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动力电池技术之争,欧洲输了吗?

动力电池技术之争,欧洲输了吗?
2019-07-19 18:16:20 电池中国网
动力电池技术之争,欧洲输了吗?

在我国的力推下,新能源汽车的销量持续高速增长,而在新能源汽车的核心技术--动力电池方面当下正呈现中日韩三足鼎立的格局,面对这个庞大以及事关汽车行业未来的领域,欧洲企业不希望落在后面,正欲在动力电池新技术上取得后来居上的地位。

今天我们文章里,斯图加特大学车辆工程及汽车电子硕士SamGIU,从他的从业视角和大家聊聊:

电动汽车动力电池之争,欧洲输了吗?

动力电池技术之争,欧洲输了吗?

在汽车电动化的大背景下,动力电池已经毫无疑问成为电动车的核心部件,其地位如同传统内燃机汽车的发动机。它不仅决定了车辆续驶里程、充电时间以及制造成本、售价等诸多因素,整个汽车产业链的分布也在因此悄然发生变化。目前,电池占电动汽车成本的四分之一左右。预计到2025年,全球电池市场将达到约2500亿欧元。据保守估计,2025年单为满足欧盟的电动车电池需求,就需要至少20座电池超级工厂。

电芯和动力电池

电芯是汽车动力电池组的最小组成单元。简单来说,电池组就是由许许多多的电芯组合而成,另外再加上电池管理和冷却系统。在每一个电芯中,化学能转化为电能输出电流驱动电机,动力进而经过传动系统驱动汽车。现在量产电动车上使用的电芯一般为锂离子电池(Lithium-ion battery)。锂离子电池由现年70岁的吉野彰(Akira Yoshino)在1985年开发完成,80后熟悉的索尼Walkman随声听是第一个使用锂离子电池的产品。

虽然现如今锂离子电池的功率已经大幅提升,但是其基本工作原理没有发生任何变化:在电池放电时,带正电荷的锂离子在电池内部通过电解液由正极流向负极,充电时相反。正是因为锂离子长久保持移动性,基本不会在电池内部形成晶体结构,这一工作原理保证了锂离子电池可以多次充放电的特性。

不同于欧洲,亚洲电子公司将发展锂离子电池作为行业的重要战略分支。加上便携式电子设备的强大市场需求,推动了电池业在亚洲的持续发展。时至今日,亚洲电池制造商已经在锂离子电池制造方面积累了大量know how,在电芯质量和价格上颇具竞争力。放眼全球,各大整车厂的电芯供应商都在亚洲。虽然特斯拉在内华达州建有电池超级工厂(Gigafactory),但其依然需要松下集团的技术支持。

德国整车厂:电芯是买还是造?

面对未来即将爆发的电动车产业,曾经坐拥顶级发动机技术的德国车企,现如今在电芯上却极度依赖亚洲供应商。欧洲人深知,在锂离子电池的制造技术方面,亚洲已经远远走在前面。如若未来德国电动汽车产业长期依赖亚洲电芯进口,恐怕拱手相让的还有行业技术标准制定等主动权。在要不要自行投资建厂生产电芯的问题上,德国几大整车厂态度较为保守。

戴姆勒曾与赢创工业(Evonik Industries AG)联手成立Li-Tec公司,于2010年在卡门茨兴建锂离子电芯制造工厂。投产后不久,就于2014年11月宣布电芯生产将在2015年末全面停止,而Li-Tec成为戴姆勒的全资子公司,大部分员工并入戴姆勒。蔡澈在之后的采访中公开表示:"按照现有技术,戴姆勒无法在锂离子电芯的自行制造上获得任何经济上的优势。"

其实德国整车厂的担忧既有技术上无法超越亚洲供应商,更多的是在德国建厂自制电芯的超高成本。制造电芯属于能源密集型产业,然而德国能源价格超高,再加上在电池的原材料上不占任何优势,在短期难企业很难从自制电芯上看到盈利。专家预测,整车厂从建厂到盈利至少需要六至八年。对于已经上市的公司如戴姆勒、宝马、大众等,投资人也将无法理解公司为何将大笔资金投入到大约十年后才能看到盈利的业务。

固态电池:"电芯欧洲造"的弯道超车?

基于戴姆勒曾建厂造电芯的"失败"试验,德国汽车界似乎一度达成一致,按照现在的锂离子电池技术在德国建厂自制电芯不划算。那么有没有一种电池技术会让这比生意划算呢?几乎所有德国汽车界高层都提到一项可能量产的技术——固态电池。他们认为这项技术成熟后,极有可能会颠覆现有的锂离子电池格局,动力电池产业链将被重新洗牌。

固态电池顾名思义,相对于锂离子电池的液态电解质,它的电解质为一层很薄的固体材料。液态电解质的致命问题在于其易燃性,特别是汽车在被强太阳光照射,或者发生车祸后电动车被对方燃油车引燃,在这种情况下电池都有可能因为过热,最终引燃液态电解质。因此,现今电池组中都需要一套冷却和电池管理系统,这套冷却系统所占据的空间基本上夺去了电池组一半的电池容量。然而固态电池因其工作特性不需要冷却系统,固态电解质也不可燃,在安全性上大幅提升。因为使用固态电解质材料,不必再担心电解质外泄的问题,因此固态电池的尺寸极为灵活。固态电池可以做到十分轻薄而不牺牲功率密度。简而言之,与锂离子电池相比,固态电池可以以相同的重量和体积存储更多能量,达到很高的能量密度。另外,固态电解质中几乎没有有毒有害物质,相比锂离子电池更为环保。

动力电池技术之争,欧洲输了吗?

固态电池另一主要优势在于其充电电压范围较大且可变。现今的锂离子电池虽然已经实现相对较高的能量和功率密度,但是进一步提高电压以缩短充电时间的能力十分有限,这限制了其继续发展的可能性。另外,由于锂离子电池液态电解质的易燃性,在充电过程中必须不断控制充电速度,防止电池过热损害电芯甚至造成自燃。而固态电池或许为"充电一分钟,续航800公里"带来可能,另外固态电池的超长寿命和其理论上可达上千次的充电循坏,令汽车界对其充满希望。

固态电池研究:德国乃至欧盟层面的政策支持

前文提到戴姆勒曾建厂自己生产锂离子电芯最终因为经济原因失败收场。无独有偶,同样位于斯图加特的汽车零部件供应商巨头博世公司也曾研究并生产固态电池。博世于2015年收购研究固态电池的Start up公司Seeo,在之后的近三年时间内投入上亿欧元资金研发固态电池,但是最终在2018年初将该业务归类为"风险过高"宣告项目停止。据博世预测,为了达到理想的市场份额,至少需要近200亿欧元的投资,但不确定的是这项投资是否以及何时能够获得回报。

面对德国汽车企业界在电池研究上的"节节败退",德国乃至欧盟层面的政界为了让欧洲在未来的电动车时代仍有话语权,纷纷推出相关扶持政策。2017年10月欧盟委员会在整个欧盟层面联合各成员国、工业界、学术界以及欧洲投资银行发起了"欧洲电池联盟"(European Battery Alliance, EBA)。该电池联盟的主要目标就是在欧盟境内建立创新、环保和有竞争力的电池产业链,力争排除欧盟在电池上对于亚洲的高依赖性并充分利用电池技术的革新为欧洲带来的新增长和工作机会。

同样是2017年10月,德国联邦教育和研究部出资320万欧元,发起了为期三年的SOLID(innovative solid state batteries based on sol-gel materials with lithium metal anode and implemented 3D structuring)项目。该项目主要目标在于利用溶胶-凝胶法并结合智能涂层技术生产固态电池的阳极层、电解质层和阴极层,以提高固态电池在高功率密度下的稳定性、降低生产成本、简化生产流程并且不降低固态电解质的离子导电性。据悉,该项目科研工作由德国著名研究机构Fraunhofer承担,2019年该项目将展示其最新研究成果。

根据普华永道汽车领域咨询师估计,为了建造一个年产能为8千兆瓦时的电池工厂,预计将需要投资8亿到10亿欧元。而仅根据大众集团2025年的电动汽车计划交付量计算,所需的电池容量为一年150千兆瓦时,这意味着在欧盟境内需要近20座8千兆瓦时规模的电池工厂。对于任何一家整车厂或零部件厂而言,这都是一笔巨大投入。因此,欧洲厂商需要购买进口电芯的局面短期内不会改变。

虽然业界对固态电池给予厚望,但是德国汽车企业面对电池业务的较高企业风险,都保持了极为保守的态度。虽曾有戴姆勒和博世涉足电池研发和生产领域,但最终都草草收场。欧洲层面虽然成立了如同当年空客级别的电池联盟,德国政府也大力扶持固态电池研究,但是至今还未看到技术上的巨大突破,不知欧洲电动车的未来是否依旧"芯"在东方?

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