二、不同材料體系電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)判斷
4.全固態(tài)電池
蓋斯特判斷：全固態(tài)電池的發(fā)展?jié)摿薮?，將是決定電動(dòng)化競(jìng)爭(zhēng)下半場(chǎng)勝負(fù)的關(guān)鍵所在。不過全固態(tài)電池要在性能方面取得突破性進(jìn)展，仍需解決技術(shù)和工藝等方面的諸多難題，后續(xù)必須持續(xù)加大投入。
全固態(tài)電池的電解質(zhì)選擇非常關(guān)鍵。如前所述，半固態(tài)電池目前居主流的電解質(zhì)是氧化物，不過氧化物電解質(zhì)應(yīng)用于全固態(tài)電池時(shí)存在電池容量小、擴(kuò)容難、成本高等問題，會(huì)使其車端應(yīng)用的空間受限；后續(xù)更適合于車用場(chǎng)景的硫化物、鹵化物以及二者的結(jié)合，是全固態(tài)電池電解質(zhì)的可能方向。
與三元電池相比，全固態(tài)電池在能量密度、安全性和快充性能等方面都有明顯優(yōu)勢(shì)，此外其低溫性能也可以有較大改善。但是全固態(tài)電池在循環(huán)壽命、高溫性能和成本方面也有劣勢(shì)：循環(huán)壽命目前只能做到大約數(shù)百次到兩千次；高溫性能受制于鋰的熔點(diǎn)，上限偏低；到2025年，電芯成本樂觀估計(jì)有可能降至1.5-2元/Wh，仍然偏高。
從研發(fā)情況來看，中、美、日、韓等國均在加緊推進(jìn)硫化物等全固態(tài)電池的研究，總體上呈現(xiàn)“一超（日本）多強(qiáng)（中國、美國等）”的格局，其中，日本相關(guān)專利的數(shù)量遙遙領(lǐng)先，同時(shí)一直有多家機(jī)構(gòu)在聯(lián)合攻關(guān)。盡管各國紛紛加大研發(fā)投入，不過全固態(tài)電池的量產(chǎn)仍面臨多重挑戰(zhàn)，包括生產(chǎn)工藝、密封性、安全性、加工裝備等。所以，全固態(tài)電池當(dāng)前還處于實(shí)驗(yàn)室/小試線生產(chǎn)以及小范圍/特定場(chǎng)景試用的導(dǎo)入階段，蓋斯特預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)還很難形成全方位的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，可能要到2030年之后才能進(jìn)入成長(zhǎng)階段，逐步開始商業(yè)化應(yīng)用。
盡管全固態(tài)電池遠(yuǎn)未達(dá)到量產(chǎn)程度，但在各方的全力推進(jìn)下，其進(jìn)步不容小覷。近期有日本車企宣稱其固態(tài)電池量產(chǎn)在望，且充電速度和續(xù)航里程等指標(biāo)都非常出色。對(duì)此蓋斯特認(rèn)為，鑒于全固態(tài)電池的戰(zhàn)略價(jià)值，中國汽車及電池企業(yè)應(yīng)對(duì)其他國家取得的進(jìn)展心存敬畏，鞭策自己加緊推進(jìn)研發(fā)，這遠(yuǎn)比討論對(duì)方信息的真實(shí)程度更為重要。對(duì)于企業(yè)來說，一方面，要把全固態(tài)電池作為取得電動(dòng)車下半場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要技術(shù)選項(xiàng)，予以高度重視，密切關(guān)注最新發(fā)展，合理進(jìn)行前瞻布局，以搶占未來電池的制高點(diǎn)；另一方面，可以在成本敏感度較低的高端產(chǎn)品（如高端飛行器、無人機(jī)等）上先行搭載使用，以此進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和迭代，從而加快之后在車輛上規(guī)模化應(yīng)用的進(jìn)程。
展望未來，全固態(tài)電池有望基于新技術(shù)、新工藝開發(fā)，實(shí)現(xiàn)成本受控的規(guī)?；圃臁Ｆ渲饕?jiǎng)?chuàng)新方向：一是電解質(zhì)材料的研發(fā)，旨在解決原材料（硫化鋰）成本高、易與水反應(yīng)、規(guī)模制造不成熟等問題。二是電池材料體系構(gòu)建，旨在實(shí)現(xiàn)各種材料彼此之間不反應(yīng)、不失效的問題。三是工藝技術(shù)開發(fā)，旨在破解新工藝、界面工程、規(guī)模制造等難點(diǎn)。
總體而言，全固態(tài)電池近中期將主要聚焦在三元材料體系內(nèi)，遠(yuǎn)期則將向全新材料體系擴(kuò)展。預(yù)計(jì)在2030年后可以真正開始規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用，而一旦規(guī)模量產(chǎn)后，成本有望顯著下降，從而快速覆蓋更多車型。蓋斯特對(duì)全固態(tài)電池發(fā)展重點(diǎn)及前景的預(yù)測(cè)見圖4。
圖4 全固態(tài)電池的發(fā)展重點(diǎn)和前景預(yù)測(cè)
如圖4所示，到2025年，全固態(tài)電池正極、負(fù)極、電解質(zhì)的發(fā)展重點(diǎn)分別為高鎳三元、碳硅、硫化物和鹵化物，尤以電解質(zhì)為主，能量密度有望超過350Wh/kg；到2030年，發(fā)展重點(diǎn)分別為超高鎳三元、鋰金屬或無負(fù)極、硫化物和鹵化物，尤以負(fù)極為主，能量密度有望超過400Wh/kg；到2035年，發(fā)展重點(diǎn)分別為硫碳復(fù)合體系、鋰金屬、硫化物和鹵化物，尤以正極為主，能量密度有望達(dá)到500Wh/kg。
全固態(tài)電池的發(fā)展模式，主要有“迭代發(fā)展、小步快跑”和“跨越發(fā)展、一步到位”兩種選擇。其中，第一種模式聚焦于眼前相對(duì)成熟的技術(shù)方案，容易產(chǎn)生階段性成果，但是很難獲得跨越性優(yōu)勢(shì)，其關(guān)鍵在于快速迭代，以實(shí)現(xiàn)持續(xù)進(jìn)步；第二種模式則著眼于前瞻性的技術(shù)方案，因此時(shí)間跨度長(zhǎng)、攻關(guān)難度高，不過一旦突破就能取得明顯優(yōu)勢(shì)。不同的企業(yè)應(yīng)基于自身的訴求和能力等，選擇合適的發(fā)展模式。
5.鈉離子電池
蓋斯特判斷：不受資源限制的鈉離子電池，除了能量密度存在短板外，其余性能均較好，非常適合儲(chǔ)能應(yīng)用，同時(shí)也可滿足特定場(chǎng)景下的車用需求，將會(huì)在未來的電池產(chǎn)業(yè)中占據(jù)一席之地。
與磷酸鐵鋰電池相比，鈉電池的劣勢(shì)是能量密度偏低，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在成本以及安全性、快充性能、低溫性能。當(dāng)前鈉電池相對(duì)磷酸鐵鋰電池尚不具備成本優(yōu)勢(shì)。但在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化之后，鈉電池成本有望降至0.3元/Wh以下。
2023年鈉電池已開始進(jìn)入量產(chǎn)階段，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前鈉電池規(guī)劃產(chǎn)能已超過400GWh，足可覆蓋至2025年的需求。在車用方面，低能量密度、低成本的鈉電池更適合于中低端車型，目前已有幾款小型純電產(chǎn)品搭載應(yīng)用；同時(shí)，鈉電池還有高功率的特點(diǎn)，也可用于插電混動(dòng)車型。而在儲(chǔ)能方面，鈉電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低，因此應(yīng)用空間更為廣闊。
展望未來，鈉電池的發(fā)展方向?qū)⒂刹煌瑘?chǎng)景的需求決定：車用的重點(diǎn)是提升能量密度，而儲(chǔ)能的重點(diǎn)是增加循環(huán)壽命。為此，在材料體系方面，可選擇層狀氧化物（鐵錳體系）、普魯士藍(lán)類正極材料，推動(dòng)能量密度向200Wh/kg發(fā)展，以更適于車用；也可選擇聚陰離子正極材料，推動(dòng)循環(huán)壽命向上萬次發(fā)展，以更適于儲(chǔ)能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，則可結(jié)合鈉電池材料的特點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)電芯形態(tài)。
綜上，鈉離子電池的主要應(yīng)用場(chǎng)景是中低端車型和儲(chǔ)能，尤其在儲(chǔ)能方面潛力巨大，且有望快速得到推廣應(yīng)用。蓋斯特對(duì)鈉電池市場(chǎng)的發(fā)展空間進(jìn)行了預(yù)測(cè)，具體見圖5。
圖5 鈉離子電池的市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)
如圖5所示，車用方面，預(yù)計(jì)鈉電池將于今后幾年在成本敏感性高的中低端產(chǎn)品上率先導(dǎo)入，具體包括：兩輪車，應(yīng)用空間雖小，但可起到驗(yàn)證鈉電池成本優(yōu)勢(shì)的作用；A00/A0級(jí)電動(dòng)車，會(huì)成為鈉電池在車端應(yīng)用的主要場(chǎng)景；A級(jí)電動(dòng)車，鈉電池也將有一定的應(yīng)用，與鋰電池共同組成雙電池系統(tǒng)。儲(chǔ)能方面，鈉電池的應(yīng)用潛力有望逐步釋放，預(yù)計(jì)2030年前后將迎來較大的增長(zhǎng)空間。短期內(nèi)，鈉電池主要可用于用戶側(cè)、數(shù)據(jù)中心、基站等中小型儲(chǔ)能場(chǎng)景；中長(zhǎng)期，隨著能量密度和循環(huán)壽命等的不斷提升，鈉電池或可在中等時(shí)長(zhǎng)的儲(chǔ)能場(chǎng)景下與磷酸鐵鋰電池展開競(jìng)爭(zhēng)。
總體而言，對(duì)于鈉電池來說，儲(chǔ)能將是其主要的發(fā)展場(chǎng)景，但車用也有一定的發(fā)展空間。而鈉電池的低成本與磷酸鐵鋰電池的長(zhǎng)壽命之間的博弈與平衡，將決定二者各自的市場(chǎng)空間。蓋斯特認(rèn)為，鈉電池由于能量密度偏低，無法對(duì)鋰電池實(shí)現(xiàn)替代，只能成為其補(bǔ)充，而這種補(bǔ)充關(guān)系將對(duì)規(guī)范和穩(wěn)定鋰價(jià)發(fā)揮重要作用。
6.碳酸鋰價(jià)格波動(dòng)的影響
此前，碳酸鋰價(jià)格的暴漲給鋰電池乃至新能源汽車產(chǎn)品帶來了很大的成本壓力，也引發(fā)了行業(yè)的高度關(guān)注。事實(shí)上，碳酸鋰價(jià)格波動(dòng)不僅直接影響鋰電池及新能源汽車的總體市場(chǎng)空間，還會(huì)對(duì)不同材料的電池產(chǎn)生相應(yīng)的影響，進(jìn)而改變材料體系之間的替代進(jìn)程。對(duì)此，蓋斯特的判斷如下：
第一，碳酸鋰價(jià)格波動(dòng)對(duì)不同材料電池的影響程度由高到低依次為：全固態(tài)電池>三元鋰電池/半固態(tài)電池>磷酸鐵鋰電池。這取決于各種電池的含鋰量。其中，生產(chǎn)1GWh磷酸鐵鋰電池約需630噸碳酸鋰；生產(chǎn)1GWh三元鋰電池約需680噸碳酸鋰；半固態(tài)電池與三元鋰電池的需求量接近；而全固態(tài)鋰電池對(duì)碳酸鋰的需求量要大得多。
第二，碳酸鋰的長(zhǎng)期價(jià)格將逐漸穩(wěn)定在6-15萬元/噸，且出現(xiàn)大幅波動(dòng)的概率較低。其依據(jù)主要有二：一是鋰資源整體上是充足的，不會(huì)出現(xiàn)根本性的供給不足，此前價(jià)格激增源自短期的供需失衡，并在市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下逐漸回歸平衡。二是未來碳酸鋰的價(jià)格主要將由成本、利潤(rùn)以及電池回收程度等要素相互平衡而定，最終會(huì)收斂到合理區(qū)間。由于每噸碳酸鋰的生產(chǎn)成本約在5（鹽湖鹵水）-17（鋰輝石等）萬元之間，再加上驅(qū)動(dòng)供應(yīng)鏈運(yùn)轉(zhuǎn)的適當(dāng)利潤(rùn)，因此蓋斯特認(rèn)為，這個(gè)合理的價(jià)位區(qū)間將是6-15萬元/噸。
而碳酸鋰的實(shí)際價(jià)格處在上述價(jià)位區(qū)間的高點(diǎn)或低點(diǎn)，對(duì)各種電池的競(jìng)爭(zhēng)力及市場(chǎng)空間影響巨大。蓋斯特經(jīng)測(cè)算后粗略估計(jì)：如果碳酸鋰的價(jià)格高于20萬元/噸，鈉離子電池對(duì)磷酸鐵鋰電池就會(huì)有成本優(yōu)勢(shì)，后期隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)成熟，這種優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯；而如果碳酸鋰的價(jià)格不能降至10萬元/噸以下，全固態(tài)電池的成本就會(huì)面臨較大挑戰(zhàn)，將較難與三元鋰電池競(jìng)爭(zhēng)。
三、電池與整車集成CTX方案的發(fā)展趨勢(shì)判斷
所謂CTX創(chuàng)新，即通過從電芯到整車的各種不同的集成設(shè)計(jì)方案，來優(yōu)化電動(dòng)車輛的空間利用率、續(xù)航里程、輕量化以及安全性能等關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，CTX的發(fā)展反過來又會(huì)推動(dòng)企業(yè)重新思考電池與車身、底盤的關(guān)系，從而促進(jìn)電池和車身、底盤的一體化發(fā)展。
開展CTX創(chuàng)新的基本邏輯在于：車輛的物理空間有限，同時(shí)動(dòng)力電池的重大突破尚待時(shí)日，在此情況下，有必要通過CTX來實(shí)現(xiàn)電池在整車上的集成優(yōu)化，這不僅可以直接提高車輛的空間利用率，而且還可以顯著提升電動(dòng)汽車的各項(xiàng)性能指標(biāo)。具體來說，在車輛空間方面，集成簡(jiǎn)化可使相同級(jí)別的車型獲得更大的車內(nèi)空間，減少Z向空間占用有利于電動(dòng)車的轎車化發(fā)展；在輕量化和續(xù)航里程方面，去掉電池單體集成到整車的中間形態(tài)可大量減少冗余配件，從而最大限度地減少電池自重帶來的能耗負(fù)收益，使同樣容量的電池可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程；在安全性能方面，合理集成將使電池直接參與碰撞受力，從而提升車身的扭轉(zhuǎn)剛度，并可通過電池與整車的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)布置來提升車輛整體的安全性能；在制造方面，封裝簡(jiǎn)化將有利于減少制造工序，從而提高生產(chǎn)效率。
綜上，CTX既影響整車設(shè)計(jì)，又影響車輛性能、產(chǎn)品制造以及用戶體驗(yàn)，工程師們必須綜合考慮CTX在不同層面上的影響要素，以期實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的最佳效果。
圖6 CTX在不同層面上的主要影響要素
如圖6所示，CTX的不同設(shè)計(jì)方案主要包括CMP（電芯、模組、電池包直接集成）、CTP（電芯集成到電池包）、MTC（模組集成到底盤）、CTB（電芯集成到車身）和CTC（電芯集成到底盤）等。CTX方案的選擇原則取決于整車設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)：在車輛性能層面上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注空間利用率、Z向空間、底盤拓展性以及零件減少量等；在產(chǎn)品制造層面上應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注可制造性（包括電芯及電池包的要求）和制造成本等；在用戶使用層面上則應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注續(xù)航里程和可維修性等。每個(gè)方案的優(yōu)劣勢(shì)各不相同，并無絕對(duì)的最佳方案，只有相對(duì)的最優(yōu)選擇。不同的企業(yè)應(yīng)基于自身的產(chǎn)品定位和關(guān)鍵能力來選擇不同的CTX方案，以有效平衡上述關(guān)注重點(diǎn)要素。
CTX的各種技術(shù)方案對(duì)企業(yè)是否充分掌握了電池、車輛結(jié)構(gòu)以及工藝創(chuàng)新能力提出了全新的挑戰(zhàn)。不同方案的特殊性、工作要點(diǎn)以及能力需求決定了其應(yīng)有不同的主導(dǎo)方和業(yè)務(wù)分工。蓋斯特對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和梳理，具體結(jié)果如圖7所示。
圖7 CTX不同集成方案的要點(diǎn)、需求與產(chǎn)業(yè)分工
從圖7中我們可以看到，在C方面，電池品質(zhì)管理、電芯研發(fā)、封裝與排布設(shè)計(jì)、整體結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)等是CTX的共性訴求與基礎(chǔ)能力；而在T和X方面，每種方案各有不同的內(nèi)涵和要點(diǎn)，其中，掌握車身、底盤的集成設(shè)計(jì)開發(fā)能力是發(fā)展CTB和CTC的必備條件。由此可知，CMP、CTP、MTC、CTB和CTC應(yīng)分別由車企、電池企業(yè)、車企、掌握電池研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)的車企以及掌握電池和底盤設(shè)計(jì)能力的企業(yè)來主導(dǎo)，并與其他相關(guān)企業(yè)進(jìn)行相應(yīng)的分工。
通過這些分析，蓋斯特得出以下結(jié)論：不懂電池的企業(yè)將很難把電池與車輛集成的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新做到位；而不懂整車的企業(yè)也無法充分發(fā)揮電池的最大潛力。集成度越高的CTX方案，就越要求相關(guān)企業(yè)既懂電池、又懂整車。顯然，同時(shí)兼?zhèn)潆姵睾驼嚰夹g(shù)能力是非常困難的，因此整車和電池企業(yè)之間既要有專業(yè)分工，更要有相互協(xié)同。唯有共同形成一個(gè)既懂電池、又懂整車的創(chuàng)新聯(lián)合體，CTX才能選得對(duì)、做得好。
四、總結(jié)
最后，蓋斯特對(duì)車用動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢(shì)簡(jiǎn)要總結(jié)如下：
第一，動(dòng)力電池技術(shù)尚未收斂，多種技術(shù)路線并存的局面還會(huì)持續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
第二，磷酸鐵鋰電池在性能上，優(yōu)化方向主要是高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和耐低溫性能等；在應(yīng)用上，受車用和儲(chǔ)能雙輪驅(qū)動(dòng)，其中車端需求預(yù)計(jì)在2028年前后達(dá)到峰值，不過儲(chǔ)能需求將繼續(xù)支撐其增長(zhǎng)至2035年甚至更長(zhǎng)時(shí)間；在發(fā)展上，隨著中國產(chǎn)能的過剩，采取出海戰(zhàn)略即向國外導(dǎo)入磷酸鐵鋰電池是重要機(jī)遇。
第三，三元鋰電池在性能上，優(yōu)化方向主要是高能量密度、高安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命（高鎳、單晶、高電壓）等，總體上還有很大的開發(fā)潛力；在應(yīng)用上，主要集中在車端使用，預(yù)計(jì)未來15年仍將是中高端車型上的主流電池。
第四，半固態(tài)電池主要使用氧化物作為電解質(zhì)材料。雖然相對(duì)傳統(tǒng)電池會(huì)有部分性能指標(biāo)的提升，但不具有顛覆性，同時(shí)也有短板。預(yù)計(jì)未來會(huì)率先在B級(jí)以上的高端車型上得到嘗試性應(yīng)用；而其進(jìn)一步發(fā)展有待時(shí)機(jī)，特別是全固態(tài)電池的發(fā)展進(jìn)程將直接影響半固態(tài)電池的應(yīng)用空間。
第五，全固態(tài)電池主要使用硫化物和鹵化物作為電解質(zhì)材料。相對(duì)于現(xiàn)有的動(dòng)力電池，其性能具有明顯優(yōu)勢(shì)并將逐步釋放。不過當(dāng)前全固態(tài)電池面臨的量產(chǎn)挑戰(zhàn)依然很大，特別是在規(guī)模制造技術(shù)和成本控制等方面。預(yù)計(jì)其真正開始規(guī)?；纳虡I(yè)應(yīng)用要到2030年之后。但作為具有戰(zhàn)略意義的未來主流電池選項(xiàng)，企業(yè)必須對(duì)其發(fā)展高度關(guān)注、前瞻布局和持續(xù)投入。
第六，鈉離子電池?cái)[脫了資源受限的問題，這使其在產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略上成為必須發(fā)展的方向之一。鈉電池由于低能量密度、低成本的特點(diǎn)，主要適用于儲(chǔ)能和低端電動(dòng)車場(chǎng)景。預(yù)計(jì)到2025年之后，鈉電池將開始展現(xiàn)出量產(chǎn)后的成本優(yōu)勢(shì)，并逐步進(jìn)入快速推廣階段。
第七，碳酸鋰的價(jià)格對(duì)不同種類電池的成本有不同的影響，其程度取決于電池中的鋰含量，按從大到小的排序?yàn)槿虘B(tài)電池、三元鋰電池/半固態(tài)電池、磷酸鐵鋰電池。預(yù)計(jì)碳酸鋰的長(zhǎng)期價(jià)格會(huì)穩(wěn)定在相對(duì)合理的空間，不過其高低浮動(dòng)仍會(huì)顯著影響全固態(tài)電池、鈉電池等的推廣進(jìn)程和應(yīng)用空間。
第八，電池與整車的集成創(chuàng)新，將會(huì)重新定義電池與車身、底盤的關(guān)系，并由此產(chǎn)生多種不同的CTX方案。各種方案沒有絕對(duì)的優(yōu)劣之分，企業(yè)應(yīng)根據(jù)自身定位和能力，選擇最適合的方案，并進(jìn)行相應(yīng)的分工協(xié)作。
