隨著各種電池材料和先進電池科研成果在媒體上宣傳對于我們車輛的提升，而與實際各個大的電池公司的研發(fā)和產(chǎn)品進度并沒有直接的關(guān)聯(lián)，這使得我們對于目前的現(xiàn)狀產(chǎn)生了一些懷疑。本文主要梳理一下，目前可用電芯、開發(fā)中的電芯、開發(fā)中的材料和研究中的新的電池技術(shù)的成熟路徑，并探討一下在目前全球范圍內(nèi)各種研究中產(chǎn)生的專利、材料和制程工藝改進工藝還有后期實驗室、中試驗，如何跟蹤這些電池技術(shù)的動態(tài)是否對我們的電動汽車事業(yè)有意義。另一個角度，我們也是從產(chǎn)業(yè)鏈角度來觀察，以電池產(chǎn)品端、電池材料這兩方面，主要的供應(yīng)鏈企業(yè)的發(fā)展動態(tài)。

 

 

圖1 鋰電池技術(shù)的發(fā)展

 

       鋰電池的革新主要依賴于電池材料的基礎(chǔ)研究，如下圖所示，第一個步驟是在材料研究方面去評估可用性。折衷研究并不是物理性能的改進，涉及到大量實驗驗證，因而材料研發(fā)周期長，投入大。在第二個階段是對于材料量的放大并評估材料的低成本制程工藝，在這兩個階段從技術(shù)研發(fā)到商業(yè)推廣仍需要 10-20 年。第三個階段，是電芯企業(yè)根據(jù)不同的尺寸規(guī)格去設(shè)計電芯和配套的電芯加工的過程，做出來各種形狀的電芯樣品。第四個階段進入商業(yè)化階段，在各個市場根據(jù)客戶的要求進行評估和測試，并不斷的改進電芯的特性，包括安全、性能和壽命等。從梳理鋰電池的研發(fā)及商業(yè)化歷史可以發(fā)現(xiàn)，鋰電池的主要研發(fā)方向是提高材料的導(dǎo)電率和能量密度，且因為正極材料和負極材料相比比容量較小，研發(fā)主要集中在正極材料領(lǐng)域。前沿研究構(gòu)成了專利，而擁有技術(shù)專利的公司可以率先打開市場，可通過申請專利申訴等手段鞏固技術(shù)壁壘，形成獨斷性優(yōu)勢。

 

圖2 電池材料和電池的開發(fā)階段

 

       以目前我們使用的三元電池為例，美國3M公司和美國阿貢實驗室都在2001年申請了三元材料的相關(guān)專利，一般認為常規(guī)三元材料 NMC專利由美國 3M 公司擁有，而層狀富鋰高錳材料專利則是ANL申請的。目前優(yōu)美科擁有3M的專利所有權(quán)，LG和SK等企業(yè)擁有專利使用權(quán)。而阿貢國家實驗室的三元專利主要轉(zhuǎn)讓給 BASF。目前針對NCM分子數(shù)量比例的不同對材料企業(yè)和電池企業(yè)的約束力也不一樣。比如NCM333等普通三元組分的核心材料專利繞不開3M、ANL,但在NCM523、NCM622、NCM811、NCA 等材料上定義較為模糊。

 

       所以我們首先判斷電池的研究，還是從不同的材料開始看，然后觀測電芯企業(yè)在材料評估的進度。短期內(nèi)一定規(guī)格和尺寸的電芯，還是以幾Ah的速度一點點往前走。在物理形狀利用率上面提高，結(jié)合對內(nèi)部電芯設(shè)計的挖掘。

 

圖3 電池的效率演進，是盡可能提高有用的材料占比

 

       目前從材料來看，我們短期內(nèi)3年內(nèi)能見到的電池會是以622和811為主，圍繞這個正極材料不斷提高相關(guān)的電芯設(shè)計。

 

圖4 正極材料的發(fā)展模式

 

       文章寫到這里，也要寫一下目前的憂慮。從動力電池的路線圖的發(fā)布開始，到現(xiàn)在的情況，電池的主要技術(shù)路線，是根據(jù)日韓所主導(dǎo)的三元在走。韓國電池企業(yè) LG、三星 SDI 分別于 1998、1999 年開始研發(fā)，并逐漸趕超日本技術(shù)。日韓電池廠商主要采用三元技術(shù)路線，且擁有20年以上消費電池、10 年以上的動力電池研發(fā)歷史。如下圖所示，基于三元之上的電芯是目前2-3年的主流現(xiàn)產(chǎn)的車型選擇。

 

圖5 LG目前的622的軟包，是下一代上市的國外電動汽車主要選擇

 

       還有接下來馬上可用看得到在國家層面的補貼下降，什么樣的電池能夠符合在無補貼、注重安全考核能夠立住腳？我們現(xiàn)在的主要的手段是靠規(guī)模，在材料端的噸產(chǎn)能和電池端的Gwh的產(chǎn)能。2017 年我國正極材料產(chǎn)量 20.7萬噸，NCM產(chǎn)量約8.4 萬噸。從三元NCM111、523等到NCM622、NCM811、NCA 等高鎳三元材料則需要一段時間來在生產(chǎn)穩(wěn)定性和電芯安全上面逐步攻堅。從這個角度來看，我們看到媒體報道的各種研究層面，可能在5年甚至10年后才能上車的研究成果，目前主要是各個研發(fā)機構(gòu)的專利價值，很難一下子落實到車上。之前我們報道的300Wh/kg的科研電芯產(chǎn)品，離全面符合車用要求，也有3年的時間左右，對所有人來說，遠水解不了近渴�？陀^來說，這段時間電芯的迭代，也比較快，還需要分一下精力對之前所造的車輛的問題進行總結(jié)，以不斷完善我們對于電芯的要求。

 

       備注：要保證電芯的安全，是不是在電芯的濫用以及熱失控評估上面嚴守，在各個環(huán)節(jié)層面上怎么樣符合威力更大能量密度越高的電芯，這些都是工程挑戰(zhàn)。

 

       小結(jié)：作為一名工程師，我也很想活在媒體的世界里面，今天一項成果，明天一項發(fā)現(xiàn)，帶領(lǐng)大家攻克電動汽車的電池系統(tǒng)的瓶頸。電池技術(shù)的鐵棒磨成針，真能把小伙熬成大爺，我們要做好長期抗戰(zhàn)的準備。