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电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

能源能效(稿源) 2023-3-17 13:44 No.2104


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

撰文 / 马晓蕾

编辑 / 钱亚光

设计 / 师玉超

来源 / spectrum,作者:LAWRENCE ULRICH

据彭博社报道,现在全球有超过2000万辆电动汽车,预计到2025年,这一数字将达到7700万辆。

根据J.D. Power的数据,电动车在2022年可能已经占据了美国市场创5.8%,为历史最高,今年可能接近全球市场的11%。路透社预测汽车制造商在2030年前将花费高达1.2万亿美元来开发和生产电动车。

去年11月,在斯洛文尼亚的诺沃梅斯托,一名员工在雷诺Revoz的生产线上将电池模组和传动系统连接到雷诺Twingo电动汽车的底盘▼


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

专家们认为,更好的电池,以及更多的电池,是电动车达到市场转折点的关键。电池将是2025年7700万辆电动汽车的心脏,也是迄今为止最昂贵的部件,这引发了一场全球范围内的竞赛。


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

Lucid对效率的执着

埃马德·德拉拉(Emad Dlala),Lucid汽车公司动力系统副总裁▼


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

电动汽车初创公司Lucid没有制造多少汽车,但它的Air Grand Touring Performance轿车创造了830公里的续航里程,为该公司赢得了美誉。

这证明了Lucid对效率的执着追求。与大多数电动车型一样,Air使用了2170圆柱形电芯(由三星SDI提供),但通过卓越的电池管理、强劲的动力单元和平滑的空气动力学设计,创造了更多里程。

人们可能认为Lucid会要求每款电动车型都能有类似的续航水平。相反,该公司的管理者认为,使用更小、更便宜的电池实现最大效率的汽车前景更光明。

Lucid公司最新的Air Touring车型目前是世界上最符合空气动力学的量产车辆,其风阻系数为0.197,这款车搭载了一块112千瓦时的电池,每千瓦时可实现7.44公里的EPA续航。但Lucid认为这块电池太大了。

该公司正在开发下一代电池,未来的紧凑型Lucid可以在不牺牲续航里程的情况下,缩小电池的容量和尺寸。

“我们的目标是进一步提高效率。” Lucid汽车公司动力系统副总裁埃马德·德拉拉(Emad Dlala)说。

“如果生产一款400公里的汽车,我们可以有一个只有40千瓦时的电池,大小只有Air电池的三分之一,与日产Leaf的电池尺寸相同。”但日产Leaf的效率没有那么高,续航只有240公里。

这样的紧凑型电池不仅可以为制造商和消费者节省大量资金,需要的原材料和精炼材料也更少。理论上允许汽车制造商用有限的供应制造更多的汽车。底盘可以更轻,刹车系统、缓冲装置都可以更小,为乘客和货物提供更多的可利用空间。所有这些将进一步提高驾驶里程和性能。

“这种设计要求充电桩的产量要跟上。”德拉拉说,“一旦充电站像加油站一样普遍和可靠,而且速度几乎一样快,那么我就不需要640公里的续航了。”

这样就能实现电动汽车制造商的终极愿望:与燃油汽车价格持平。德拉拉说:“效率和基础设施的结合将使我们创造出相对于燃油车有竞争力的价格。”


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电池设计需要创新

瑞安·卡斯特鲁(Ryan Castilloux),地质学家,市场调研机构Adamas Intelligence的创始人和董事总经理▼


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

地质学家,市场调研机构Adamas Intelligence的创始人和董事总经理瑞安·卡斯特鲁(Ryan Castilloux)说,到目前为止,真正能称得上game changer(变革者)的电池技术突破还很少。

电动汽车电池仍然是汽车制造商的关注核心,在一个爆炸性增长的时期,它们寻求可持续、可负担的供应。而在一个饥饿的市场中,较小的汽车制造商尤其可能挨饿。

卡斯特鲁说:“每个人都在争夺有限的供应。这使得电动汽车的增长轨迹不稳定。这是一个巨大的绊脚石,除非增长放缓,供应方能够跟上,否则这个绊子会一直在。由于供应稀缺,汽车制造商也不得不采取更激进的措施,比如成为一个采矿公司。”

为了获得更强的性能,电池行业已经成功地提高了镍的含量,而为了降低成本,又削减了钴的含量。但仅仅通过化学方法是不够的,这使得电池设计成为一个新的前沿领域。

卡斯特鲁认为,省掉铝等僵尸材料以节省重量和空间是可行的。还有更多的创新,如大尺寸的圆柱形电芯,以及“电芯到电池包(cell-to-pack)”或电池包到框架(pack-to-frame)设计。

宝马的Neue Klasse 电动车(第一批将于2025年到达)就是一个典型的例子,取消了传统模组,大尺寸电芯铺满整个底板,并作为一个抗碰撞的结构件。

卡斯特鲁说:“这成为一种低成本的方式,可以大大改善电池的整包密度,提高车辆的里程数。”

这种复杂的底盘和电池设计也可以帮助创造公平的竞争环境,给化学成分“较弱”的电池带来新的活力,特别是最热门的磷酸铁锂,否则它们就没有竞争力要被淘汰了。

在北美和欧洲,事情正朝着正确的方向发展,但目前还不够,且太迟了,西方国家为了满足需求都在温饱线上挣扎。

2023年2月13日,在德国辛德芬根的梅赛德斯-奔驰工厂,一辆奔驰EQS电动汽车的动力系统和电池在装配线上▼


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卡斯特鲁说,可悲的是,电动车的需求在多年以前就已经被预测,但现在才采取行动。中国是唯一就此采取行动的国家,在提炼和加工电池材料以及电池生产方面都比世界其他国家领先十年。

特斯拉还领先于传统的汽车制造商,从垂直整合的角度考虑,需要控制整个供应链:从锂盐水和钴矿到最终生产和回收。


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通用改进充电桩

丹·尼科尔森(Dan Nicholson),通用汽车公司战略技术倡议副总裁;汽车工程师协会董事会成员▼


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为了满足电动车日益增产的需求,需要建立一个本土的电池材料和电池的供应链。仅在美国,Atlas公共政策公司统计了美国在电动车和电池工厂及回收方面已宣布的1280亿美元的投资。

这仍遗漏了一个点——充电基础设施。许多专家指出,充电网络分散、不可靠是主流电动车采用的主要障碍。

帮助领导通用汽车公司的新充电器计划的通用汽车公司战略技术倡议副总裁丹·尼科尔森(Dan Nicholson)说:“通用希望改进充电基础设施。”

2021年美国基础设施法提供了75亿美元,用于在2030年前建立一个拥有50万个电动车充电桩的网络。但是,通用、福特等公司认为,标准化、开放的充电桩对于说服更多的美国人转向电动车至关重要,而不是像特斯拉那样拥有和运营自己的充电桩。尼科尔森说,充电装必须在人们生活和工作的地方随处可见,并向所有汽车品牌开放。

但这些充电桩要能用才会有帮助。2022年的一项研究显示,在旧金山湾区有近25%的公共充电桩不能正常工作,而湾区的电动车数量很多。

为了填补公共网络的空白,通用汽车正在与EVGo合作,建立一个由2000个直流快速充电桩组成的全国性网络,这些快速充电桩将分布在500个服务区,大多位于主干道。

为了覆盖人们的生活,通用汽车正在利用其4400多个经销商,在经销商和关键地点(包括服务不足的城市和农村社区)建立多达10个2级充电桩。尼科尔森指出,90%的美国人居住地周围16公里内都会有一家通用汽车经销商。

作为美国汽车工程师学会(SAE)的董事会成员,尼克尔森还支持为电动汽车、连接器和充电器制定面向未来的标准。这包括ISO 15118国际标准,该标准定义了电动汽车和充电器之间的双向通信。

这一标准是“插拔充电”的关键,这是一种新兴的互操作系统,允许所有品牌的电动车接入任意一个直流快速充电器,并在后端简单收费。

尼科尔森说,通用还在与充电合作者寻求“正常运行时间保证”。这将使司机能够提前了解充电桩是否正常运行,并提前预留一个位置。

他说:“人们需要能够预约一个充电桩,并知道当他们到达那里时它会工作。”


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电动车销量持续上升

蒂芬妮·布林利(Stephanie Brinley),标准普尔全球移动通信公司北美和南美首席汽车分析师▼


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

尽管2022年是电动车的繁荣年,但由于需求不可预测、经济衰退迫在眉睫和供应链问题的影响,一些分析师正在下调对电动车采用情况的预测。标准普尔全球移动通信公司仍然看好,预测2030年全球42%的购买者将选择电动车,距离拜登提出的50%的电动车普及率的目标不远。

标准普尔全球移动通信公司北美和南美首席汽车分析师蒂芬妮·布林利(Stephanie Brinley)说:“这是一个很大的增长,但也有很多人不会这么快地前进。”布林利说,最关键的是每个价位的新电动车型的持续爆发,包括作为美国买家命脉的SUV和皮卡。

关于电池,布林利说,拥有现有生产基地、劳动力和技术的内燃机制造商可以比新来的更有优势。问题是通用和福特等公司如何管理转型,从缩减内燃机生产到工人再培训。与内燃机动力系统相比,生产电池和电机所需的工人可能更少。

今年2月,福特宣布在密歇根州建立一个价值35亿美元的新工厂,生产磷酸铁锂电池,并从中国的宁德时代获得了技术授权。

一些(传统的)汽车制造商将在某些情况下会使用磷酸铁锂电池,而发展中的固态电池可能会再次改变游戏规则,布林利说。但就目前而言,你既需要电池,也需要发动机,因为人们会同时购买这两种产品。

布林利说,但到了某个时刻,这将是一个“零和博弈,一方的收益必然意味着另一方的损失。一个平坦的全球汽车市场不可能平和地容纳两种动力系统。

燃油车的销量必须下降,纯电动车的销量才能上升,布林利说。而这将使未来几年的市场变得更加疯狂。


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解决电池安全问题

康纳·亨德(Connor Hund),先进材料公司NanoGraf首席运营官▼


电动汽车电池的愿望清单上都有啥?

先进材料公司NanoGraf不仅希望有更持久的电池,还希望有一个稳定的、有竞争力的北美供应链。《通胀削减法案》已经刺激了一场前所未有的本土投资海啸。

康纳·亨德说,NanoGraf的目标是在今年第二季度开始在芝加哥的一个新工厂生产其硅阳极材料。该公司的支持者包括国防部,它声称已经创造了迄今为止能量密度最高的18650圆柱形电池,容量是3.8安培。该技术的关键是一个预锂化的核心,允许阳极硅比例高达25%,而通常电池的最高硅比例为5%至7%。

他说:“通过使用硅,肯定有空间将电动汽车的续航能力提高20%、30%甚至50%。”

但是,无论是NanoGraf,还是由特斯拉和松下领导的对大尺寸4680圆柱形电芯的推动,扩大到大规模生产仍然是一个主要难题。NanoGraf计划有足够的初始产能来生产35至50吨的阳极材料,但它每年需要1000吨才能打入汽车领域。

亨德说:“这个领域的竞争非常激烈,你必须达到一定的规模。”

许多专家现在坚持认为要到2030年才可能实现的固态电池是这场竞赛的终结者。而汽车制造商和电池制造商正在采用多种解决方案,包括特斯拉、福特汽车和其他车型中磷酸铁锂电池的惊人崛起。

所有这些材料都很短缺,没有足够的镍、钴或锰,所以公司针对不同的消费者提供不同的解决方案,确实很有帮助。

他说:“要想在美国拥有强大的供应链,就需要企业把所有这些零部件都生产到国内。我们需要上游和下游的每个人,无论是石墨、电解质还是分离器。每个人都只是拼图的一部分。”

亨德表示,更安全的电池也应该在行业的愿望清单上,特斯拉等品牌车型的起火事件有可能玷污电动汽车的声誉,或者让持怀疑态度的消费者保持观望。“现在就要采取行动,而不是让数百万辆汽车上路,然后再处理安全问题,这非常重要。”


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