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特斯拉搶先入局定調,比亞迪被迫跟進,寶馬另闢蹊徑,電動車電池市場劇變在即,電池漲勢難擋! 4
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提到這幾年最抓眼球的話題,電動車必然是其中之一。電動車市場需求維持良好的成長勢頭,除了各大廠商扎堆入局,更主要的動因來自各個國家強力支持環保趨勢,祭出補貼政策。電動車已經成為勢在必行的發展,幾個大國家更已經訂定了終結燃油車的期限。

法國為履行《巴黎協議》,在2017 7 月宣布 2040 年禁售汽柴油車,隨後英國政府也跟進,強調為了降低有害二氧化氮的排放量,同樣希望在 2040 年前達成禁售汽柴油車的終極目標。而其他更早宣布燃油車即將出局的國家,還包括 2030 年禁止柴油車路權的德國、荷蘭、挪威,以及在 2025 年全面禁止銷售柴油車的挪威。

 

另外,作為全球最大汽車市場的中國則是設定在 2020 年達到電動車年銷量 200 萬輛。因此,電動車超越燃油車的那一天始終會來到,全球電動車的銷售量只會一路向上。但面對純電動汽車的持續火熱,一個很直接的問題擺在了人們面前:市場上的鋰電池還夠用么?

「最近電池很缺貨,因為電動車的需求很強,在電池業者產能有限,連 PC、手機產品的電池供貨都受到影響,」一位台灣電子業代工廠的高階主管對 DT 君透露。從行業人士的幾句話就能看出電動車市場的熱度有多高。

由於一台電動車大約平均會使用 5000 顆電池芯,相較於一般筆記本電腦使用 6 8 顆電池芯,規模龐大許多倍,隨著車廠拿貨積極,三元鋰電池今年下半年需求恐急,導致 IT 類產品的電池的供應也受到排擠。

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圖丨一輛特斯拉 Model S 所搭載的單個電芯超過 7000 顆

業界人士指出,目前電動車電池的報價為大約在 11001200 人民幣/千瓦時(kWh),今年是呈現持平走勢,但值得注意的是,三元鋰電池使用到的「鈷」、「鎳」原材料都創下近年來價格新高,因此合理推估明年上半年電池將出現漲價趨勢。

主流廠商不再固守磷酸鐵鋰電池,三元鋰電池成長性高

過去車廠對於選擇磷酸鐵鋰電池還是三元材料鋰電池(簡稱三元鋰電池)的糾結其實已經有了答案,根據高工產業研究院(GGII)數據統計顯示,今年 1~11 月元電池裝機電量 11.51GWh,同比增長 141%;磷酸鐵鋰電池裝機電量 11.56GWh,同比下滑 20%。在電池能量密度要求明年確定會有進一步提升的情況下,三元電池裝機總量有望進一步擴大。

甚至連以磷酸鐵鋰電池起家的比亞迪也在近期宣布,從 2018 年開始所有乘用車都將使用三元鋰電池,目前看來,三元鋰電池在電動車電池的規格及標準上搶下了主導的地位。

很多人在提到電動車電池時,會將其稱為動力電池,事實上,動力電池是指具有較高容量和較大的輸出功率,應用範圍廣泛,從家用、工業到交通都有,像是有一個需求明確且銷售量不斷提升的應用,就是電動工具,像是電鑽、電鋸、電動釘槍等所使用的動力電池,而交通工具則有電動車、電動摩托車、電動腳踏車、或是未來型的單人電動小型車等。

在電動車動力電池部分,磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池因優缺點不同,過去各有擁護者,磷酸鐵鋰電池的技術最初是從美國和加拿大開始發展,具有代表性的廠商像是加拿大的Phostech以及美國的 A123 Systems,它們分別掌握了磷酸鐵鋰電池正極材料的絕大多數專利,後來 A123 Systems 在 2012 年被中國汽車零部件巨頭萬向集團收購,而 Phostech 則在 2014 年賣給了英國有色金屬巨頭 Johnson Matthey。另外,中國的比亞迪也是以磷酸鐵鋰電池起家。磷酸鐵鋰電池的優點是可充電次數多,使用壽命可以長達 5 年以上,是早期電動車主要採用的電池技術。

 

但為什麼三元鋰電池可以獲得車廠的青睞,主要原因就在於能量密度高(energy density)。隨著汽車行業不斷追求電池「能量密度」的提升,電池的能量密度越大,單位體積內存儲的電量越多,用戶充一次電可以駕駛的距離自然就越長。能量密度是電動車選用電池的關鍵。國務院發布的《中國製造 2025》中提出, 2020 年我國動力電池要達到能量密度 300Wh/kg2025 年達到 400Wh/kg 的目標。以這個標準來看,磷酸鐵鋰電池是很難達到的。

三元鋰電池的技術領導者則是以日韓為主。之所以稱為三元,是因為採用三種元素:鎳鈷錳(NCM)或是鎳鈷鋁(NCA)作為正極材料。一直以來,三元鋰電池在 IT 行業廣泛使用,像是筆記本電腦、平板、智能手機的電池都是,也因為在 IT 行業的應用行之多年,不論是在技術上跟價格上都已經達到很成熟的階段,所以車廠希望將此技術轉移至電動車上,其中最積極的就是特斯拉。

前特斯拉電池技術總監Kurt Kelty(2017 年 8 月已於特斯拉離職)過去就曾公開表示,特斯拉嘗試了市面上超過 300 種電池后才選擇三元鋰電池,第一個理由就是能量密度更大,穩定性、一致性佳,另一個很重要的就是可以有效降低電池系統的成本。特斯拉旗下首款車型 Roadster 使用的是 18650 鈷酸鋰電池,第二款車 Model S 就開始使用鎳鈷鋁三元正極材料的 NCA 鋰電池。

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丨特斯拉 Model S 使用了松下提供的三元鋰電池

NCA 就是特斯拉的夥伴松下(Panasonic)帶起來的技術,但因工藝難,必須使用特殊的製程方法,所以能生產出好品質產品的業者並不多。而韓系廠商則多是發展 NCM 電池,不過,因為看到 Panasonic 提供特斯拉 NCA 鋰電池,其供電能力已獲得驗證,於是三星旗下的 Samsung SDI、LG 集團旗下的 LG 化學近期也相繼表示,考慮推出能夠供電動車使用的 NCA 鋰電池。

再加上特斯拉採用的是三元鋰電池,其高市佔率以及在電池管理技術的領先,都讓特斯拉在電動車電池的技術規格上掌握了相當關鍵的話語權,因此許多大廠都紛紛轉向,就連比亞迪也放棄固守磷酸鐵鋰電池,近期宣布可能除公共交通領域還會繼續使用磷酸鐵鋰電池外,從2018 年開始所有乘用車都將使用三元鋰電池。並且將在青海擴建一個擁有 10 GWh 三元鋰電池產能的電池工廠。

「當特斯拉將三元鋰電池的量產化提前實現后,產業就被帶往這個方向走,電動車電池的規格標準就大致成形了,車用考量的是能量密度跟續航力,三元鋰電池比較適合,而『定置型』(電池位置相對固定,如電網儲能電池)市場則是考量壽命,那就是磷酸鐵鋰。」專門研究能源行業的調研機構 EnergyTrend 資深研究經理呂理舜如是說。

很多人或許會質疑「磷酸鐵鋰電池是不是就沒有未來了?」,呂理舜強調,這些電池技術還是會經歷一段市場應用跟時間上交疊的過程,而且「磷酸鐵鋰電池並不會消失」,在「定置型」市場像是光伏電池、以及機房、資料中心做備援等非移動需求的領域,磷酸鐵鋰電池還是很有競爭力的,也就是說,未來的市場應用細分會更加明顯

原材料價格大漲明年上半年電池價格將維持高位

目前全球電動車電池前五大業者包括寧德時代(CATL)、比亞迪、Panasonic、Samsung SDI、LG Chem。電池絕對是電動車最重要的關鍵零組件,不僅安全性要求高,成本比重也高,大約佔一台電動車物料清單(BOM)的 3~4 成。

不論是鎳鈷錳(NCM)或是鎳鈷鋁(NCA)電池,都有兩項重要的原料:鎳與鈷,國際金屬市場上,鈷價格持續創新高,甚至來到了近五年的高點:12 月鈷的期貨報價維持在 75000(美元/公噸)左右,市場預期明年上半年價格仍會維持在高位,另外,鎳的部分也上漲不少,倫敦金屬交易所(LME)鎳價在今年 11 月一度創下兩年新高。

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圖丨鋰、鎳、鈷原材料近期價格走勢圖,其中鈷原料價格將是三元鋰電池價格的主要影響因素

就有行業人士表示,雖然電動車需求上漲,但這些金屬材料飆漲其實是因為期貨價格操作影響,加上鈷主要產地在剛果,當地政局不穩定,因此已經無法以單純的市場供需來解讀,預期明年上半年的三元鋰電池將會出現漲價,對汽車品牌業者來說,是否要將增加的成本反應到市場售價上,還是選擇自行消化,優先做大電動車市場,考驗每家業者的策略判斷。

新希望:全固態電池

為了提高電動車的續航力里程,業界可採取的做法一是放置更多電池,但如此就會佔據更多的車體空間,因此另一個比較實際可行的方式就是想辦法提高電池的能量密度,甚至研發新一代的電池技術,因此儘管三元鋰電池成為了電動車電池目前的主流,但已經有眾多大公司投入研發「全固態電池」(Solid-State Battery)」。

圖丨固態電池

蘋果在 2015 年底獲得了一項與全固態電池充電技術相關的專利,讓外界開始注意到這個技術。一直到近期,車廠布局全固態電池的消息紛紛浮上檯面,像是豐田(Toyota)目前開發固態電池的團隊規模已經達到 200 人左右,目標是在 2020~2025 年將其導入到汽車中。

另外,由知名汽車設計師 Henrik Fisker 新成立的豪華電動汽車公司 Fisker 最近則遞交一份專利,號稱電動車充電最快只需要 1 分鐘時間,續航里程高達 500 英里,不過,Fisker 也預估在 2023 年之後才能投入量產

那麼,全固態電池到底是什麼?鋰電池有四大關鍵元素,分別是正極材料、負極材料、隔離膜以及電解液,例如三元鋰電池就是使用液態的電解液。而全固態電池顧名思義就是沒有使用液體

如果還是使用與鋰電池現有的正負極材料,只是改變隔離膜以及電解液的做法,可以稱為是固態鋰電池,也能視為是鋰電池的進化,固態鋰電池在製程中會使用到電解液,但到了成品時就不會有液體,隔離膜則會被大幅簡化,塗布層可能使用陶瓷材料,甚至不用隔離膜也是可能的做法。另外,有些全固態電池則是強調採用金屬以取代上述的關鍵材料,像是金屬電池也可視為是全固態電池的一種。

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圖丨傳統電池(左)與全固態電池(右)最大的區別在於是否使用電解液

全固態電池全部都採用固態材料,沒有液體外漏的問題,所以防爆,安全性高,另外,充電時間也比現有的鋰離子電池更快,更重要的是,具備高能量密度、大容量化特性,現有的電動車液態鋰離子電池的能量密度大約在150~250Wh/kg,而固態電池在實驗室的能量密度能夠達 400Wh/kg 左右,符合電動車追求高續航力的需求,有助於電動車提升行駛里程,例如目前電動車一般充一次電可以行駛 400 公里,採用固態電池后就可能大幅提高到 600 公里,因此被視為是下一代電池。

量產最快得等到2020 年之後

以鋰電池的發展歷史來看,是從筆記本電腦跟手機等IT 應用已經很成熟了才慢慢擴張到汽車領域,但呂理舜認為,全固態電池會是汽車行業來主導,因為應用在電動車上會比在 IT 產品上更有顯著的效益,對 IT 業者來說,續航力在 IT 產品上固然重要,但更追求功能的創新才會是比較大的賣點。

因此,可以預料全固態電池將會由車廠積極介入研發,推動其在電動車上的應用,事實上,目前的發展也是如此,包括德國BMW 日前宣布與美國全固態電池領頭企業 Solid Power 結盟,力求讓全固態電池效能跨越高性能電動車的要求門檻。另外,日產汽車(Nissan)、本田汽車(Honda)、豐田集團旗下的豐田織機(Toyota Industries Corp)都正在研發全固態電池。

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圖丨寶馬在官方博客中宣布將與 Solid Power 聯合研發全固態電池

而先前宣布將投入電動車開發的吸塵器品牌Dyson 也表示,預計在 2020 年推出的一系列純電動汽車將會採用固態電池,並預計投入 10 億英鎊用於研發和製造固態電池,其中包括收購了初創公司 Sakti3。但是就在不久前,負責其固態電池技術的 Sakti3 CEO Ann Marie Sastry 已經離職,雖然目前尚無法得知是否將影響 Dyson 的固態電池製造進度,但仍為這項技術帶來了一點不確定性。

一項新技術要走出實驗室總是不容易,「現在技術還不成熟,電池供應商也還沒有準備好,量產時間會在 2020 年以後了,」呂理舜說,加上車廠自身評估的時間表,想要看到採用固態電池的電動車上路的時間應該會是在 2022、2023 年較有機會,不過可以肯定的是,電池是未來零碳生活的關鍵,電池研究人員可望持續向外界展現新的突破。

-End-

 

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