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为何马斯克“失声”固态电池?

2021-04-14 08:22:23 汽车商业评论杂志

埃隆·马斯克(Elon Musk)说,电池是未来的关键。它们为科技革命提供了动力,为世界带来了智能手机、平板电脑,以及在消费者开始被鼓励远离化石燃料的时候,它们带来了电动汽车。然而,驱动现代世界的锂离子电池背后的科学技术在三十多年来基本没有改变。

当锂离子电池开始在汽车行业广泛应用时,它公开的行业秘密也再次被放大并呈现在公众面前。锂离子电池含有数百公斤的金属和材料,特别是石墨、钴和高纯度镍,在开采和提炼过程中会造成严重污染,并增加二氧化碳的排放。另一个问题是安全问题,这些电池容易发生火灾和爆炸。

这些缺点使得人们对固态电池寄予厚望,希望它能帮助解决许多环境和安全问题。固态电池采用薄薄一层固体电解质,取代目前锂离子电池中易燃的液体溶液,可以更密集地储存能量。此外,固体电解质还可以充当隔膜,隔膜在锂离子电池中是关键部件,可以降低火灾风险,减少所需原材料的数量。

电动汽车制造商特斯拉的首席执行官马斯克在固态电池的话题上一反常态地沉默,他的公开表态中很少提及固态电池,包括在2020年9月的“电池日”活动上。

在不增加电池组成本和火灾风险的前提下,对更短的充电时间和更长的里程数的追求已经达到了技术上限。解决这些限制是让电动汽车革命真正起飞的关键。固态电池提供了部分解决方案,但可能会牺牲特斯拉作为市场领导者的地位。

两大趋势

两大趋势加大了电池技术变革的紧迫性,一是欧洲和中国都在鼓励电动汽车的发展,二是全球对工业金属的需求激增可能会削弱长期供应。

随着更严格的新车排放目标的逐步实施,2020年欧洲电动汽车的销量增长了一倍多。无论是英国还是德国,越来越多的国家承诺从2030年起禁止销售新的汽油和柴油汽车。同时,绿色技术现在被各国政府视为改善经济增长放缓的一种方式。

在中国,2020年电动汽车的销量达到了历史高点130万辆。“这甚至已经跟补贴没关系了,现在补贴在汽车总价中的比例可以忽略不计,只有十分之一左右。”摩根大通资产管理公司的研究分析师Mark Mao说,“销量只会上升。”

市场的乐观情绪部分是归因于电池制造商降低了生产成本。根据咨询公司Benchmark Mineral Intelligence的数据,对于锂离子电池组这一电动汽车最昂贵的部件来说,其电芯的价格在过去十年中下降了近90%,2020年降至每千瓦时110美元左右。

平均而言,电动汽车仍比传统汽油车贵30%。但这一差距正在缩小,瑞银的分析师表示,现在距离价格平价仅剩三年时间。从此,电动汽车的需求应该会进一步加快,这意味着对电池的需求更大。

电池中高度易燃的液态溶液不仅易燃,还使回收困难,转售贬值严重。还有价格因素,在不增加电池组成本的情况下,对安全性和能量密度的改进,每辆车的成本约为12000美元,已经达到了技术极限,这意味着使用锂离子电池的长续航汽车的价格有一个内部底线。比如入门级的特斯拉Model 3的起价为37990美元,现代Ioniq为33245美元。

除了昂贵和不稳定之外,电池还很笨重,特斯拉Model S的电池重量超过540公斤,它们的存在大大压缩了腿部空间,并施加了其他设计限制。这种额外的重量使电动汽车比汽油车重得多,因此它们需要更多的动力来覆盖相同的里程,特别是在寒冷的天气。再加上充电时间较长,充电基础设施不足,还有很大的改进空间。

“快速充电与液态电解质的搭配并不理想。在这个过程中产生的热量会损坏电池,绝对会提高火灾风险。”布朗大学工程教授布莱恩·谢尔顿(Brian Sheldon)说,“固态电池可以解决这一风险。”

电动汽车的倡导者似乎接受了这些限制,并采用了一些变通的方法,比如在冬天关闭暖风来延长行驶里程。

然而大多数问题,尤其是安全问题,却不那么容易解决。传统上,电池中镍、钴和锰的含量是相等的。但最近的行业趋势是将电池中镍的比例提高到阴极材料的80%以上。这有助于提高里程数,并能减少钴的使用量,降低生产成本,因为钴的成本是镍的两倍。

不幸的是,这种新的金属组合也使电池更加不稳定。中国最早将锂离子电池商业化,自5月以来,已有3辆配备这种电池的汽车起火。其他金属组合,如锂和铁,已被证明更安全,但能量密度较低。

无论是汽车制造商还是智能手机开发商,对于他们来说还有另一个共同的问题,那就是随着电池成为许多技术的关键部件,对原材料的需求也在增加。这在过去一年中推动了镍、石墨、锂、钴和铜的价格不断上涨。如果再加上大多数大宗商品交易的美元走软,价格可能会进一步上涨。

平均而言,一辆电动乘用车的电池需要约20公斤的镍(特斯拉Model 3需要30公斤),阴极需要多达20公斤的钴,外加约60公斤的锂化合物。在这些金属中,镍至关重要,因为它能帮助电池储存更多的能量,并减少对更昂贵的钴的需求。

特斯拉2020年占据了欧洲电动汽车行业使用的所有镍的一半以上,马斯克特别指出供应是一个问题。美国投行杰弗瑞集团(Jefferies)表示,该公司计划到2030年生产储存3太瓦时的电池,按照目前的水平,这将耗尽全球大部分镍产量。提高产量很难,产出的镍中只有不到一半能够适合用于电池。新的镍矿床也十分罕见,不排除出现短缺的可能。

由于不同的原因,锂的供应是有限的。锂是一种丰富的资源,但公司提炼锂用于制造电池的能力有限,替代品稀缺。建造新的锂矿设施可能需要长达10年的时间。电动汽车制造商的需求如此之大,以至于分析师预计2021年底前将开始出现供应短缺。钴也面临类似的命运。瑞银表示,预计未来十年将继续供不应求。

商业化还有多远?

大众汽车电芯中心负责人弗兰克·布洛梅(Frank Blome)将固态电池描述为锂离子等效电池的“终结者”。

固态电池更安全、更便宜,可以使用更长时间而不会出现性能下降,所需原材料更少。电池芯可以堆叠起来,就像用砖头砌墙一样,使它们更容易适应不同的汽车设计。它们更轻,大约10分钟就能充满电,并且具有更高的能量密度,提供双倍或更多的续航里程。固态电池对铜和铝的需求更小,石墨和钴可以完全被淘汰。回收固态电池也将是一个更简单、更安全的过程。

“从历史上看,从汽车排气系统到冰箱,新一代技术都带来了原材料使用量的大幅减少。固态电池也应该如此。”Hana Ventures首席执行官金东焕(Donghwan Kim)说,该公司是一家总部设在首尔的风险投资公司,主要投资于技术和工业领域。

已经生产出的原型产品表明,固态电池的能量存储量比相同重量和体积的锂离子电池多80%。金属锂具有更高的能量密度,可以取代石墨,有助于减轻电池重量和体积。

特斯拉宣称未来三年内量产出比传统锂离子电池的能量密度高50%的电池,以增加行驶里程。对于那些希望提高锂离子电池性能的人来说,在行驶中的车辆上安装重量超过500公斤的电池,同时不影响续航里程和安全性,是一项繁重的挑战。这导致分析师们对特斯拉所标榜的雄心壮志产生了一些怀疑。

“在今天的上限基础上提高50%,意味着电池的尺寸要大得多,因为需要有更多的材料进入阴极。”布朗大学的谢尔顿说,“将这些装入汽车将是一个重大的挑战。”

在过去二十年里,传统电池的能量密度每年增长约4%,达到每升约700瓦时,相当于续航里程500公里。由于电芯和液体电解质已经占了大量体积,这一水平很难进一步增加。

固态电池不仅可以将电芯的能量密度提高到每升1000瓦时以上,行驶里程为800公里。而且它们还可以承受更多的充放电次数。它们还可以在较长的使用寿命内保持更多的能量,从而有可能实现100万英里的电池寿命。这将极大地改变终生拥有成本,并减少原材料的使用。

虽然已经开发出了固态电池的原型,但每辆长续航电动汽车需要的电芯数量至少是迄今为止在实验室测试的20倍。工厂将很难批量制造它们,目前每块电池的制造成本约为10万美元。

大规模生产还需要几年时间。但各家公司正向着它慢慢靠近。“现在与之前最大的不同是,固态电池技术已经取得了进步,人们已经发现了阻碍其商业化的问题。”谢尔顿说,“这足以让我们感到乐观。”

固态电池领域目前最受关注的公司是QuantumScape,这是一家由大众汽车和比尔·盖茨(Bill Gates)支持的硅谷创业公司。它的目标是在2024年实现商业化生产。在通过一家特殊目的收购公司上市后,其股价2020年上涨超过1000%,对该公司的估值一度接近500亿美元,超过通用汽车。

Solid Power是一家位于科罗拉多州的初创企业,正在小规模地生产22层锂金属电池,这已经可以提供比目前长续航电池更多的里程数。它计划在一年内生产出更大的电池,并在2025年前将其应用于汽车。

然而对于寻找特斯拉颠覆者的投资者来说,像这样的初创企业可能不是最好的选择。它们缺乏从头开始制造关键部件的能力。目前在传统的电池、汽车和机械领域占据主导地位,并且有现成的机械和材料渠道的公司更适合大量生产的零部件。

基于这些原因,一些亚洲公司看起来最适合将固态电池变为现实。丰田将在2021年推出一款原型车,只需10分钟即可充满电,续航500公里。丰田汽车两年前推出的雷克萨斯LF-30概念车,配备了小型固态电池,目前已有1000项涉及固态电池技术的注册专利。

来自三星的替代方案将提供一次充电800公里的里程。它的体积将是传统电池的一半。首席研究员Dongmin Im说,“这项技术是提高电动汽车里程数的革命基础。”它的生命周期超过1000次充电,与现有电池相比,现有电池只需快速充电60次就会出现容量衰减。

对于这些公司及其投资者来说,固态电池是一个不错的赌注。这种技术的每一次进步,都为先行者带来了意外之财。即将推出第五代锂离子电动汽车电池的三星已经签署了几份合同,其中包括与宝马签订的价值35亿美元的合同,在未来十年为其供应电芯。

对于特斯拉来说,这些进展构成了威胁。它对电动汽车市场的把持,与它的车型较长的续航里程和快速充电时间,以及它的创新软件和颠覆性营销一样重要。然而,如果汽车能在家里一样快速充电,它遍布全球的超级充电站网络将不会带来什么竞争优势。

制造商离商业化有多近?从专利方面也可见一斑。根据欧洲专利局2005年的数据,电池和电力存储设备的全球新专利申请数量的增长速度是所有其他技术领域平均水平的4倍。而与固态电池相关的专利增长速度最大,这暗示着固态电池进入市场的时间快于预期。

“我们多久能达到大规模生产,只是投资多少的问题。”Hana Ventures的金说,“以芯片制造为例,大多数限制,包括那些曾经被说成是技术上不可能的限制,都已经通过增加资金来克服。最近电动汽车市场的增长意味着,现在可以分配更多的资金将固态电池推向市场。”

撰文/ 马晓蕾

编辑/ 温 莎

设计/ 杜 凯

来源 / Fttimes,作者:June Yoon




责任编辑: 李颖

标签: 马斯克 固态电池

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