白癜风人民大会堂活动 http://baidianfeng.39.net/a_xcyy/150609/4636741.html如需报告请登录。提升带电量解决多数问题，电池成本决定汽车电动化前景电池系统成本是撬动汽车电动化的支点对车企来说，动力电池最重要的性能指标依次是安全性、能量密度、成本、倍率性能和循环次数，其中安全性是压倒一切的考量。此外，根据麦肯锡年进行的一项电动车消费者习惯调查，中美德三国消费者对于电动车的疑虑依次是产品价格、续航里程、充电便利性、车型/品牌。综合来看，汽车电动化的必要条件是在满足安全性的前提下，以能够接受的成本缓解消费者的续航里程焦虑（km）。成本方面，：产能阶段性过剩，五大因素塑造行业格局》里的测算，电池系统的价格需要下降至0.6~0.7元/Wh，才逐渐具备替代燃油车的条件，这意味着电池层面成本至少还需要下降35~40%。这一测算结果与上汽高管在年汽车百人会上的发言几乎一致。因此，电池系统成本是左右汽车电动化进程最重要的因素。对电动车续航里程影响弹性较大的变量依次是电机传动效率、带电量、车身重量、风阻系数和能量密度。值得注意的是，整车的设计能力，如风阻系数、迎风面积以及电控效率对续航里程的影响甚至高于万众瞩目的电池系统，可见整车自身仍有非常大的挖掘空间以提升续航里程及产品力。进一步地，我们假设其他参数不变，仅调整带电量和能量密度。不难发现，尽管理论上较低的能量密度最终会导致新增的带电量边际效应为零，但计算得知该临界点已超过kWh，在带电量低于kWh时，可以认为汽车续航里程与带电量呈线性关系。以蔚来汽车的电池系统为例，年ES8上市时所用电芯的能量密度为Wh/kg，成组之后质量能量密度仅有Wh/kg，重量成组率为63.6%，体积成组率则仅有31.7%，由于车身过重以及风阻系数偏高，以70kWh的带电容量NEDC续航里程仅有km。经过设计改进之后，年推出的ES6基础版（70kWh）NEDC续航里程达到km，高容量的车型（84kWh）续航里程达到km，其质量能量密度和成组率也分别达到Wh/kg和70%，因此提高电池装载量是改善汽车动力性的不二法门。因此，对于电池系统而言，带电量是更具决定意义的参数，质量能量密度的影响相对有限。值得一提的是，提升带电量还可以缓解诸多困扰电动车的顽疾，以带电量分别为30kWh和60kWh的两辆车为例，除了续航里程提升近一倍之外，大容量电池系统还有很多其他优点：首先，大容量电池系统对于电芯的放电倍率要求降低，整车等速巡航阶段的输出功率约10kW，但加速阶段输出功率很大，峰值功率可达kW以上，小系统的瞬时放电倍率要求达到4C，这对电池寿命造成较大伤害，而大系统的放电倍率要求仅为大系统的一半；其次，大电池系统的循环次数要求也大为降低，假设汽车要求行驶里程达到20万公里，小系统的循环次数将达到1次，而大系统的循环寿命要求仅为次，这为更高能量密度、低循环寿命的电池使用开拓了空间；三是充电功率显著提高，在充电倍率相同的情况下，大系统快充半小时（soc从30%充至80%）即可行驶公里以上，极大程度上缓解了充电压力，此外，车内空调等其他体验也有明显改善。降低电芯成本是电池系统降本的核心任务车企对于电池的需求可以简化为以尽可能低的成本装载更多的电池，电池企业努力的方向可收敛至1）降低电池制造成本，为提升电池装载量提供经济性空间；2）提高电池系统体积能量密度，提升电池容量潜在装载空间；3）定制化生产，满足参数设计的定制化要求。如前所述，ES8电池系统的重量和体积成组率分别仅有63.6%和44.2%，但电芯的成本占比却远高于此。根据公开数据，软包电芯的系统成本占比达到70%左右，方形电芯的成本比重则高达80%，随着电芯能量密度的提升，结构件的重量和成本占比还会进一步下降，因此降低电芯成本是系统降本的核心人物。在目前一线电芯企业格局已基本清晰的情况下，电池企业下一步竞争的关键是在确保安全性的前提下，尽可能降低电池制造成本，其他诸如能量密度、循环寿命等性能的优先级相对靠后。电芯成本解析：原材料成本占9成，非活性物质比例较大参数设计：定制化特征明显，容量提升推进电芯标准化设计锂电池是有一定差异性的产品，汽车不同的功能需求对于电池的参数有着决定性的影响。粗略来看，根据使用情况可将锂电池分为两类，一类是功率型，主要用来为汽车加速提供短暂的动力，可以储存的能量较少，不能长期提供能量，其能量释放时间通常持续几秒到几十分钟；另一类是能量型，可以长期提供能量，但放电速率相对较小，一般情况下放电时间设计为1小时甚至更长，一般纯电动汽车会用到能量型电池。功率型电池与能量型电池的主要区别是功率/能量比，即放电倍率，功率型电池的放电倍率可达15C以上，能量型电池的放电倍率不超过2C，随着纯电动汽车带电量日益增大，对于放电倍率的要求会进一步放宽。这两种需求反映在电芯层面，最显著的区别是功率型电芯极片由于电流密度较大，为确保结构稳定，活性层的厚度很薄，能量密度较低，成本更高。因此工业上这两类电芯在设计方面截然不同。在同一类电芯内部，设计上也存在差异性。以最普遍的能量型电芯为例，电池参数设计首先必须根据用电设备需要及电池的特性，确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳以及其他部件的参数，对工艺参数进行优化，并将它们组成有一定规格和指标（如电压、容量、体积和重量等）的电池组。动力电池设计时，必须了解用电设备具对电池性能指标及电池使用条件，一般应考虑以下几个方面：电池工作电压，决定了电芯的数量与连接方式；电池工作电流，及正常放电电流和峰值电流；电池工作时间，包括连续放电时间、使用期限或循环寿命，与电池工作电流一起决定了电池的容量；电池工作环境，包括电池工作环境及环境温度；电池最大允许体积。美国阿贡国家实验室提出了一套设计原则，规则要求用户输入多个设计参数，例如电池电量，电池和模组数量，以及最大功率下的目标电压等。此外，用户必须输入以下三种能量测量值之一：电池组能量，电池容量或车辆电气范围，定义其中一个值将决定其他两个值。然后，迭代过程通过改变电池容量和电极厚度来解决用户定义的能量参数（能量，容量或范围）和剩余电池特性。结果是电池，模组和电池组的尺寸，质量，体积和材料等方面的要求。对于有容量要求的电池，在材料体系选定后，根据正极活性物质的比容量即可计算出正极活性物质的质量，再根据正极配比（活性物质、导电剂、黏结剂的配比）和涂布量上限即可计算出这些活性物质需要涂布在多大面积的集流体上，即求得正极总面积。随后根据电子平衡原则和防短路要求，电芯的负极和隔膜用量也可求得，据此可以得出整个电芯的物料用量。因此，正极材料的性能和用量是电芯容量的决定性因素。随着电池系统容量的增大，电芯参数设计的差异性在降低，标准化程度日益提升，原因在于大容量电池系统消解了工作电压、放电功率、连接方式等电学要求，突出了电池体积、系统成本的约束，使得不同电池系统的差异性日益集中到电芯数量/容量方面，其他参数的差异性大为降低。另一方面，从工业生产角度，推进电芯设计、生产的标准化程度，也是降低电池系统成本非常有效的途径。因此，尽管电池定制化的需求仍然存在，但电池企业总体上在减少电芯规格的品类。生产流程还原：批次与节拍工序交错，质量控制是难点自年索尼公司实现锂电池商业化生产以来，锂电池在性能与生产工艺上实现了长足的进步，但其工作原理、产品结构及其生产流程总体上并未发生很大变化。概而言之，锂电池电芯的制造可以分为3个主要生产环节，约15个生产工序：电极制片。电极制片是将正极和负极材料涂在作为载体的金属箔材上，再加以干燥、压延，该环节包括混浆、涂布、烘干、辊压和分切等工序。单体装配。将涂布好的正负极极片轮流交替铺上隔膜，加工成一个电极堆叠，然后再将堆叠置入到外壳中包装好，并注入电解液。化成、老化（续化成）和检测。装配好的单体首先使用小的电流缓慢充电，再用较大的电流循环多次进行充电和放电，以便达到生成单体全部功能的目的，并用以记录单体精确定义好的各项功能。混浆是将正负极活性材料与导电剂、粘结剂以一定比例，在溶剂中混合均匀。混浆过程对电池单体的质量起着至关重要的决定性作用，每一组分都必须具备最高的纯度，最小的剩余含水量及最大的干燥度，并且必须以最高的精度来加料，对集流体金属（铝箔和铜箔）的要求也要有最高的纯度（99.8%）。为了保证后续的涂布工艺过程能够安全、连续地运行，混拌好的涂布物质的一些关键参数如均一性和粘度系数必须精确保持在设定值范围之内，不仅如此，混浆关键参数如均一性和粘度系数的时间变化也必须考虑进来，因此混浆要求必须快速加工处理。电极涂布的主要任务是将性能稳定、粘度适当、流动性好的浆料均匀地涂覆在铜箔（负极）或铝箔（正极）上。电极涂布工艺的好坏，对锂电池的容量、一致性和安全性具有直接影响。据不完全统计，在锂电池失效的全部原因中，约10%是由电极涂布工艺引起的。浆料涂布过程中必须要保证极片厚度和单位面积拉浆重量的高精度性，使用具备极片拉片和极片张力控制最高精度的涂布机设备是优质出品的前提条件。极片涂布后制成的极片必须进行干燥。干燥室通过热风对流在不同的干燥箱（悬浮带式干燥箱、对流抽吸式干燥箱、滚动带式干燥箱）里实现的。干燥箱里设置的干燥温度曲线对极片附着在金属极片上的附着强度以及整个极片厚度上粘合剂的分布意义重大。电池装配过程要完成卷绕、装壳、封口、注液等步骤，是电芯制作的核心，对周围环境要求极高，如湿度要控制在1%以内，同时，这些流程自动化程度较高，一旦参数确定出现质量问题的概率反而相对较低。在老化工序中，从传送带上运送过来的电池单体被放置到一个加热到约30℃的车间里存放8~36天不等。在老化过程的前期和后期分别测量单体的开路电压（OCV），测得的数据可以用来计算单体的自放电率。老化过程之后会对存放的单体做一些功能测试，比如容量测试、内阻测试和自放电测试等。以这些测量值和事先定义好的极限值为基础，可以再老化工序之后把单体进行容量等级的多级分类，这个过程称之为分容。老化工序最大的挑战性在于对空间场地的需求，因为存放单体需要大量场地，导致费用大增，同时还有大量的专用托盘需求，这也带来了额外的高额成本支出。在上述工序中，搅拌、涂层、烘干、压实、分卷、真空烘干、老化等工序是批次加工工序（batch）,而切片、层叠、加注电解液、封装等工序为节拍制造工序，这导致锂电池的生产流程连续性较低，自动化水平相对受限，对保持电池品质的一致性带来了巨大挑战。方形卷绕电池：正极材料是降本最大来源，其他措施集腋成裘美国Argonne国家实验室建立了一个非常精细的模型以研究锂电池成本，但研究对象是方形叠片电池，我国锂电池厂商多采用方形卷绕路线，因此Batpac的经典模型并不适用。我们借鉴其思路，搭建了简化的方形卷绕电芯成本模型，假设该电芯采用三元正极材料和人造石墨负极材料，其他参数假设如下：我们将最经典的PHEV-2型电芯规格代入其中，电芯的长度、宽度、厚度分别为mm、92mm、27mm；计算得到该电芯的容量约51Ah，质量能量密度为Wh/kg，体积能量密度为Wh/L，与实际数字吻合度较好。电芯的各组成部分以及重量组成如下：该电芯中，正极活性材料的重量占比仅有37.3%，箔材、电极以及封装壳体的重量占比则超过20%；在成本构成上，正极材料的占比则达到43.5%，物料成本中的占比高达55.6%。由于正极活性材料是电池容量的决定性因素，因此技术上降低电芯成本的主要方式是提升正极材料的重量占比。实际上，在过去20年里，锂离子电池的能量密度每年稳步增长3%，主要依赖于增加活性物质比例技术方面的进步。对成本模型中的主要参数进行敏感性分析，对成本影响最大的因素是正极材料的性能和价格，负极性能和价格影响位居其次，但弹性系数已相差较远，此外，降低非活性材料的各项措施（提升活性材料面密度、降低载体厚度、增大电芯尺寸等）尽管单项影响都不大，但累计起来降本效应也不容小视。对于锂电池而言，单纯提高正极材料1倍的储锂容量，在平均电位不下降的前提下，提高锂电池的质量能量密度最大约为40%；提高负极材料1倍的储锂容量，提高电池的质量能量密度最大约为20%。由于电极储锂容量提高一般伴随着体积变化，单纯通过提高电极材料的储锂容量来提高电池的体积能量密度，应该很难超过40%。叠加工艺方面的进步，在现有体系不发生根本变化的前提下，锂电池单体的能量密度达到Wh/kg时可能会遭遇瓶颈。降本之路知易行难，技术能力是核心驱动电池的主要材料价格在年之后降幅已明显趋缓，这意味着电芯单体的BOM成本下降将进入瓶颈期。在此背景下，提高单体的储能能力—即提升电池能量密度—以摊薄单位容量成本是电池厂商的内在需求。能量密度提升的本质，是在确保安全的前提下，在一定空间内（外包装）将活性材料的重量/体积占比不断提升，并升级活性材料的比容量。能量密度提升有如下路径，一是采用高比容量的活性材料，即正极高镍化和负极用硅碳材料；二是优化工艺提高活性材料的重量占比，包括提升面密度、压实密度、卷绕改叠片、降低铜箔、铝箔、隔膜等材料的厚度；三是提高电芯尺寸，挖掘规模效应。此外，在系统层面上还可以改进成组技术，降低模组、PACK等封装成本。材料：在比容量与安全性之间走钢丝高镍正极：只有龙头能驾驭的降本利器。从敏感性分析结果来看，提升正极材料的比容量是降低成本极为有效的途径。在材料层面，高比容量的正极材料包括高镍三元和富锂材料，其中高镍三元材料已经取得了一定进展。高镍化至少能带来两方面好处，一是降低钴资源的用量，减轻上游资源价格波动带来的价格波动，NCM相比NCM的钴含量由12.21%降至6.06%，折算到动力电池每kwh用钴量从0.22kg降至0.09kg，因此在钴价越高时，NCM的材料成本优势将越明显。例如，在金属钴20美元/磅时，高镍三元材料单位容量成本低8%；在金属钴30美元/磅时，高镍三元材料单位容量成本低12%；二是提升能量密度，降低电池每Wh成本，年以来三元材料从过渡到，比容量从mAh/g提升至mAh/g以上，电芯能量密度则从Wh/kg提升至Wh/kg。目前广受
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