動力電池該如何“瘦身”？
聚焦新能源汽車，關(guān)注全行業(yè)動態(tài)
電動汽車車重降低10%，其續(xù)駛里程可增加5.5%，輕量化對電動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)駛里程為賣點的電動汽車無疑更會受到市場的青睞。從某種意義上說，電動汽車輕量化技術(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)計等方面“瘦身”外，由于與生俱來的“大心臟”——動力電池，使得一輛電動汽車比同級別傳統(tǒng)燃油車增重數(shù)百公斤，因此，動力電池“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，達到最健康的減肥效果。同樣，提到動力電池輕量化，業(yè)內(nèi)理所當(dāng)然地會將其與安全和成本相關(guān)聯(lián)，達到“魚和熊掌兼得”的理想狀態(tài)。事實上，當(dāng)動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，要想實現(xiàn)“理想”，腳下的步履仍很艱難。
給動力電池減重，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)電無貢獻的電池組配件重量和增加動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相應(yīng)的制約因素。
削減對發(fā)電無貢獻的電池組配件重量，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)階段大部分動力電池而言，在出廠時已經(jīng)盡可能輕裝上陣，其所能夠削減的部位則少之又少。
而通過增加動力電池負極活性物質(zhì)的單位重量或體積的容量來減輕動力電池重量的方法，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極性能。最初，負極材料采用焦炭時，充放電效率不過80%左右，而現(xiàn)在使用石墨的負極材料，效率已經(jīng)超過了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？
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，但至少能夠為動力電池輕量化起到一定的指引作用。
在電動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，由于其身價不菲，在電動汽車領(lǐng)域大規(guī)模使用還不能實現(xiàn)。
不過，除此之外，還有一項新的技術(shù)——納米技術(shù)，在動力電池領(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)駛里程達到500公里的電動汽車。
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(nèi)指出，如果將目前電動汽車電池換成這種新型材料，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能，同時還能夠直接聯(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供給電動機。目前，沃爾沃汽車已經(jīng)將這種電池材料應(yīng)用于兩輛S80試驗車上進行驗證。
另一項新的突破是松下公司生產(chǎn)的20700電芯。眼下，特斯拉“廉價車”Model Ⅲ正在夜以繼日地生產(chǎn)著，而若要以“廉價”搶占市場，無外乎必須在降低動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，電池組的成本將會占到3.5萬美元售價的一半，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水平存在著較大差距。盡管如此，動力電池輕量化將是動力電池企業(yè)轉(zhuǎn)型升級首要方向的事實已無法改變。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)合動力電池的設(shè)計選用當(dāng)下的先進材料，如碳纖維材料。盡管碳纖維材料應(yīng)用于整車，會使得車輛的成本大大提高，但若小部分將其應(yīng)用于動力電池上，則在一定程度上可降低電動汽車的整車重量，提高續(xù)駛里程，而成本則不會提高太多。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(yīng)加強與車企和電池企業(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汽車標準化工作。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)專家認為，“這就是電池模塊標準化工作的核心內(nèi)容。”據(jù)悉，三星SDI目前正在為德國車企制定自己的動力電池技術(shù)目標路線圖，三星SDI已將其20Ah級別的電芯產(chǎn)品分為20Ah、22Ah、24Ah、26Ah和28Ah等五個子款，每個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行調(diào)整。
標準化助力輕量化
現(xiàn)階段，我國自主品牌電動汽車輕量化進程不僅受限于技術(shù)水平和成本制約等原因，動力電池沒有標準化統(tǒng)一也是阻礙輕量化發(fā)展的一個門檻。
“動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)動力電池型號過多，沒有統(tǒng)一的尺寸標準，導(dǎo)致動力電池與新能源車型難以匹配，加重整車企業(yè)負擔(dān)同時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，奇瑞新能源對動力電池的要求為輕量化、標準化模組設(shè)計和電池管理系統(tǒng)規(guī)范化。其中，電池輕量化設(shè)計可以采用與車身一體化設(shè)計殼體，電池標準化模組設(shè)計可實現(xiàn)多種電芯和模組替換，縮短電池包設(shè)計開發(fā)周期，有利于整車設(shè)計平臺化。筆者看來，標準化設(shè)計將更有助于輕量化的發(fā)展。
總之，動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娕c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)步前進的關(guān)鍵。
相關(guān)閱讀：
驗證碼：
