鋰電池和後鋰電池的技術突破，到底從合適開始能夠對現有的電動汽車有影響是非常值得我們關注的。隨著各種電池材料和先進電池科研成果在媒體上宣傳對於我們車輛的提升，而與實際各個大的電池公司的研發和產品進度並沒有直接的關聯，這使得我們對於目前的現狀產生了一些懷疑。本文主要梳理一下，目前可用電芯、開發中的電芯、開發中的材料和研究中的新的電池技術的成熟路徑，並探討一下在目前全球範圍內各種研究中產生的專利、材料和製程工藝改進工藝還有後期實驗室、中試驗，如何跟蹤這些電池技術的動態是否對我們的電動汽車事業有意義。另一個角度，我們也是從產業鏈角度來觀察，以電池產品端、電池材料這兩方面，主要的供應鏈企業的發展動態。
圖1 鋰電池技術的發展
鋰電池的革新主要依賴於電池材料的基礎研究，如下圖所示，第一個步驟是在材料研究方面去評估可用性。折衷研究並不是物理性能的改進，涉及到大量實驗驗證，因而材料研發周期長，投入大。在第二個階段是對於材料量的放大並評估材料的低成本製程工藝，在這兩個階段從技術研發到商業推廣仍需要 10-20 年。第三個階段，是電芯企業根據不同的尺寸規格去設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化階段，在各個市場根據客戶的要求進行評估和測試，並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及商業化歷史可以發現，鋰電池的主要研發方向是提高材料的導電率和能量密度，且因為正極材料和負極材料相比比容量較小，研發主要集中在正極材料領域。前沿研究構成了專利，而擁有技術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壁壘，形成獨斷性優勢。
圖2 電池材料和電池的開發階段
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專利，一般認為常規三元材料 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。目前優美科擁有3M的專利所有權，LG和SK等企業擁有專利使用權。而阿貢國家實驗室的三元專利主要轉讓給 BASF。目前針對NCM分子數量比例的不同對材料企業和電池企業的約束力也不一樣。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，然後觀測電芯企業在材料評估的進度。短期內一定規格和尺寸的電芯，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，結合對內部電芯設計的挖掘。
圖3 電池的效率演進，是盡可能提高有用的材料佔比
目前從材料來看，我們短期內3年內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的電芯設計。
圖4 正極材料的發展模式
文章寫到這裡，也要寫一下目前的憂慮。從動力電池的路線圖的發布開始，到現在的情況，電池的主要技術路線，是根據日韓所主導的三元在走。韓國電池企業 LG、三星 SDI 分別於 1998、1999 年開始研發，並逐漸趕超日本技術。日韓電池廠商主要採用三元技術路線，且擁有20年以上消費電池、10 年以上的動力電池研發歷史。如下圖所示，基於三元之上的電芯是目前2-3年的主流現產的車型選擇。
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，什麽樣的電池能夠符合在無補貼、注重安全考核能夠立住腳？我們現在的主要的手段是靠規模，在材料端的噸產能和電池端的Gwh的產能。2017 年我國正極材料產量 20.7萬噸，NCM產量約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穩定性和電芯安全上面逐步攻堅。從這個角度來看，我們看到媒體報導的各種研究層面，可能在5年甚至10年後才能上車的研究成果，目前主要是各個研發機構的專利價值，很難一下子落實到車上。之前我們報導的300Wh/kg的科研電芯產品，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。客觀來說，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，以不斷完善我們對於電芯的要求。
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，在各個環節層面上怎麽樣符合威力更大能量密度越高的電芯，這些都是工程挑戰。
小結
作為一名工程師，我也很想活在媒體的世界裡面，今天一項成果，明天一項發現，帶領大家攻克電動汽車的電池系統的瓶頸。電池技術的鐵棒磨成針，真能把小夥熬成大爺，我們要做好長期抗戰的準備
作者：朱玉龍
來源：第一電動網（www.d1ev.com）
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