動(dòng)力電池該如何“瘦身”？
聚焦新能源汽車(chē)，關(guān)注全行業(yè)動(dòng)態(tài)
電動(dòng)汽車(chē)車(chē)重降低10%，其續駛里程可增加5.5%，輕量化對電動(dòng)汽車(chē)的作用非同小可。在國內外車(chē)企紛紛加速布局新能源汽車(chē)的激烈競爭環(huán)境下，以高續駛里程為賣(mài)點(diǎn)的電動(dòng)汽車(chē)無(wú)疑更會(huì )受到市場(chǎng)的青睞。從某種意義上說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)輕量化技術(shù)的應用是決定車(chē)企能否“笑傲江湖”的殺手锏。
然而，“傳統汽油車(chē)輕量化不容易，電動(dòng)汽車(chē)輕量化更是難上加難?！敝貞c長(cháng)安汽車(chē)工程研究院副院長(cháng)曹渡曾表示，而這也是業(yè)內共識。除了與傳統汽油車(chē)一樣，需要在車(chē)身材料、內部結構設計等方面“瘦身”外，由于與生俱來(lái)的“大心臟”——動(dòng)力電池，使得一輛電動(dòng)汽車(chē)比同級別傳統燃油車(chē)增重數百公斤，因此，動(dòng)力電池“減重”則成為市場(chǎng)給車(chē)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，更成為困擾多數車(chē)企的一道思考題。
“減重”為何如此難？
對于減肥的人來(lái)說(shuō)，都希望投入最少的資金，達到最健康的減肥效果。同樣，提到動(dòng)力電池輕量化，業(yè)內理所當然地會(huì )將其與安全和成本相關(guān)聯(lián)，達到“魚(yú)和熊掌兼得”的理想狀態(tài)。事實(shí)上，當動(dòng)力電池輕量化被冠以“安全性高”和“成本可控”的界定后，無(wú)疑是被銬上了一道沉重的枷鎖，要想實(shí)現“理想”，腳下的步履仍很艱難。
給動(dòng)力電池減重，意味著(zhù)要提高電池的能量密度?，F階段，提升電池能量密度的可行方法無(wú)外乎削減對發(fā)電無(wú)貢獻的電池組配件重量和增加動(dòng)力電池負極活性物質(zhì)的單位重量。然而，每一種方法目前都存在著(zhù)相應的制約因素。
削減對發(fā)電無(wú)貢獻的電池組配件重量，例如減少黏結劑、導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(guò)該方法將車(chē)重由原來(lái)的1545kg減至1440kg。具體措施是，通過(guò)較少電芯外殼重量、減少用來(lái)固定電池模塊的螺絲釘數量、去掉支架多余的壁厚、減輕電池模塊外裝等，最終使得該車(chē)電池組能量密度由86Wh/kg提升到了92.9Wh/kg，車(chē)輛的實(shí)際工況續駛里程也由120km提升到了135km。然而，這種方法并非所有電池組都適用，對現階段大部分動(dòng)力電池而言，在出廠(chǎng)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(guò)增加動(dòng)力電池負極活性物質(zhì)的單位重量或體積的容量來(lái)減輕動(dòng)力電池重量的方法，對其中相關(guān)材料的開(kāi)發(fā)一直以來(lái)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(lài)負極性能。最初，負極材料采用焦炭時(shí)，充放電效率不過(guò)80%左右，而現在使用石墨的負極材料，效率已經(jīng)超過(guò)了95%。然而，即便如此，該負極材料使得電池容量已經(jīng)近乎飽和，且其所帶來(lái)的安全性和局部過(guò)熱的問(wèn)題也一直被業(yè)內所關(guān)注。
“瘦身”的曙光有多遠？
當然，除了通過(guò)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)的應用也取得了一定的突破?；蛟S，現階段由于成本、技術(shù)等因素的限制，使得這些新的成果離大規模普及還有段距離，但至少能夠為動(dòng)力電池輕量化起到一定的指引作用。
在電動(dòng)汽車(chē)車(chē)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(chē)領(lǐng)域大規模使用還不能實(shí)現。
不過(guò)，除此之外，還有一項新的技術(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)出單次充電續駛里程達到500公里的電動(dòng)汽車(chē)。
據悉，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(guò)納米技術(shù)使電極呈現海綿狀，能夠在充電時(shí)吸收更多能量，從而增加電池的蓄電能力。而這項技術(shù)早在一年前就被沃爾沃公司提出。業(yè)內指出，如果將目前電動(dòng)汽車(chē)電池換成這種新型材料，可以將車(chē)重減輕超過(guò)15%。據悉，這種新型材料可使動(dòng)力電池結構更輕，且可制成薄片，從而取代車(chē)身面板，節省電池組所需要的空間。它不僅可以回收車(chē)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(chē)輛行駛過(guò)程中同時(shí)供給電動(dòng)機。目前，沃爾沃汽車(chē)已經(jīng)將這種電池材料應用于兩輛S80試驗車(chē)上進(jìn)行驗證。
另一項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(chē)”Model Ⅲ正在夜以繼日地生產(chǎn)著(zhù)，而若要以“廉價(jià)”搶占市場(chǎng)，無(wú)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(wàn)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(chē)”研發(fā)能夠降低成本、提高能量密度、延長(cháng)壽命的新一代電池，這種新一代電池就是Gigafactory工廠(chǎng)將要大規模量產(chǎn)的20700電芯。據了解，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(chē)輕量化發(fā)展的曙光，然而，這些新突破仍來(lái)自于國外技術(shù)，從我國電池企業(yè)現狀來(lái)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(zhù)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)轉型升級首要方向的事實(shí)已無(wú)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(lái)，一方面，可以結合動(dòng)力電池的設計選用當下的先進(jìn)材料，如碳纖維材料。盡管碳纖維材料應用于整車(chē)，會(huì )使得車(chē)輛的成本大大提高，但若小部分將其應用于動(dòng)力電池上，則在一定程度上可降低電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)重量，提高續駛里程，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，應加強與車(chē)企和電池企業(yè)的緊密合作。據了解，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(chē)標準化工作。他們采取的措施是，先確定車(chē)輛的續駛里程之后，再根據車(chē)輛的性能要求、車(chē)重情況等確定要配備合適的電池組。而大眾集團還在不同品牌的車(chē)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)內專(zhuān)家認為，“這就是電池模塊標準化工作的核心內容?！睋?，三星SDI目前正在為德國車(chē)企制定自己的動(dòng)力電池技術(shù)目標路線(xiàn)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車(chē)企的具體需求而進(jìn)行調整。
標準化助力輕量化
現階段，我國自主品牌電動(dòng)汽車(chē)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(méi)有標準化統一也是阻礙輕量化發(fā)展的一個(gè)門(mén)檻。
“動(dòng)力電池型號過(guò)多且尺寸規格不統一對整車(chē)廠(chǎng)而言是個(gè)困擾?！逼嫒鹦履茉雌?chē)研究院院長(cháng)倪紹勇曾指出，“由于國內動(dòng)力電池型號過(guò)多，沒(méi)有統一的尺寸標準，導致動(dòng)力電池與新能源車(chē)型難以匹配，加重整車(chē)企業(yè)負擔同時(shí)也不利于中國新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展?！?/p>
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、標準化模組設計和電池管理系統規范化。其中，電池輕量化設計可以采用與車(chē)身一體化設計殼體，電池標準化模組設計可實(shí)現多種電芯和模組替換，縮短電池包設計開(kāi)發(fā)周期，有利于整車(chē)設計平臺化。筆者看來(lái)，標準化設計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(chē)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)域尋找更多突破口，以及加強與整車(chē)企業(yè)、電池企業(yè)、零部件供應商的密切配合才是企業(yè)穩步前進(jìn)的關(guān)鍵。
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