隨著各種電池材料和先進(jìn)電池科研成果在媒體上宣傳對(duì)于我們車(chē)輛的提升，而與實(shí)際各個(gè)大的電池公司的研發(fā)和產(chǎn)品進(jìn)度并沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)，這使得我們對(duì)于目前的現(xiàn)狀產(chǎn)生了一些懷疑。本文主要梳理一下，目前可用電芯、開(kāi)發(fā)中的電芯、開(kāi)發(fā)中的材料和研究中的新的電池技術(shù)的成熟路徑，并探討一下在目前全球范圍內(nèi)各種研究中產(chǎn)生的專利、材料和制程工藝改進(jìn)工藝還有后期實(shí)驗(yàn)室、中試驗(yàn)，如何跟蹤這些電池技術(shù)的動(dòng)態(tài)是否對(duì)我們的電動(dòng)汽車(chē)事業(yè)有意義。另一個(gè)角度，我們也是從產(chǎn)業(yè)鏈角度來(lái)觀察，以電池產(chǎn)品端、電池材料這兩方面，主要的供應(yīng)鏈企業(yè)的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

 

 

圖1 鋰電池技術(shù)的發(fā)展

 

       鋰電池的革新主要依賴于電池材料的基礎(chǔ)研究，如下圖所示，第一個(gè)步驟是在材料研究方面去評(píng)估可用性。折衷研究并不是物理性能的改進(jìn)，涉及到大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，因而材料研發(fā)周期長(zhǎng)，投入大。在第二個(gè)階段是對(duì)于材料量的放大并評(píng)估材料的低成本制程工藝，在這兩個(gè)階段從技術(shù)研發(fā)到商業(yè)推廣仍需要 10-20 年。第三個(gè)階段，是電芯企業(yè)根據(jù)不同的尺寸規(guī)格去設(shè)計(jì)電芯和配套的電芯加工的過(guò)程，做出來(lái)各種形狀的電芯樣品。第四個(gè)階段進(jìn)入商業(yè)化階段，在各個(gè)市場(chǎng)根據(jù)客戶的要求進(jìn)行評(píng)估和測(cè)試，并不斷的改進(jìn)電芯的特性，包括安全、性能和壽命等。從梳理鋰電池的研發(fā)及商業(yè)化歷史可以發(fā)現(xiàn)，鋰電池的主要研發(fā)方向是提高材料的導(dǎo)電率和能量密度，且因?yàn)檎龢O材料和負(fù)極材料相比比容量較小，研發(fā)主要集中在正極材料領(lǐng)域。前沿研究構(gòu)成了專利，而擁有技術(shù)專利的公司可以率先打開(kāi)市場(chǎng)，可通過(guò)申請(qǐng)專利申訴等手段鞏固技術(shù)壁壘，形成獨(dú)斷性優(yōu)勢(shì)。

 

圖2 電池材料和電池的開(kāi)發(fā)階段

 

       以目前我們使用的三元電池為例，美國(guó)3M公司和美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室都在2001年申請(qǐng)了三元材料的相關(guān)專利，一般認(rèn)為常規(guī)三元材料 NMC專利由美國(guó) 3M 公司擁有，而層狀富鋰高錳材料專利則是ANL申請(qǐng)的。目前優(yōu)美科擁有3M的專利所有權(quán)，LG和SK等企業(yè)擁有專利使用權(quán)。而阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的三元專利主要轉(zhuǎn)讓給 BASF。目前針對(duì)NCM分子數(shù)量比例的不同對(duì)材料企業(yè)和電池企業(yè)的約束力也不一樣。比如NCM333等普通三元組分的核心材料專利繞不開(kāi)3M、ANL,但在NCM523、NCM622、NCM811、NCA 等材料上定義較為模糊。

 

       所以我們首先判斷電池的研究，還是從不同的材料開(kāi)始看，然后觀測(cè)電芯企業(yè)在材料評(píng)估的進(jìn)度。短期內(nèi)一定規(guī)格和尺寸的電芯，還是以幾Ah的速度一點(diǎn)點(diǎn)往前走。在物理形狀利用率上面提高，結(jié)合對(duì)內(nèi)部電芯設(shè)計(jì)的挖掘。

 

圖3 電池的效率演進(jìn)，是盡可能提高有用的材料占比

 

       目前從材料來(lái)看，我們短期內(nèi)3年內(nèi)能見(jiàn)到的電池會(huì)是以622和811為主，圍繞這個(gè)正極材料不斷提高相關(guān)的電芯設(shè)計(jì)。

 

圖4 正極材料的發(fā)展模式

 

       文章寫(xiě)到這里，也要寫(xiě)一下目前的憂慮。從動(dòng)力電池的路線圖的發(fā)布開(kāi)始，到現(xiàn)在的情況，電池的主要技術(shù)路線，是根據(jù)日韓所主導(dǎo)的三元在走。韓國(guó)電池企業(yè) LG、三星 SDI 分別于 1998、1999 年開(kāi)始研發(fā)，并逐漸趕超日本技術(shù)。日韓電池廠商主要采用三元技術(shù)路線，且擁有20年以上消費(fèi)電池、10 年以上的動(dòng)力電池研發(fā)歷史。如下圖所示，基于三元之上的電芯是目前2-3年的主流現(xiàn)產(chǎn)的車(chē)型選擇。

 

圖5 LG目前的622的軟包，是下一代上市的國(guó)外電動(dòng)汽車(chē)主要選擇

 

       還有接下來(lái)馬上可用看得到在國(guó)家層面的補(bǔ)貼下降，什么樣的電池能夠符合在無(wú)補(bǔ)貼、注重安全考核能夠立住腳？我們現(xiàn)在的主要的手段是靠規(guī)模，在材料端的噸產(chǎn)能和電池端的Gwh的產(chǎn)能。2017 年我國(guó)正極材料產(chǎn)量 20.7萬(wàn)噸，NCM產(chǎn)量約8.4 萬(wàn)噸。從三元NCM111、523等到NCM622、NCM811、NCA 等高鎳三元材料則需要一段時(shí)間來(lái)在生產(chǎn)穩(wěn)定性和電芯安全上面逐步攻堅(jiān)。從這個(gè)角度來(lái)看，我們看到媒體報(bào)道的各種研究層面，可能在5年甚至10年后才能上車(chē)的研究成果，目前主要是各個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)的專利價(jià)值，很難一下子落實(shí)到車(chē)上。之前我們報(bào)道的300Wh/kg的科研電芯產(chǎn)品，離全面符合車(chē)用要求，也有3年的時(shí)間左右，對(duì)所有人來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)水解不了近渴�？陀^來(lái)說(shuō)，這段時(shí)間電芯的迭代，也比較快，還需要分一下精力對(duì)之前所造的車(chē)輛的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，以不斷完善我們對(duì)于電芯的要求。

 

       備注：要保證電芯的安全，是不是在電芯的濫用以及熱失控評(píng)估上面嚴(yán)守，在各個(gè)環(huán)節(jié)層面上怎么樣符合威力更大能量密度越高的電芯，這些都是工程挑戰(zhàn)。

 

       小結(jié)：作為一名工程師，我也很想活在媒體的世界里面，今天一項(xiàng)成果，明天一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)，帶領(lǐng)大家攻克電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)的瓶頸。電池技術(shù)的鐵棒磨成針，真能把小伙熬成大爺，我們要做好長(zhǎng)期抗戰(zhàn)的準(zhǔn)備。