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2018-08-16 13:30:54
电池是目前电动汽车前期成本较高的主要原因,因此大型投资公司都在关注电池模块,这也使电池价格下降成为可能。

前期回顾:

【国际视角】2018年全球电动汽车展望报告(1):乘用车与轻型商用车市场

【国际视角】2018年全球电动汽车展望报告(2):其他类型车辆市场

【国际视角】2018年全球电动汽车展望报告(3):充电基础设施

发展现状

锂离子电池技术随着累积生产量的增加,成本不断降低。前几年,消费电子产品的电池技术发展推动了锂离子电池的成本大幅削减和性能改进,而电动汽车电池组技术也从中受益。

如今,锂离子电池技术已经发展到了可以使得电动汽车性能与燃油车性能不相上下的程度。目前用于乘用车的电池组重量能量密度达到了200瓦时/千克,体积能量密度为200 - 300瓦时/升。使用寿命是电池的另一个重要参数。对于电动汽车电池来说,考量指标是与电池寿命相关的预期续航里程,以及它保持总电量80%的能力。现有文献表明,用于电动汽车的锂离子电池可以承受1000次循环降解。假设电池容量为35千瓦时,行驶时的平均耗电量为0.2千瓦时/公里,则表明新车行驶17.5万公里后仍不会达到循环寿命的阈值,且电池的使用寿命与汽车的预期使用寿命相符。


成本与性能的驱动因素

尽管电池设计和制造很复杂,但锂离子电池的成本和性能驱动因素主要有四个:电池化学结构、电池容量、生产规模和充电速度。

01

电池化学结构

电池化学结构主要看正负极材料。常见的阴极材料包括锂镍锰钴(NMC)、锂镍钴铝氧化物(NCA)、锂锰氧化物(LMO)和磷酸铁锂(LFP)。目前,在大多数电池中,阳极材料是石墨,但钛酸锂(LTO)也会被用作阳极材料,特别是在重型电动汽车中,因为它可以有效延长电池的循环寿命。由于不同的能量密度和材料需求,各种化学结构的电池每千瓦时的成本各不相同。

图1 电池化学结构对成本的影响

NMC基阴极的能量密度与镍含量成正比,随着镍含量的增加,在其他条件不变的情况下,如果以每单位储存的能量来衡量,这将降低生产成本。例如,阴极材料从镍含量为33%的NMC 111改为镍含量为60% 的NMC 622可以降低7%的成本。但镍含量的增加也会导致电池热稳定性的降低。

此外,如果电池化学反应减少对昂贵关键材料(如钴)的依赖性,,可以降低成本,并降低电池成本对钴价格的敏感性。假设钴价从80美元/公斤上涨到120美元/公斤,会导致NMC 111的电池组成本上涨9%,而NMC 811仅上涨2.5%。

2

生产规模

扩大电池生产设施的规模对成本有正向影响,因为投资成本可以分摊到更大量的电池生产上,从而实现规模经济。分析表明,目前电池工厂的产能在0.5兆瓦时/年到8兆瓦时/年之间,但是大多数最大的工厂其产能在3兆瓦时/年左右。考虑到典型的电池容量范围为20-75千瓦时,这些工厂的能力转化为每年6000到400000个电池包的生产规模。

 表1 锂离子电池工厂比较

现有的电池工厂其产能最高为8兆瓦时/年,而到2030年,电池工厂的产量将达到35兆瓦时/年。如果电池产能达到每年1万至5万个电池组,那么电池成本将可以降低9%,如果电池产能进一步增长达到每年10万至50万个电池组,那意味着电池成本将降低12%。


3

电池容量

目前市场上的电动汽车电池容量差异很大。对于小型纯电动汽车,电池容量范围为20至100千瓦时。中国市场上最畅销的三款电动汽车的电池容量在18.3至23千瓦时范围内,主要是因为这类小型电动轿车的设计注重于低廉的价格。欧洲和北美中型轿车的电池容量在23至60千瓦时之间,更大型的轿车和SUV的电池容量达到了75至100千瓦时。

容量更大的电池往往成本更低。在其他条件相同的情况下,70千瓦时的电池单位能量存储成本预计比30千瓦时的电池低25%。其主要原因时容量更大的电池中,电池单体与电池组的比例更高。电池管理系统和冷却系统的成本也分摊在更大的电池容量上,降低了这一成本在单位能量存储成本中的占比。

图2 电池容量和生产规模对成本的影响


4

充电速度

目前的充电速度可以实现利用快充,在40至60分钟内充电至80%。尽管全球各地的充电标准各不相同,但将最大充电速度提高到300至400千瓦(超快充电)是相同的目标。如果这一充电速度成为现实,电动汽车和燃油车的性能差距将大大缩小。

使电池支持超快充电增加了电池设计的复杂性,并缩短了其使用寿命。为适应快速充电,电池设计中将有许多额外的考虑因素,例如减小电极的厚度。这些设计约束倾向于增加电池成本并降低其能量密度。

通过合理的电池设计和热管理系统设计,充电速度的增加预计不会影响电池的寿命。但美国能源部进行的一项分析表明,改变电池设计以支持400千瓦的充电速度,将使电池成本增加近一倍。


发展展望
未来数年电池单体技术可能性较大的发展方向包括:
1
对于阴极,降低现有阴极材料中钴的含量,以降低成本和增加能量密度,即到2020年,将阴极材料从现在的NMC 111改为NMC 622;或者将现有NCA电池(80%镍和15%钴)中镍的比例提高。
2
对于阳极,进一步改善石墨电极的结构,以实现更快的充电速率。
3
对于电解质,未来将开发凝胶状电解质材料。

下一代锂离子电池预计将在2025年左右进入大规模生产,这一代锂离子电池将具有更低的钴含量、更高的能量密度和NMC 811阴极。石墨阳极中可以少量添加硅,以将能量密度提高多达50%,而能够承受更高电压的电解质盐也有助于提高电池性能。

2025年到2030年期间,可以大幅提高能量密度的技术将会开始进入市场,并将推动锂离子电池的极限发展。例如,采用锂金属阴极是锂离子电池很有希望的发展方向之一,这将使电池性能得到改善,且不依赖于钴。由硅复合物制成的阳极也将会开始使用。此外,还可以引入固态电解质以进一步提高能量密度和电池安全性。

锂电池的现有结构甚至会被新型锂电池所颠覆,从而获得更高的理论能量密度及更低的理论成本。例如锂空气电池和锂硫电池。不过就目前来说,这些技术路线的成熟度还非常低,实用性还有待测试,性能优势也未经证实。所以,此类寄望都属于2030年的“下一代技术”。


成本估算
1
轻型电动汽车
根据目前的技术和市场条件,可以估算得到2017年生产的电池其成本范围。对于小批量生产的小容量电池成本约为360美元/ 千瓦时,而大批量生产的大容量电池的成本则低至155美元/千瓦时。虽然插电式混合动力汽车可以从纯电动汽车带来的电池规模化生产中受益,但由于插电式混合动力汽车的电池组与电池单体间的比例更高,其电池的单位能量成本将更高昂。因此,插电式混合动力汽车的电池成本比纯电动汽车高出20%。


2
重型电动汽车
对于重型汽车来说,非常大的电池组将有利于降低电池单体与电池组之比,从而积极削减成本。然而,重型电动汽车的电池必须有更长的循环寿命。这一要求使得重型汽车的电池通常会使用LFP阴极,而这类电极的成本高于NMC电极。此外,重型汽车的电池必须能够保持高充电负荷,以将充电时间缩短至合理范围内,这也将导致单位能量成本的增加。一方面使由于阳极材料成本的提高(用LTO代替石墨),另一方面使由于更复杂的热管理系统。
小结


如果电池成本低、燃料价格高、每天行驶距离长,选择纯电动汽车或插电式混合动力汽车而不是燃油车对小型轿车而言更有吸引力。

图3 纯电动汽车与燃油车的使用成本比较

图4 插电式混合动力汽车与燃油车的使用成本比较


如果电池价格低于260美元/千瓦时,每年行驶4 -5万公里的电动巴士在高柴油税率地区具有成本竞争力。电池价格的下降将有力推动这些地区的公共汽车电气化。


审核   张文杰  苏阳