動(dòng)力電池該如何“瘦身”？
聚焦新能源汽車，關(guān)注全行業(yè)動(dòng)態(tài)
電動(dòng)汽車車重降低10%，其續(xù)駛里程可增加5.5%，輕量化對電動(dòng)汽車的作用非同小可。在國內(nèi)外車企紛紛加速布局新能源汽車的激烈競爭環(huán)境下，以高續(xù)駛里程為賣點(diǎn)的電動(dòng)汽車無疑更會(huì)受到市場的青睞。從某種意義上說，電動(dòng)汽車輕量化技術(shù)的應(yīng)用是決定車企能否“笑傲江湖”的殺手锏。
然而，“傳統(tǒng)汽油車輕量化不容易，電動(dòng)汽車輕量化更是難上加難。”重慶長安汽車工程研究院副院長曹渡曾表示，而這也是業(yè)內(nèi)共識。除了與傳統(tǒng)汽油車一樣，需要在車身材料、內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面“瘦身”外，由于與生俱來的“大心臟”——?jiǎng)恿﹄姵兀沟靡惠v電動(dòng)汽車比同級別傳統(tǒng)燃油車增重?cái)?shù)百公斤，因此，動(dòng)力電池“減重”則成為市場給車企布下的艱巨任務(wù)。而如何在保證安全和成本可控的條件下給電池減重，更成為困擾多數(shù)車企的一道思考題。
“減重”為何如此難？
對于減肥的人來說，都希望投入最少的資金，達(dá)到最健康的減肥效果。同樣，提到動(dòng)力電池輕量化，業(yè)內(nèi)理所當(dāng)然地會(huì)將其與安全和成本相關(guān)聯(lián)，達(dá)到“魚和熊掌兼得”的理想狀態(tài)。事實(shí)上，當(dāng)動(dòng)力電池輕量化被冠以“安全性高”和“成本可控”的界定后，無疑是被銬上了一道沉重的枷鎖，要想實(shí)現(xiàn)“理想”，腳下的步履仍很艱難。
給動(dòng)力電池減重，意味著要提高電池的能量密度。現(xiàn)階段，提升電池能量密度的可行方法無外乎削減對發(fā)電無貢獻(xiàn)的電池組配件重量和增加動(dòng)力電池負(fù)極活性物質(zhì)的單位重量。然而，每一種方法目前都存在著相應(yīng)的制約因素。
削減對發(fā)電無貢獻(xiàn)的電池組配件重量，例如減少黏結(jié)劑、導(dǎo)電輔助材料等的確可以有效減輕動(dòng)力電池的重量，但這種方法存在極限。此前，日產(chǎn)推出的改款Leaf通過該方法將車重由原來的1545kg減至1440kg。具體措施是，通過較少電芯外殼重量、減少用來固定電池模塊的螺絲釘數(shù)量、去掉支架多余的壁厚、減輕電池模塊外裝等，最終使得該車電池組能量密度由86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg，車輛的實(shí)際工況續(xù)駛里程也由120km提升到了135km。然而，這種方法并非所有電池組都適用，對現(xiàn)階段大部分動(dòng)力電池而言，在出廠時(shí)已經(jīng)盡可能輕裝上陣，其所能夠削減的部位則少之又少。
而通過增加動(dòng)力電池負(fù)極活性物質(zhì)的單位重量或體積的容量來減輕動(dòng)力電池重量的方法，對其中相關(guān)材料的開發(fā)一直以來都在進(jìn)行之中。以被普遍采用的鋰離子電池為例，正極的LiCoO2一直以幾乎接近理論極限的容量被使用，電池容量的改善完全依賴負(fù)極性能。最初，負(fù)極材料采用焦炭時(shí)，充放電效率不過80%左右，而現(xiàn)在使用石墨的負(fù)極材料，效率已經(jīng)超過了95%。然而，即便如此，該負(fù)極材料使得電池容量已經(jīng)近乎飽和，且其所帶來的安全性和局部過熱的問題也一直被業(yè)內(nèi)所關(guān)注。
“瘦身”的曙光有多遠(yuǎn)？
當(dāng)然，除了通過以上兩種最直接的辦法可以在一定程度上給動(dòng)力電池減重外，新電池材料、新技術(shù)的應(yīng)用也取得了一定的突破。或許，現(xiàn)階段由于成本、技術(shù)等因素的限制，使得這些新的成果離大規(guī)模普及還有段距離，但至少能夠?yàn)閯?dòng)力電池輕量化起到一定的指引作用。
在電動(dòng)汽車車身材料的使用上，碳纖維已經(jīng)成了輕量化的“明星”。采用碳纖維的寶馬i3的重量可以比使用普通材質(zhì)的比亞迪E6輕出1噸多。使用了碳纖維的寶馬i3電池組的總重量為233kg，而配備了96組200AH電池的比亞迪E6，電池重量為500kg。除了高密度外，質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、高模量等也是碳纖維的優(yōu)質(zhì)特性。然而，由于其身價(jià)不菲，在電動(dòng)汽車領(lǐng)域大規(guī)模使用還不能實(shí)現(xiàn)。
不過，除此之外，還有一項(xiàng)新的技術(shù)——納米技術(shù)，在動(dòng)力電池領(lǐng)域受到熱捧。今年5月，韓國政府投資人民幣約31.5億元大力發(fā)展納米技術(shù)，目的是要在2025年以前，生產(chǎn)出單次充電續(xù)駛里程達(dá)到500公里的電動(dòng)汽車。
據(jù)悉，納米技術(shù)可以增加電池電極的尺寸和面積，其原理是通過納米技術(shù)使電極呈現(xiàn)海綿狀，能夠在充電時(shí)吸收更多能量，從而增加電池的蓄電能力。而這項(xiàng)技術(shù)早在一年前就被沃爾沃公司提出。業(yè)內(nèi)指出，如果將目前電動(dòng)汽車電池?fù)Q成這種新型材料，可以將車重減輕超過15%。據(jù)悉，這種新型材料可使動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)更輕，且可制成薄片，從而取代車身面板，節(jié)省電池組所需要的空間。它不僅可以回收車輛的制動(dòng)能，同時(shí)還能夠直接聯(lián)網(wǎng)充電。此外，電池組的電能還可以在車輛行駛過程中同時(shí)供給電動(dòng)機(jī)。目前，沃爾沃汽車已經(jīng)將這種電池材料應(yīng)用于兩輛S80試驗(yàn)車上進(jìn)行驗(yàn)證。
另一項(xiàng)新的突破是松下公司生產(chǎn)的20700電芯。眼下，特斯拉“廉價(jià)車”Model Ⅲ正在夜以繼日地生產(chǎn)著，而若要以“廉價(jià)”搶占市場，無外乎必須在降低動(dòng)力電池的單體成本上下大功夫。有分析表明，要保證Model Ⅲ 350km的續(xù)駛里程，其需要搭載至少可存儲44kWh電量的電池組，由此，電池組的成本將會(huì)占到3.5萬美元售價(jià)的一半，而這顯然不符合總成本控制。
為此，松下正在為特斯拉“廉價(jià)車”研發(fā)能夠降低成本、提高能量密度、延長壽命的新一代電池，這種新一代電池就是Gigafactory工廠將要大規(guī)模量產(chǎn)的20700電芯。據(jù)了解，這種新型號的電芯能量密度將增加36%，組成模塊后的重量也會(huì)較現(xiàn)有產(chǎn)品降低30%以上，而電芯的制造成本將降低一半。
電池企業(yè)轉(zhuǎn)型大方向
盡管以上一些新材料、新技術(shù)的突破讓眾人看到了電動(dòng)汽車輕量化發(fā)展的曙光，然而，這些新突破仍來自于國外技術(shù)，從我國電池企業(yè)現(xiàn)狀來看，輕量化研究仍處于初始探索階段，在電池材料的研究等方面還比較落后，總體水平與國外先進(jìn)水平存在著較大差距。盡管如此，動(dòng)力電池輕量化將是動(dòng)力電池企業(yè)轉(zhuǎn)型升級首要方向的事實(shí)已無法改變。那么，對此，相關(guān)企業(yè)該如何加速趕超呢？
筆者看來，一方面，可以結(jié)合動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)選用當(dāng)下的先進(jìn)材料，如碳纖維材料。盡管碳纖維材料應(yīng)用于整車，會(huì)使得車輛的成本大大提高，但若小部分將其應(yīng)用于動(dòng)力電池上，則在一定程度上可降低電動(dòng)汽車的整車重量，提高續(xù)駛里程，而成本則不會(huì)提高太多。除此之外，嘗試自主研發(fā)新的高強(qiáng)度、輕重量、低成本材料，始終都是相關(guān)企業(yè)不斷努力的方向。
另一方面，應(yīng)加強(qiáng)與車企和電池企業(yè)的緊密合作。據(jù)了解，一些外資企業(yè)，如寶馬、奧迪、大眾等正在共同致力于電動(dòng)汽車標(biāo)準(zhǔn)化工作。他們采取的措施是，先確定車輛的續(xù)駛里程之后，再根據(jù)車輛的性能要求、車重情況等確定要配備合適的電池組。而大眾集團(tuán)還在不同品牌的車款之間嘗試使用相同的電池組，以及在同一款產(chǎn)品的電池組上嘗試使用不同電池企業(yè)的電芯產(chǎn)品。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，“這就是電池模塊標(biāo)準(zhǔn)化工作的核心內(nèi)容。”據(jù)悉，三星SDI目前正在為德國車企制定自己的動(dòng)力電池技術(shù)目標(biāo)路線圖，三星SDI已將其20Ah級別的電芯產(chǎn)品分為20Ah、22Ah、24Ah、26Ah和28Ah等五個(gè)子款，每個(gè)子款的殼體是固定的，但具體容量和電壓都可以根據(jù)車企的具體需求而進(jìn)行調(diào)整。
標(biāo)準(zhǔn)化助力輕量化
現(xiàn)階段，我國自主品牌電動(dòng)汽車輕量化進(jìn)程不僅受限于技術(shù)水平和成本制約等原因，動(dòng)力電池沒有標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一也是阻礙輕量化發(fā)展的一個(gè)門檻。
“動(dòng)力電池型號過多且尺寸規(guī)格不統(tǒng)一對整車廠而言是個(gè)困擾。”奇瑞新能源汽車研究院院長倪紹勇曾指出，“由于國內(nèi)動(dòng)力電池型號過多，沒有統(tǒng)一的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致動(dòng)力電池與新能源車型難以匹配，加重整車企業(yè)負(fù)擔(dān)同時(shí)也不利于中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。”
對此，倪紹勇表示，奇瑞新能源對動(dòng)力電池的要求為輕量化、標(biāo)準(zhǔn)化模組設(shè)計(jì)和電池管理系統(tǒng)規(guī)范化。其中，電池輕量化設(shè)計(jì)可以采用與車身一體化設(shè)計(jì)殼體，電池標(biāo)準(zhǔn)化模組設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多種電芯和模組替換，縮短電池包設(shè)計(jì)開發(fā)周期，有利于整車設(shè)計(jì)平臺化。筆者看來，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)將更有助于輕量化的發(fā)展。
總之，動(dòng)力電池的輕量化不僅是電池企業(yè)發(fā)展的大方向，也是新能源車企“笑傲江湖”的決勝關(guān)鍵。對動(dòng)力電池企業(yè)而言，如何不斷在技術(shù)、材料等領(lǐng)域?qū)ふ腋嗤黄瓶冢约凹訌?qiáng)與整車企業(yè)、電池企業(yè)、零部件供應(yīng)商的密切配合才是企業(yè)穩(wěn)步前進(jìn)的關(guān)鍵。
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