「电池技术竞赛」,纯电动车时代的狂潮前奏

作者: 时间:2020-06-11U泰生活767人已围观

「电池技术竞赛」,纯电动车时代的狂潮前奏

在特斯拉的推动下,纯电动车的时代已「越来越近」──未来两、三年,几乎所有汽车品牌都有油电混合或纯电动车上市。在这轮即将到来的大趋势背后,电池毫无疑问扮演极重要的角色。一场规模宏大,围绕着电动车电池及充电技术的竞赛正在展开。

这场竞赛或许没有绝对的胜利者,但跑在前面的人无疑将在电动车浪潮中获得重新洗牌汽车行业的机会,这对传统汽车企业来说既是机遇也是挑战。

不过,目前电动车的实际使用还有些不便利,例如,充满电需较长时间,单次充电无法跑太远。这些不便与电动车的电池直接相关。除电池外,充电站等基础建设的支援和配合也非常关键。

CB-insights 上个月发表了一篇关于电动车电池的文章,盘点了当前创业公司和汽车製造商电池技术方面的进展,也反映出这场技术竞赛的几大核心点。

「电池技术竞赛」,纯电动车时代的狂潮前奏

未来,5 分钟完成充电?

现在,特斯拉、福斯、雪佛兰和其他汽车製造商正以每台 3.5 万美元或更低的价格出售电动车,电动车终于成为普通消费者负担得起的商品。虽然价格降低,但仍有一些人犹豫是否要购买电动车,因电动车有行驶里程的限制。

考虑购买电动车时,消费者基本上都会问同样的问题:

    电池能跑多远?充电要充多久?

由于快速充电站并未普及,许多电动车都靠在家充电,这样充电的缺点是:普通电动车(如福斯 eGolf),在家充电 26 小时之后,只能续航 125 英里(约 201 公里)行程。

但充电速度快、续航高的电池现在已呼之欲出,并有希望提高电动车的销量。

保时捷、东芝和其他公司都在研发可在几分钟内完成充电,并可续航 200 多英里的电池技术。

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 保时捷表示,Mission E 的锂离子电池 ③ 整合在车辆底部,不仅可以「降低重心」同时还可以实现「无线(感应)充电」。充电通讯埠位于左前挡泥板附近 ④。

保时捷宣布,自己已拥有超越现在所有电动车的电池技术。

过长的充电时间,是电动车主不得不面对的问题,保时捷即将推出的电动车 Mission E,就将电动车充电时间降到可接受的範围。

「15 分钟充电时间可接受。电压 800 伏特,这也可行。」保时捷电池电动车副总裁 Stefan Weckbach 博士说。

保时捷以 Mission E(将于 2019 年亮相)的电池效能做的承诺,体现这家跑车製造商想在高阶电动车领域取代特斯拉的意图:

这听起来不错,但保时捷的 15 分钟「高速充电」有一个非常大的缺陷:目前的电动车充电桩无法支援这种充电形式。

目前,世上仅有的几个 800 伏充电桩(350 千瓦充电桩)在保时捷柏林新办事处,这些充电桩是今年 7 月安装的。

保时捷面临的缺陷,也揭露了电压範围和充电桩分布将会影响电池研究和电动车普及率。

为了让汽车製造商整合创业公司和成熟的科技公司的新兴电池技术,他们必须首先应付目前电动车充电面临的这些问题。

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 保时捷柏林中心的两个 800 伏充电桩之一。

为什幺说现有的充电技术不「完美」?

事实上,目前电动车和其电池共有 3 种「等级」的充电方式:

第一等级(L1),用 110V~120V 的家庭插座充电,不管车辆或电池类型是什幺,这种等级的充电都最慢。L1 的电路每小时只能为电动汽车提供大约 2 千瓦电能。

第二等级(L2),用 220V~240V 的电源插座充电,一些国家的家庭用电电压在这範围,其余国家可将这种电路安装在家里,美国有大约 1.6 万个电动车充电站使用这种电路。第二级充电通常每小时为电动汽车提供约 6.6 千瓦电能。

第三等级(L3),即「快速充电」,需要在直流快速充电(DCFC,DC Fast Charging)站进行,大部分这种充电站都配有 400V~480V 电路。目前的快速充电技术能以每小时 50kW 或更高功率充电。

鉴于美国道路充电站的数量限制,电池驱动的电动车辆的车主不得不在长途旅行时进行大量计算(和规划路线):不仅要考虑目的地有多远,还要考虑会花多少时间充电。

举个例子,如果从纽约开福斯 eGolf 到华盛顿特区(363.9 公里):

所以,降低充电时间的关键是不是将 DCFC 站的快速充电电压提高一倍,并在公路旁安装更多充电泵?

不完全是。

市场上几乎所有电动车都可在第一级和第三级电路充电,但并不是所有电动车都支援 400V / 50kW 甚至更快的「快速充电」。

如果没有适当的控制,快速充电器会产生更多热量,透过充电介面传导的热量会损坏车子的发动机。支援快速充电的装置製造成本非常高,所以低成本的电动汽车通常不相容快速充电方案。

但技术的进展有望让更多人买得起可快速充电的电动车。

例如,根据 Innovative Vehicle Institute 的报告,最新的雪佛兰 Bolt EV 车型的电池可支援最高每小时 55kW 充电功率。

其他低成本电动车,现在也可以购买快速充电功能升级,因此到 2019 年,Mission E 可能就不是唯一支援 800V / 350kW 充电的高阶电动车型了。

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 Bolt EV 的电池。

电压高一点,再高一点

未来,电动汽车充电效率将会越来越高。

Chargepoint 是一家在美国营运超过 3.3 万个第二级充电桩的创业公司。最近,Chargepoint 开始提供加油站业主 Express Plus 充电桩。ChargePoint 表示,Express Plus 每小时可为电动车提供高达「400kW」电能。

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 Chargepoint 的 Express Plus 充电桩。

有多少加油站主会接受 Chargepoint 的 Express Plus 产品,还需等待时间考验。但目前,美国只有 1.6 万个二级电动车充电站,想使用 800V / 350kW 的快速充电技术,或许还要等上几年。

与此同时,许多其他电动汽车电池的创业公司正在崛起。

创业公司与传统车企的电池「角力」

汽车製造商并不是唯一致力于提高电池能力的势力。

技术公司也在这方面创新,他们想把自己的系统卖给汽车公司,以便为消费者提供更多充电选择和更快的充电技术。

随着科技公司的创新,锂离子电池的弱点正在被克服(这些电池一直以来都是电动汽车的首选,但其充电容量和续航能力还有很大的提升空间)。

StoreDot 是一家以色列纳米技术创业公司,2017 年 5 月首次展示「闪充电池」(FlashBattery)技术,有望在短短 5 分钟内为电动车充电,让车最高可达 300 英里(483 公里)行程(具体取决于电动车耗能水準)。

身为一家奈米技术公司,StoreDot 专注于使用新型有机化合物代替锂离子电池中的化学物质。StoreDot 除了提供超快速充电,还表示电动车闪充电池有以下特点:

该公司预计 3 年内让这款电池上市。

与此同时,东芝、三星等成熟的科技巨头也在各自创新中研究对抗锂电池弱点的方法。

东芝 2008 年首次推出可充电电池技术,称为 SCiB;原来的 SCiB 型号採用锂钛氧化物做原电池阳极材料,与传统的锂离子电池相比,东芝称 SCiB 比起传统电池, 「安全性高,发热少,充电快、输出和输出功率大、容量也大」。

最初 SCiB 在电动车及有轨电车、电梯、发电厂等工业和基础设施应用得到广泛应用。SCiB 的优点之一是内部短路引起的燃烧风险非常低,例如过度充电导致的短路。

现在,东芝已发表新一代 SCiB,阳极材料是钛铌氧化物。

东芝表示,使用新型氧化物材料保留了现有 SCiB 模型的优点,「不论寒冷条件下充电还是快速充电,锂金属沉积的可能性都小得多」,这种沉积会导致电池效能退化。

东芝还表示,新的 SCiB 电池中,也开发了一种「更有效储存锂离子」的方法,提高电力和电池使用寿命:即使经过 5 千次充电,新的 SCiB 还能储蓄 90% 电池容量。

东芝还表示,新款 SCiB 经过第三级充电 6 分钟后,可供电动汽车行驶近 200 英里(约 322 公里)。东芝公司企业研发中心主任 Osamu Hori 博士表示,该公司对下世代 SCiB 的潜力感到「非常兴奋」,并补充:

三星电子于 2017 年 9 月在法兰克福车展推出的新电池,支援的续航里程甚至超过 200 英里。三星表示,新型「多功能电池组」可支援电动车高达 430 英里的续航。

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 三星在法兰克福车展推出的新电池。

迄今为止,三星对「21700」电池组的细节仍闭口不言,该公司没有讨论电池化学组成,也没有说具体的充电时间。

儘管缺乏细节,专家已注意到,三星多功能电池组与 Tesla 的 3.5 万美元 Model 3 使用的小型圆柱形电池有相似之处(特斯拉称为 2170)。

特斯拉 2170 电池根据 21×70 公厘的大小命名,比几十年来一直使用的「18650」结构锂离子体积更大。

马斯克(Elon Musk)说,特斯拉的 2170 电池是「世界上能量密度最高的电池,也是最便宜的。」2170 电池的成本降低对价格相较低廉、市场需求又较高的 Model 3 来说至关重要。

如果我们拿三星数字来看,特斯拉 Model 3 电池与三星 21700 电池的续航还有一定距离。配备 2170 的 Model 3 预计充满电后只能维持约 215 英里续航,相当于三星 21700 多功能电池组承诺里程的一半。

但就像特斯拉在电动车其他领域一样,特斯拉仍然在 2170 电池创新面占上风。

当三星确定要在 2021 年量产新型多功能产品时,特斯拉和松下已在内华达州的「超级工厂」(Gigafactory)製造 2170 电池了,特斯拉也在这里製造太阳能电池板。

点燃电动车革命

以电池驱动的电动车是交通运输的未来,消费者也有越来越高的兴趣:儘管受充电时间长和充电桩数量少的限制,2016 年美国电动车的销量与同期相比还是增长了 37%。

随着大功率电池的生产难度降低(且在低成本电动车部署成本更低),除了特斯拉,我们将会看到更多公司将高压充电器带到大众市场。

传统汽车行业中,动力亦是关键,但不论燃料还是内燃发动机,都早已进化成熟,消费者和厂商关注的无非是发动机的规格、定位,以及少数经济性表现。

相比汽车,电动车则是一片新天地。纯电动车目前表现与消费者期望间的差距,是技术所需填补的空白,更是电动车价值体现的空间。究竟该如何让电池成为真正驱动庞大公路交通的动力?如何让电气化真正走进汽车业?进而让人类的公路交通方式再升级?这些疑问都有待解开。

未来谁最先掌握快速充电技术,谁能保证革命性的行驶里程,谁能提供最完美的行驶体验,谁就是电动车龙头。

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