,日本和美国的相关企业在燃料电池领域站在了绝对上游的位置,同时,在产业链完善方面,日本和美国企业也更加成熟,从底层研发到生产配套,再到品牌包装,均有专业的厂商在做。相应的,自主品牌电动车的相关技术也大都借鉴于此,比如某品牌的电动车的电池来自日本TDK,也有使用三洋技术的。这有点类似于自主品牌汽车的发动机早前广泛依赖日系品牌 技术一样,当然,也有例外,比如比亚迪,自主研发的同时,也在吸取着外部优势技术,他们专注磷酸铁锂电池研发,但竞争压力不容忽视。

Q:为什么汽车和电子厂商纷纷“押注”锂电池

A:无利不起早,相关产业眼中的“发财第二春”

最近与EV(Electric Vehicle )电动汽车和锂离子燃料电池相关的新闻其实不少,首先是:特斯拉和松下将于今年年底前在 美国开工建一座“gigafactory”超级电池工厂(早前曾说今年6月开工目前已推迟到年底前),建成后,该电池工厂将能够贡献超过一半的全球锂离子电池产能,这意味着工厂生产的电池可以满足50万辆电动车的使用;另外一则新闻是:今年4月份,戴姆勒奔驰从德国赢创手中买下了Li-Tec公司50.1%的股权以及Accumotive公司10%的股权,我们看到的奔驰Smart电动车使用的电池组就是来自Accumotive公司,更重要的,奔驰拥有了一套完全掌控的锂电池供应链,从而强化了电动车业务并与宝马抗衡 。

技术归技术,说到底,投资新型锂离子电池研发,对于相关厂商而言就是赤裸裸的买卖,股东财团们只会关注利润和未来前景,根据前不久市场调查公司Navigant Research发布的一份电动车电池市场研究报告数据显示:到2020年,全球锂电池产量将翻十番,也就是说,去年车用锂离子电池全球产能约为4400兆瓦时,到2020年,车用锂离子电池产能可能将达到49000兆瓦时,包括插 电式和混合动力车型对锂离子电池的需求也就刺激了厂商大手笔的投入,相应的,2013年全球车用锂离子电池市场规模为32亿美 元,那么到2023年,这一数据预计也将飙升至241亿美元。事实上,相比汽车厂商,传统电子领域巨头也在加紧投入,希望赶上这个“发财第二春”。比如松下,一方面加紧和特斯拉这样的汽车厂商合作,一方面,封闭完善产业链,砍掉利润率较低业务,全力投入锂离子电池研发。如此这般,只希望能在新兴技术中找回原有的损失。