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竞逐1000公里续航:固态、石墨烯、掺硅补锂谁最靠谱?

原标题:竞逐1000公里续航:固态、石墨烯、掺硅补锂三大电池技术路线加速跑,谁最靠谱?

每经记者 段思瑶  孙磊 

在包机内跟随音乐唱唱跳跳,手舞足蹈……今年1月初,100名蔚来汽车粉丝兴致盎然地赶往成都参加“NIO Day 2020”,等待着蔚来汽车创始人、董事长、CEO李斌给他们带来惊喜。

“我们采用最先进的量产固态电池技术,实现了360Wh/kg的超高能量密度,续航将超过1000公里。”李斌的这个“惊喜”,让蔚来汽车粉丝们激动的同时,也拉开了新能源车企竞相追逐车辆续航1000公里的序章。

在蔚来汽车之后,智己汽车、广汽埃安相继宣布将推出1000公里续航电动车。与蔚来汽车使用固体电池不同的是,智己汽车宣称旗下首款车型将搭载宁德时代提供的“掺硅补锂”电池,广汽埃安则选择搭载石墨烯基超级快充电池。

一时间,“1000公里续航”成为业内热议焦点。但1月16日,中国科学院院士、中国电动汽车百人会副理事长欧阳明高的一句话,让“1000公里续航”的热度瞬间降温。欧阳明高说:“如果有人说,(他的电动车)既能跑1000公里,又能几分钟充完电,而且还特别的安全,成本还特别低,大家不用相信,因为这在目前是不可能的。”

随后,威马汽车创始人、董事长兼CEO沈晖、大众汽车集团(中国)CEO冯思翰等车企高管纷纷表态,认为电动车1000公里续航意义不大。

“在电池技术没有实质性突破的情况下,高续航的电动车需要搭载更重的电池,为此要搭配极高成本的、更轻的车身,这样整车的成本也会越来越高,所以这是一个恶性循环。”冯思翰说。

当前,对于电动汽车1000公里续航的讨论主要分为两派:一派观点认为,1000公里续航的实现,让电动车进入了“新世界”,可以与燃油车正面“刚”;另一派观点认为,随着充电基础设施的普及,市场并不需要1000公里续航的电动车,这会是一种浪费。

那么,当前电动汽车到底有没有能力实现1000公里续航?固态、掺硅补锂、石墨烯,三种电池技术路线,谁会最快实现这个目标?

打开“新世界”的三把钥匙?

“目前,液态锂离子电池的能量密度到了300瓦时/公斤,已经达到了一个极限。下一步或者新一代电池要发展固态电池,逐渐要过渡到全固态锂电池。同时我们还应该发展钠离子电池,它的电解质目前是液态电解质,下一步也要发展固态钠离子电池。”就在欧阳明高对1000公里续航发表质疑观点的第二天,中国工程院院士陈立泉在上述百人会论坛上公开支持固态电池的发展。

在以陈立泉为代表的不少业内人士看来,固态电池是下一代动力电池技术研发的主流方向。“相较目前主流的传统锂离子电池,固态电池电化学稳定性相对更好。”中国汽车动力电池产业创新联盟副秘书长马小利说。

“看完了发布会之后,我还仔细研究了固态电池,这电池续航长、安全性能高。”牛颂(化名)告诉《每日经济新闻》记者,在“NIO Day 2020”之后,因为对固态电池充满兴趣进而前往NIO House看蔚来ET7的不只他一个。

公开资料显示,固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的不同在于电解质。固态电池是使用固体电解质,替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜,这种做法大大降低了热失控风险,电池安全性进一步提高。

同时,固态电池电化学窗口可达5V以上,高于液态锂电池(4.2V),允许匹配高能正极和金属锂负极,大幅提升了理论能量密度;固态电池可简化封装、冷却系统,在有限空间进一步缩减电池重量,体积能量密度较液态锂电池(石墨负极)提升70%以上,达到500Wh/kg。

不过,由于大部分固态电解质电导率比电解液小10倍以上,固态电池存在快充性能不佳的问题。此外,循环过程中物理接触变差进而影响使用寿命、制备工艺复杂、成本高等也是固态电池技术突破过程中面临的难题。

与固态电池不同,智己汽车所采用的“掺硅补锂”电池则是通过提高负极中硅的含量,同时增加锂的含量,以弥补因硅含量提升而导致的电池在充放电过程中锂损耗的提高,进而提升电池性能。值得注意的是,该电池的技术特点与蔚来汽车采用的“无机预锂化硅碳负极”方案并无本质上的差异。

相较之下,当前,使用石墨做电池负极材料仍是市场的主流选择,但其理论克容量偏低(约372mAh/g),已进入瓶颈期。而硅基材料具有很高的理论克容量(约4200mAh/g),在负极加入硅后,电池的能量密度会有显著的提升。

不过,在加入硅后,电池会遇到石墨和硅两种材料在充放电过程中体积膨胀不同的问题。据了解,硅的体积膨胀为320%,而碳仅为12%,体积膨胀不同,结构就会坍塌。同时,电池还有循环寿命不够、首充效率低等缺点。

对于这一问题,蔚来汽车和智己汽车选择使用预锂化的方式进行解决。公开资料显示,预锂化的目的是为弥补充放电过程中不可逆的锂损耗,提前对电极材料进行补锂,以提升首次充放电效率,并提高电池的总容量和能量密度。目前,常见的预锂化方式是在负极(金属Li粉和Li箔)或者正极补锂。

除上述两种动力电池外,石墨烯电池也被认为是动力电池产业新的发展方向之一。据了解,石墨烯是一种由碳原子排列构成的单层四维蜂窝状晶格结构新型纳米材料,具有优良的电子传导性能、热性能以及较高的比表面积,在新能源、化工、电子信息、生物医药等领域拥有巨大的应用前景,被称作“21世纪的新材料之王”。

不过,需要注意的是,当前石墨烯的成本十分高昂,对制造工艺的要求也非常苛刻,同时石墨烯电池的制作工艺也仍然不够成熟。

距离“开门”还远

“导电率低、原材料成本高、生产工艺难度大,固态电池实现商业化还需要克服众多技术难关。”深圳易马达科技有限公司硬件副总裁沈剑在接受《每日经济新闻》记者采访时表示,固态电池的技术方案成熟和量产化需要不断试产、改进,再进入小批量生产和爬坡,这个过程可能要持续5~10年之久。

在业内看来,固态电池的研发及商业化进程会分为几步走:首先是半固态电池,仍会使用液态电解质;然后是全固态,不再使用液态电解质;接下来,全固态电池也会持续技术迭代,直到多项指标均发展成熟。

值得注意的是,蔚来汽车发布的150kWh固态电池并非真正意义上的固态电池。“蔚来汽车即将应用的电池是带有少量电解液的半固态电池。全固态电池的单体能量密度最高能做到400~500Wh/kg,而蔚来明年量产的半固态电池的单体能量密度在360Wh/kg。”蔚来汽车创始人、董事长、CEO李斌表示,150kWh电池包将于2022年第四季度交付。

“相较全固态电池,半固态电池实现产业化的时间相对较短,但也要2~3年才能搭载上车。”伊维经济研究院研究部总经理吴辉在接受记者采访时说。

而智己汽车使用的掺硅补锂电池今年也无法在量产车上得以体现。智己汽车官方近日表示,受轴距限制,其首款量产智能纯电轿车上市时(今年年底)暂无搭载掺硅补锂电池包的计划。根据产品规划,后续轴距在3150mm以上的智己汽车车型可实现近1000公里续航。

智己汽车透露,其第二款车型计划于2022年上市,而这也意味着智己汽车续航1000公里的产品最快也到2022年才能交付。

此外,广汽集团也称其硅负极电池最高可实现1000公里的综合续航能力,目前该电池已按计划进入实车测试阶段,预计于年内首次搭载在现有AION LX车型上。

据了解,掺硅补锂技术目前面临着硅负极的应用难度高、产量低、成本高、补锂技术存在安全和技术成熟度低等问题。

相比之下,石墨烯电池“上车”时间会更加遥远。有业内专家认为,石墨烯电池目前仅处于实验室阶段,尚未达到量产条件,商业化非常困难。

但广汽集团方面表示,目前公司石墨烯基超级快充电池已按计划进入实车测试阶段,预计于本年内首次搭载在AION V车型上。对此,沈剑认为,石墨烯基电池不能等同于石墨烯电池。所谓的石墨烯电池,是正极材料主要为石墨烯的电池。

广汽集团发布的公告显示,石墨烯基超级快充电池具备6C快充能力,结合600A高功率超充设备,最快8分钟可充电80%;整体电芯成本与目前市场常规动力电池成本相比高5%~8%。但该技术的普及有赖于国家超级快充相关标准的发布和高功率超充设备的建设进展,市场需求具有不确定性。

早在2016年,作为当时国内石墨烯领域的龙头,东旭光电(000413.SZ)就推出了世界首款石墨烯基锂电池产品——“烯王“。不过,该产品在发布后就陷入争议,被指噱头大于实用性。无独有偶,广汽埃安推出石墨烯基超级快充电池的消息官宣之后,也引来了各方的“火力”。

“广汽集团的墨烯基电池主要是通过在正负极材料中添加1%~3%的石墨烯实现电池倍率性能的提升,该技术已较为成熟,但对电池能量密度的提升帮助不大。同时,8分钟充电80%可能还是基于实验室数据的推算结果,实际的大功率充电往往都会以牺牲电池容量为代价。”华金证券在其研报中表示。

“从续航的角度来看,石墨烯对于(动力电池)容量是有提升的。但是即便将石墨烯完全作为负极材料,它也不如金属锂和硅碳做负极。”前宁德时代相关技术研发负责人认为,“本质上石墨烯与PVDF、碳纳米管等辅材一样,不会对产业链产生颠覆性的影响。”

1000公里续航有无必要?

假设上述三种电池在技术突破上进展神速,市场究竟需不需要1000公里续航的电动车?

“电动汽车哪儿都好,就是不能往远处跑。要是真能跑1000公里,我着实有点儿小期待。”手握新能源汽车指标的蒋农(化名)认为,“(续航)1000公里就意味着电动车的充电频率与燃油车加油的频率基本相当,可以不用时刻担心(车辆)还有多少续航(里程)了。”

同时,有分析称,车企在新能源车性能升级方面的紧迫感,能够从商业上推动上游动力电池等核心技术的升级。

但对新能源汽车产业有多年研究的国家电动乘用车技术创新联盟技术委员会主任王秉刚则直白地表态:“这既没有必要,也不合理,很大程度上是一种商业跟风行为,并不理性。”

“实事求是地讲,续航到一定程度的话并不是越多越好。因为电池(容量)大了(车)也沉,一个车背着这么大电池不是特别环保,消费者也没有必要背着1000多公里续航的电池满大街跑。所以我个人理解,还是看消费者需求。”长城汽车技术副总裁宋东先说。

中汽中心汽车测评管理中心技术管理部部长周博雅此前也告诉《每日经济新闻》记者,可实现1000公里续航的电池意味着成本会增加,而消费者是否愿意为此埋单还是一件需要评估的事情。车辆续航里程的合适程度,应该是交由市场来决定的指标。

“事实上,车辆续航1000公里并不能构成电动车技术壁垒,而且1000公里续航技术的实现面临周期问题。在2~3年后,国内的充电桩布局将更完善,换电模式、快充难题也会基本解决,1000公里续航意义不大。”沈晖认为,未来几年,如果国内主流新能源汽车都使用续航1000公里的电池,对社会绝对是一种巨大的浪费。

冯思翰认为目前整个行业对于电动车高续航里程的讨论恰恰体现了消费者对于充电基础设施的不满。而作为消费品的电动车应走中远距离续航但完善充电设施、开发快充技术的路线。

“如果每一个消费者都能在自己的车位装上家充桩,电动汽车充电的体验将超过燃油车加油的体验,那么电动汽车离普及就不远了。到那时,也就没有人再‘炒作’续航里程了。”蔚来汽车联合创始人、总裁秦力洪说。

“我只想知道实际续航”

当车企将1000公里续航作为主要亮点,消费者更关注的是电动车的实际续航能力究竟是否与宣传中的一致。

“我买车的时候,销售说车辆NEDC工况续航里程是500公里,但实际上跑下来只有不到400公里。”纯电动车车主唐天(化名)无奈地告诉记者,自己当时以为NEDC工况续航里程就是实际续航,却没想到会有这么大的差距。

记者在走访终端市场过程中发现,大部分4S店在销售新能源车时,只把厂家标注的NEDC工况续航里程告知消费者,却对电池续航里程在冬天会大幅缩水等信息提及甚少。

记者了解到,目前,我国对电动汽车的续航里程认证是NEDC标准,由市区工况和市郊工况两部分组成,车辆在测试中多数时间处于匀速行驶,呈现了相对理想的驾驶环境。然而,车辆不同的驾驶模式、气温、车速等对续航都会产生影响。尤其是到了冬天,电动车的续航里程“打折”现象更为严重。

“我的车买了近5年了,冬天的充电频率平均是一周两次,而夏天则是两周三次。我买车比较早,车辆续航里程不算多,冬天最冷的时候只能跑100公里左右。”纯电动车车主张宁旭(化名)告诉《每日经济新闻》记者。

除了NEDC标准,还有汽车厂商用“60km/h等速续航”来标注电动车的续航里程。记者查阅资料后发现,在很多车型配置栏,紧挨着“60km/h等速续航”会出现“综合工况续航”,这个数字往往要比60km/h等速续航低。

“60km/h 等速续航只是车企的一种宣传手段,并不代表车辆的真实续航里程。”一位动力电池专家向记者表示,“60km/h 等速续航数据是车辆关闭所有电气设备,在最经济的模式下以60公里每小时的速度行驶计算,从而得到的最理想化续航里程数据。”

这意味着,不管是NEDC综合续航1000公里,还是60km/h 等速续航,都是车企抓住消费者对电动汽车里程焦虑的心理,用更大的续航里程数字,降低消费者对电动车续航里程忧虑的宣传手段。

多名纯电动车车主直言,希望在买车之前,汽车厂商能详细告知车辆在不同工况下贴近实际生活的真实数据,而不是实验室数据。

值得关注的是,从2021年起,国内将逐步推行新的新能源车里程测试标准——WLTC测试标准,即在全球范围内收集真实的行驶工况数据,增加城市拥堵工况的比重,相比之下这种方法得出的里程数据更接近车辆实际的驾驶体验。

除了采用更为标准的续航测试,加强动力电池的技术研发,提高电池的续航里程,才是消除消费者的续航里程担忧的必由之路。

“当前关于新能源汽车的效热管理系统核心技术已取得重要突破,将使得冬季低温环境下续航里程损失比现有车型降低2/3。同时,随着充电体系建设与快充技术突破,未来5~10年,白天可用15分钟充满75%电量。”欧阳明高说。

资本主动“掏腰包”

虽然“1000公里续航”仍存争议,但这并不妨碍资本市场为之“倾倒”。

蔚来汽车发布固态电池后随即引发资本震荡。1月11日,A股电解液、隔膜企业股价出现大幅下跌。截至当天收盘,天赐材料(002709.SZ)、恩捷股份(002812.SZ)、璞泰来(603659.SH)跌停,新宙邦(300037.SZ)股价跌幅为6.7%。

与之相对,南都电源(300068.SZ)、赣锋锂业(002460.SZ)、德尔股份(300473.SZ)等与固态电池相关个股当天股价纷纷看涨。

1月15日,广汽埃安石墨烯基超级快充电池海报发布当日,广汽集团盘中涨停,报收12.52元/股;港股(02238.HK)尾盘同步大幅拉升,报收9.38港元/股。这一波上涨甚至持续到了1月18日,当天广汽集团股价再度高开7.83%,最终收于13.2元/股,涨幅为5.43%。

不仅如此,石墨烯概念股也纷纷上涨。1月18日早盘,石墨烯概念股中泰化学(002092.SZ)、大东南(002263.SZ)开盘后迅速涨停,龙磁科技(300835.SZ)、华丽家族(600503.SH)、碳元科技(603133.SH)、方大炭素(600516.SH)等纷纷跟涨。

而在此之前,资本早已为固态电池主动“掏腰包”,多家固态电池企业背后都有主机厂的身影。

记者查阅公开资料发现,近两年包括北汽、上汽、广汽、一汽等车企先后参与了多家固态电池企业的融资。如,北汽产业投资分别在2019年6月和12月参与了清陶能源的D、E轮融资,上汽投资和广汽资本又先后参与了其E+、E++轮融资。

国外企业方面,2014年,大众汽车持有固态电池企业QuantumScape 5%的股份,随后又在2018年追加了1亿美元投资,并成立合资公司;2020年6月,大众汽车再次增资2亿美元,现持股31.1%。

此外,动力电池产业链企业也在加紧“攻城略地”。如,天齐锂业(002466.SZ)持有卫蓝新能源5%的股权;赣锋锂业(002460.SZ)曾在2019半年报中披露,其投资建设的年产亿瓦时级第一代固态锂电池研发中试生产线于当年下半年建成投产。

五矿证券研报认为,鉴于动力电池对新能源汽车综合性能、安全性的决定性影响,以及整车与头部电池之间围绕产业链议价能力的争夺,全球车企依然有动力积极扶持、甚至大规模投入固态电池的研发和产业化。

但对石墨烯电池,资本则显得较为谨慎。“国际锂电池产业界并没有‘石墨烯电池’这个提法,市场上宣传的‘石墨烯电池’指掺入了石墨烯材料作为导电添加剂,有些甚至没有任何石墨烯材料,只是利用其热点和噱头,并不是以石墨烯为主材的新电池品类。”沈剑告诉《每日经济新闻》记者。

基于此,资本仅显示出对石墨烯材料的热情。有统计数据显示,目前我国共有1.7万家石墨烯相关企业,2020年相关企业注册量为6576家,同比大涨174.6%。从企业规模来看,目前注册资本在500万元以上的石墨烯企业数量最多,有8726家,占总量的51%。

与固态电池、石墨烯电池等仍处于实验室阶段的技术相比,掺硅补锂早已是国外部分汽车厂商掌握的成熟技术,只是对国内企业而言,还处在开始量产应用的阶段。

从目前来看,多家上市公司正在抓紧在硅基负极材料领域的投入和投产。如,中国宝安(000009.SZ)子公司贝特瑞现有硅基负极生产线已投产;中科电气(300035.SZ)在硅基负极材料已进行多年的持续研发投入,目前已建设完成中试产线,进行成品试生产。

车企开启电动旗舰车型“军备竞赛”

掀开150kWh固态电池和石墨烯基超级快充电池的真实“面纱”,引发热议的电池技术革新其实远不如想象般精彩。

“从严格意义上来说,蔚来汽车发布的固态电池只是相对初级的半固态电池,仍然需要电解液、基膜。”兴业证券研报认为,由于固态电池在技术和成本方面都还存在难题,现有的四大材料体系将长期维持。

记者了解到,动力电池四大核心材料包括正极、负极、隔膜、电解液,分别占据电池成本约30%、10%、25%和17%。而正极、负极、电解液上游主要为各类锂矿、石墨矿、沥青等资源的开采、生产和加工。

数据显示,截至1月11日,电池级碳酸锂价格较2020年12月初上涨28.49%;氢氧化锂价格上涨3.85%;电解钴价格上涨16.41%;钴酸锂价格上涨6.19%;三元523正极材料价格上涨8.40%;LFP价格上涨11.43%;电解液价格基本持平。

“固态电池发展的同时,三元锂和磷酸铁锂等原有电池体系也在不断优化提升,甚至会有更多的资源注入。”沈剑告诉《每日经济新闻》记者,即便是在固态电池的初期规模化应用中,产业链的发展也会限制其上量的节奏,生产成本也不会有太大优势。

安信证券研报认为,全固态锂电池只是改变了正负极之间传导锂离子的方式,对正极材料体系并没有出现颠覆性的改变。

不过,蔚来汽车“半固态电解质”的应用,被认为将强化硅碳负极预锂化甚至金属锂负极的应用趋势,以及高镍化趋势,从而进一步拉动金属锂和硫酸镍的需求。天风证券研报曾测算,若预锂化在动力电池中渗透率达到100%,则每年动力电池的需求中8%~15%需要以金属锂的方式提供。

随着固态电池、掺硅补锂等动力电池技术的成熟应用,动力电池行业洗牌在即。目前掌握固态电池、掺硅补锂技术的企业均为头部动力电池和锂电设备龙头公司。如,宁德时代为智己汽车提供掺硅补锂电池包,同时在硫化物固态电池技术方面比较成熟;国轩高科今年1月发布了一款采用掺硅补锂技术的磷酸铁锂电池。

这意味着,头部电池企业、锂电设备厂商在客户、资金和研发等方面具有充足的储备,将借机提升市场份额,中小厂商则面临生存压力加大,甚至被淘汰的风险。

从时间轴来看,搭载“掺硅补锂电芯”技术的智己汽车预计在今年四季度实现量产交付;蔚来汽车ET7计划于2022年第四季度交付。此外,丰田、大众、宝马、福特、富士康等均将实现固态电池量产的时间节点设定在2025年前后。

由此来看,搭载半固态电池的汽车实现量产最快也在两年之后。兴业证券在研报中认为,由于固态电解质成本较高,若无革命性的技术路径创新,固态电池很难大规模装车,预计车用动力电池占比不超过20%。

“在智能电动汽车颠覆性的新时代来临前夕,车企间为争夺新时代主导权而爆发的旗舰车型‘军备竞赛’将一直延续到行业格局基本尘埃落定,这一特殊的产业时期可能维持5~10年,甚至更久。”国信证券方面表示。

记者手记丨企业应将需求交还市场

固态电池、石墨烯电池、掺硅补锂电池,并不是“最新出炉”的新技术、新概念,但为何会引起轰动?

记者发现,三种“老技术”之所以酿出“新热度”,离不开一个关键信息点,即1000公里续航里程。新能源汽车发展多年,里程焦虑仍是主要的痛点之一,这样的宣传点恰好击中了消费者最关注的信息。

但一味追求高续航里程并非好事。一方面,车辆的成本将提高,不利于电动车的推广;另一方面,目前现有的锂电池技术体系已经能够达到上百公里的续航,且仍有进步空间,同时电池快充性能和基础设施建设也都在快速进步和完善的背景下,采用高成本的固态电池将民用车辆续航做到上千公里以上的必要性,其本身也需要打上问号。

在技术创新的过程中,企业要清醒地认识到,新一代电池的规模制造与降本过程很难脱离产业规律,仍将是渐进而长期的过程。在此过程中,企业应将需求交还市场,按市场需求产出产品和技术。与此同时,当前锂电池仍在快速降本的过程中,未来大概率仍是分场景的多种路线长期共存。

记者:段思瑶 孙磊

 

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