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特斯拉的电池进化论

知识流 2020-03-16 16:15


 | 知识流

自2009年开始特斯拉和松下合作生产高密度汽车电池,以减轻成本、技术压力。在拥有业界最先进的电机、电控技术,需求不断飙升的背景下,特斯拉加大了全球化步伐,并拥有了更多电池供应链伙伴。

 

不久前路透社报道特斯拉将采购宁德时代的(无钴电池)磷酸铁锂电池,预计应用于低配版国产特斯拉车型,标准版和长续航版依旧使用 LG 化学的 NCM811 电池。

 

之后特斯拉将自建电池生产线,尽管电池自主才是特斯拉未来降低成本的终极方案,但是在此之前,仍然会有大批产业链相关企业受益。



 被电池供应链扼住咽喉,三代特斯拉不断变动电池方案

新能源汽车电池使用的是锂电池,而锂电池的差异性,是它们的正、负极和电解液使用材料除锂以外组合的不同决定的。电池的正极组合在发展过程中变化是比较大的,但是负极组合就一直比较稳定。

 

锂电池负极材料一般被划分为两个类别,一类是碳材料例如天然石墨,一类是非碳负极材料例如硅基材料。因为他们的化学性质比较稳定。

 

不同的地方在于,硅的能量容量是碳的10倍,但是从空载到完全充电,石墨体积膨胀7%-10%,硅膨胀300%-400%。显然硅在储能上更有潜力,但是过度的收缩也会影响电池寿命,因此特斯拉锂电池的负极采用的是石墨和硅的氧化物。

 

这也就不难理解,为什么2008年到2012年,特斯拉开始在Roodster和Model车型上使用宽18mm、高65mm的18650型号的小单元组电池。因为小单元组给到了膨胀空隙,并且不用一整块电池一起充放电,通过动力管理软件可以实现单一管理,合理的充放电减轻每个单元的压力,有利于延长电池的使用寿命。

 

 

特斯拉的核心技术壁垒正是管理这几千个圆柱形小电池的电池管理系统和电池冷却系统。

 

特斯拉电池管理系统能准确估测动力电池组的电池剩余电量,并在充放电过程中,实时采集电池组中的每块电池的端电压和温度、充放电电流及电池包总电压,防止过充过放。同时能够及时给出电池状况,挑选出有问题的电池,保持整组电池可靠高效运行。

 

特斯拉的电池冷却系统,是一套专门的液体循环温度管理系统,“冷却液”由 50%的水和 50%的乙二醇混合而成,从进水口进入冷却液扁管,在管路围绕每一节单体电池流动,从出水管流出带走热量,热量最终会在车辆头部热交换器散发出去完成循环。

 

从正极材料来看,特斯拉18650型号的电池属于三元锂电池,也就是使用了三种元素组合的锂电池,这三种材料为镍、钴、锰/铝,也就是主流的镍钴锰(NCM)和镍钴铝(NCA)两种组合。

 

2016到2018年期间, 特斯拉Model S和Model X同样也是使用松下18650型号电池,但是其中钴的含量从11kg每车下降到7kg每车。

 

2018年开始,Model 3的电池有了较大突破,从18650电池升级成了21700电池,能量密度达 260-280Wh/kg,而钴含量下降到4.5kg左右。除此之外,还在电池模组上提升了电池的集成度和空间利用率,还进行了灌胶处理。将铝合金的模组结构变成了塑料件,在保证承重的前提下,实现了轻量化。

 

特斯拉历代车型采用的锂离子电池一直在向低钴化发展。2012 年,特斯拉在 Model S上,钴的使用量是 11 千克/辆车;2018 年,特斯拉在 Model 3 上,钴的使用量为 4.5 千克/辆车,消耗量仅为 2.8%。同年,马斯克在推特上表示:“下一代电池含钴量要为零。”



确定去钴趋势背景下,磷酸铁锂和三元电池的持续升级

电动汽车中的动力电池部分一般占到了整车成本的40%以上。而锂电池使用的稀有金属材料的价格又决定了动力电池的成本。据知识流了解,正极材料中镍、钴、锰三种原材料在今年二月份的价格分别为 10.3万元/吨、27.6 万元/吨、1.3 万元/吨。

 

目前钴的价格就远高于镍和锰,但是未来钴的价格还有持续上涨的需求。一方面,根据CRU的统计数据,钴的全球供应量中约有10%-15%源自手抓矿,下游厂商不得不加强对供应链的管理,尽量避免涉及人权问题来源的钴原料。另外一方面,随着5G技术的发展,智能终端对于钴的需求量也会更加旺盛。

 

为了降低成本,近年来各大电池厂都致力研发钴含量更低的电池,三元电池从 523 到 622 再到 811,钴的含量一步步降低。我国车企和电池厂商致力发展的方向也是完全不含有钴的磷酸铁锂电池。

 

根据高工锂电,从2019年动力电池装机量看,三元电池装机量约38.39GWh,同比增长25%,占比约61.5%,占比提升7.7%,磷磷酸铁锂电池装机量约为19.98GWh,同比下滑7%,占比32%,占比下滑5.8%,锰酸锂电池装机电量约0.51 GWh,同比下滑54%;钛酸锂电池装机电量约0.38 GWh,同比下滑23%。

 

在动力电池领域,三元锂电池和磷酸铁锂电池是两大主流,而三元锂和磷酸铁锂的优缺点非常明显并且互补。三元锂电池能量密度高、抗低温效果好,碳酸锂电池成本低、安全性能更高。

 

三元锂电池能量密度基本能达到240Wh/kg,几乎是磷酸铁锂电池140Wh/kg的1.7倍。燃油车和电动车相比燃油能产生多余热量,但是电动力却需要严格控制电池发热,所以在低温情况下电动车要用更多额外的能量提供室内供暖,这就会影响到低温情况下的续航表现。三元锂电池低温使用下限值为零下 30 度比碳酸铁锂更低,同时在相同低温条件下,磷酸铁锂电池衰减是三元锂电池的两倍。

 

尽管大部分主流车企主流车型会首选三元电池,并且装机量呈上升趋势,更看重的是续航能力。但是我们也能看到,目前特斯拉国产Model3长续航版确认三元电池方案,而低配版国产特斯拉车型将采购宁德时代的磷酸铁锂电池。

 

 

一方面可以说是特斯拉要下沉抢占市场,但是另外一方面,也要看到磷酸铁锂电池在技术上对自身缺陷的弥补。特斯拉采购宁德时代的碳酸铁锂电池也是建立在磷酸铁锂电池通过CTP技术弥补了部分短板的基础上的。

 

CTP 技术是在磷酸铁锂原有基础上,加强集成来提升能量密度。简而言之就是简化模组结构,取消顶板、侧板等零部件优化排列。宁德时代数据显示,使用CTP技术后,电池包零部件数量减少40%,同时省去了组装环节,降低了电池成本。但是利用率提高了15%-20%,生产效率提升了50%,能量密度提升了10%-15%,可达到200Wh/kg以上。

 

 

除此之外比亚迪也发布了“刀片电池”为磷酸铁锂电池提升能量密度提出解决方案。比亚迪方案则是把电芯宽度拉长厚度做薄,做成900mm甚至快1m的超长电芯。可以基于不同需求定制尺寸。其电芯出极耳方式类似于软包两端出极耳和方铝壳的综合。官方称价格将比三元电池便宜 20%。

 


  干电池技术和超级电容,特斯拉自研电池的未来猜想

随着2020年奔驰、宝马、大众等一线品牌集中推出电动汽车新车型,行业竞争加剧,同时补贴退坡使得成本压力增大。特斯拉选择使用磷酸铁锂电池,降低成本,若2020年底特斯拉实现国产化,国产低配版降至 20 万元,特斯拉或许能通过下沉产品定位以及超高性价比,继续支撑起起强大的竞争力。

 

未来特斯拉仍然将自建电池生产线,因此购买宁德时代的磷酸铁锂电池只是商业策略上阶段性的选择,而特斯拉自研的“无钴电池”将具体采用什么材料组合目前还没有公布。

 

但是我们知道,2019 年5月特斯拉在财务亏损的情况下仍然以2.18亿美元溢价55%收购同样处于亏损状态的Maxwell。10月电池制造设备公司Hibar出现在了特斯拉的子公司名单上。

 

特斯拉自研电池技术也将是建立在Maxwel1超级电容和干电池技术基础上的。目前干电池的能量密度为300Wh/kg,比特斯拉电池高出20%-40%,并且具备500Wh/kg的实现路径。 


 


主流离子电池采用的都是湿电极工艺,在制造过程中,正极或者负极材料首先会和溶剂混合,然后涂覆到电极片上。技术成熟稳定,但是涂覆方式使能量密度受到了限制。与湿法工艺相比,理论上干电池成本大概能降低10%-20%,但是产能密度却能增加1倍,电池寿命还能延长,有革命性的优势。



 

超级电容的出现也能解决新能源汽车动力系统的另外一个缺陷。在车辆经历反复性启停、加速等高倍率放电,会影响锂电池的循环效率。在进行动能回收时,相比通过功率转换单元存储至电池组中,把电能存入超级电容的损耗更低。在车辆急加速过程中,相比传统锂离子电池组,超级电容也能够以更大的功率放电,从而提升驱动性能同时避免传统锂离子电池组大功率放电时产生锂晶枝。可作为启停、能量回收、加速和充电的倍率电源。

 

特斯拉的自研电池可能是采用干电池技术综合改进镍钴锰三元锂离子电池,再配合超级电容,可以在不同的工况下充分发挥两种储能元件的优势,提升电池放电功率和放电能力。可在容量以及循环寿命上得到显著提升。

 

短时间内三元电池仍然是主流地位,毕竟特斯拉自研电池短时间内难以量产,而碳酸铁锂电池也在相关厂商努力下有一定突破。但是长期来看,我们可以期待特斯拉干电池和超级电容技术带来的新一轮技术革新。






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