一、車用動(dòng)力電池發(fā)展的主要問題與總體認(rèn)識(shí)
1.動(dòng)力電池發(fā)展仍然存在不確定性
當(dāng)前，電動(dòng)化已成為汽車產(chǎn)業(yè)不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。而車用電池作為影響電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一，其發(fā)展仍存在一定的不確定性。這其中既有科學(xué)問題，也有產(chǎn)業(yè)應(yīng)用問題。
從科學(xué)的角度來看，車用電池技術(shù)目前尚未收斂：一方面，電池材料體系仍面臨多樣選擇，主要包括磷酸系電池、三元系電池、鈉電池、無鈷電池以及固態(tài)電池等，其下又可細(xì)分為磷酸鐵鋰電池、磷酸錳鐵鋰電池，三元5系電池、三元8系電池，半固態(tài)電池、全固態(tài)電池等。另一方面，電池技術(shù)及工藝的開發(fā)，包括電池性能潛力的可開發(fā)程度、關(guān)鍵的時(shí)間節(jié)點(diǎn)、電池與整車集成趨勢下的創(chuàng)新方向等，也存在不確定性。
從應(yīng)用的角度來看，電池還涉及到多種不同應(yīng)用場景的選擇，以及對這些場景潛力的判斷：例如，不同材料體系的電池是適用于儲(chǔ)能，還是適用于車輛動(dòng)力系統(tǒng)？是適用于低端車型、中端車型，還是高端車型？又如，某種電池在各種特定場景下的應(yīng)用狀況，有無替代性的競爭電池，市場空間的大小以及市場爆發(fā)和飽和的時(shí)間點(diǎn)，產(chǎn)能布局和建設(shè)的情況，等等。
顯然，上述問題對于企業(yè)在電動(dòng)化方向上進(jìn)行戰(zhàn)略決策及保持戰(zhàn)略定力至關(guān)重要，并將直接影響汽車產(chǎn)品的研發(fā)周期、成本乃至綜合競爭力。為此，蓋斯特基于長期持續(xù)的深入研究，結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最新實(shí)踐，對主流動(dòng)力電池當(dāng)前的現(xiàn)狀及未來的趨勢進(jìn)行了研判。特將觀點(diǎn)分享如下，供行業(yè)同仁參考。
2.動(dòng)力電池的創(chuàng)新發(fā)展仍有很大空間
動(dòng)力電池的創(chuàng)新主要涉及材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和裝備創(chuàng)新等。其中，材料創(chuàng)新是根本因素，工藝結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、電池與整車集成創(chuàng)新是重要因素，裝備創(chuàng)新則是支撐因素。這些創(chuàng)新既有各自的獨(dú)立性，又彼此影響、密切相關(guān)。四個(gè)創(chuàng)新領(lǐng)域的不斷拓展，特別是“四合一”的協(xié)同創(chuàng)新，將是今后動(dòng)力電池優(yōu)化的主要方向。參見圖1。
圖1車用動(dòng)力電池的創(chuàng)新方向與相互關(guān)系
具體來說，首先，材料創(chuàng)新深度影響結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。動(dòng)力電池需要基于材料的固有特性，有針對性地設(shè)計(jì)適配的封裝、集成形式。同時(shí)，結(jié)構(gòu)創(chuàng)新也會(huì)反向推動(dòng)材料創(chuàng)新。例如，高集成化、結(jié)構(gòu)極簡化等結(jié)構(gòu)創(chuàng)新要求電池材料進(jìn)行摻雜、包覆等改良性創(chuàng)新，以更適配于結(jié)構(gòu)。其次，電池與整車的集成創(chuàng)新對電池材料和結(jié)構(gòu)提出更高、更多的創(chuàng)新要求。最后，電池材料、結(jié)構(gòu)和集成創(chuàng)新都會(huì)對裝備提出創(chuàng)新要求。如果沒有裝備的支撐，再先進(jìn)的電池設(shè)計(jì)方案也很難落地。
總體而言，動(dòng)力電池創(chuàng)新仍有很大的發(fā)展空間，而不同材料體系的電池創(chuàng)新各有不同的側(cè)重點(diǎn)，這將帶來磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、半固態(tài)電池、全固態(tài)電池以及鈉離子電池等不同的應(yīng)用前景。下面逐一進(jìn)行分析。
二、不同材料體系電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢判斷
1.磷酸鐵鋰電池
蓋斯特判斷：磷酸鐵鋰電池的近期發(fā)展及未來潛力均會(huì)超出預(yù)期。得益于其高安全、低成本及性能提升潛力，磷酸鐵鋰電池在今后10年仍將占據(jù)主導(dǎo)地位。
一方面，磷酸鐵鋰電池具有低成本、長壽命、產(chǎn)業(yè)鏈成熟等突出優(yōu)勢。低成本和長壽命的特點(diǎn)，決定了磷酸鐵鋰電池更適用于儲(chǔ)能；同時(shí)產(chǎn)業(yè)鏈成熟，又進(jìn)一步增強(qiáng)了其相對于其他儲(chǔ)能技術(shù)的競爭力。不過磷酸鐵鋰電池的安全性與其儲(chǔ)存的總能量成反比，目前大容量磷酸鐵鋰電池的安全性還面臨一定挑戰(zhàn)，這是未來需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。另一方面，磷酸鐵鋰電池也有能量密度較低、快充性能和低溫性能較差等劣勢，導(dǎo)致其在車端應(yīng)用存在局限，只能作為中低端車型的主流選項(xiàng)。
當(dāng)前磷酸鐵鋰電池以車端應(yīng)用為主，且呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，2020-2023年磷酸鐵鋰電池在汽車市場上的占有率分別為36%、51%、55.6%、67%；同時(shí)儲(chǔ)能應(yīng)用尚處于示范階段，多個(gè)省份陸續(xù)發(fā)布了示范項(xiàng)目，不過儲(chǔ)能應(yīng)用的長期潛力是非常巨大的。需要注意的是，隨著產(chǎn)能的迅速攀升，近期磷酸鐵鋰電池或?qū)⒊霈F(xiàn)日益嚴(yán)重的產(chǎn)能過剩問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)到2023年底，磷酸鐵鋰正極材料的產(chǎn)能達(dá)到349萬噸，支撐著約1500GWh的電池產(chǎn)能，遠(yuǎn)超實(shí)際需求。
對于企業(yè)來說，必須從自身產(chǎn)品的市場定位和特性需求出發(fā)，進(jìn)行磷酸鐵鋰電池的技術(shù)開發(fā)。如果是用于商用車或者儲(chǔ)能，應(yīng)著力研發(fā)長循環(huán)壽命的磷酸鐵鋰電池；而如果是用于乘用車，那循環(huán)壽命夠用即可，更多地應(yīng)考慮如何提升磷酸鐵鋰電池的能量密度。
展望未來，預(yù)計(jì)磷酸鐵鋰電池將基于場景需求驅(qū)動(dòng)，在以下幾個(gè)主要方向上進(jìn)一步優(yōu)化：一是提升能量密度。通過負(fù)極引入硅氧，其能量密度可提升10%左右；通過正極摻雜錳元素，其能量密度理論上可提升20%左右，實(shí)際上也可提升10%以上。由于能量密度的提升會(huì)帶來循環(huán)壽命的下降，因此這方面的優(yōu)化主要面向車用場景。二是提高循環(huán)壽命。如果不追求更高的能量密度，磷酸鐵鋰電池相對容易實(shí)現(xiàn)1萬次以上的循環(huán)壽命。這方面的優(yōu)化主要面向儲(chǔ)能場景。三是提升耐低溫性能，通過電解液改進(jìn)等類似的小優(yōu)化持續(xù)進(jìn)步，可實(shí)現(xiàn)在-20℃下放電容量保持率達(dá)到85%甚至更高。
綜上，磷酸鐵鋰電池的性能特點(diǎn)及成本優(yōu)勢決定了其在近中期的車用/儲(chǔ)能市場上均有較大的應(yīng)用空間。蓋斯特對磷酸鐵鋰電池市場空間的預(yù)測見圖2。
圖2磷酸鐵鋰電池的市場空間預(yù)測
如圖2所示，在可預(yù)期的未來，磷酸鐵鋰電池在車用和儲(chǔ)能雙輪驅(qū)動(dòng)下，市場空間將持續(xù)擴(kuò)大。車用方面，2030年前磷酸鐵鋰電池都將處于主流地位，不過市場占有率會(huì)先升后降，中期的替代可能來自于磷酸錳鐵鋰電池，而長期的替代將來自于三元鋰電池。儲(chǔ)能方面，2030年前磷酸鐵鋰電池會(huì)有較大的發(fā)展機(jī)會(huì)，之后將面臨日益加劇的多元儲(chǔ)能方式競爭。其中，退役電池的數(shù)量正快速激增，有望在儲(chǔ)能場景得到應(yīng)用；同時(shí)鈉電池約在2025年、V2G（車輛與電網(wǎng)互動(dòng)）約在2030年、氫能約在2035年開始，將對儲(chǔ)能市場格局產(chǎn)生較大影響。此外，海外市場也是磷酸鐵鋰電池的重要機(jī)遇，且目前正處于有利時(shí)期。因?yàn)橹袊髽I(yè)已有成熟經(jīng)驗(yàn)（包括技術(shù)、工藝、裝備、設(shè)計(jì)等），再加上中國電動(dòng)車的加快出海，預(yù)計(jì)磷酸鐵鋰電池在海外市場將迅速進(jìn)入爆發(fā)期。
2.三元鋰電池
蓋斯特判斷：三元鋰電池雖然目前的發(fā)展速度低于預(yù)期，但是后續(xù)潛力很大。憑借其能量密度、快充性能等優(yōu)勢，三元鋰電池將是今后15年中高端車型上的主流選項(xiàng)。
一方面，三元鋰電池在能量密度、快充性能和低溫性能等方面具有優(yōu)勢。例如，其單體能量密度可達(dá)300Wh/kg以上，極限可做到500Wh/kg，遠(yuǎn)超磷酸鐵鋰電池；又如，三元鋰電池正在開發(fā)可支持6C甚至8C超快充（C為電池充放電倍率，等于充放電電流/額定容量）的高倍率充電，而磷酸鐵鋰電池通常只能做到1.5C左右，即使領(lǐng)先的產(chǎn)品，目前也僅做到4C，快充速度相差很大。另一方面，三元鋰電池在成本、安全性、循環(huán)壽命及資源依賴等方面仍有劣勢。例如，三元鋰電池能量密度的提升將帶來其安全性挑戰(zhàn)的升級(jí)；又如，鋰、鈷等主要材料的價(jià)格波動(dòng)會(huì)影響三元鋰電池的成本。針對這些問題，三元鋰電池正向單晶化、高壓化、高鎳化的方向發(fā)展，同時(shí)回收技術(shù)也日益受到重視。
當(dāng)前，三元鋰電池在中高端車型上占據(jù)絕對核心地位，盡管裝車占比有所下降，不過得益于新能源汽車的高速增長，絕對數(shù)量仍在提升。當(dāng)然，三元鋰電池的市場空間主要集中在車用，因?yàn)槠涫苎h(huán)壽命和成本的限制，不太適合儲(chǔ)能應(yīng)用；同時(shí)在消費(fèi)電子領(lǐng)域雖有一定優(yōu)勢，但總體上需求有限。此外，三元鋰電池的產(chǎn)能存在結(jié)構(gòu)性過剩，即總體產(chǎn)能過剩，而高端產(chǎn)能仍然不足。預(yù)計(jì)到2025年，三元正極材料的產(chǎn)能可達(dá)200萬噸，足以支撐1150GWh的電池產(chǎn)能；但在高安全、高品質(zhì)管控、高能量密度的高端電池市場上，還會(huì)有較大的缺口。
對于企業(yè)來說，要充分認(rèn)識(shí)到三元鋰電池較大的開發(fā)潛力，尤其應(yīng)著力做好正負(fù)極的潛力挖掘與電池的安全管控，同時(shí)也應(yīng)加快推進(jìn)材料回收，以降低電池成本并減少對資源的依賴。
展望未來，預(yù)計(jì)三元鋰電池將向更高能量密度、更高安全性以及提高循環(huán)壽命、降低成本等方向發(fā)展。其中，在能量密度方面，5系電池中鎳高壓化后可達(dá)到8系電池水平，且有成本優(yōu)勢，短期內(nèi)有一定的競爭力；長期來看，則需在超高鎳正極（增鎳降鈷）和硅碳負(fù)極（增硅）等方面持續(xù)優(yōu)化。在此過程中，所需的主要技術(shù)支撐，一是降低電解液中液體含量，這就需要實(shí)現(xiàn)材料改進(jìn)、電極設(shè)計(jì)優(yōu)化以及制造升級(jí)；二是攻關(guān)復(fù)雜性越來越高的安全技術(shù)，特別是與電動(dòng)汽車的熱管理有效結(jié)合。在成本方面，需從產(chǎn)業(yè)鏈布局和模式創(chuàng)新等維度入手來降低成本，而做好回收與電池成本息息相關(guān)，直接關(guān)乎未來產(chǎn)品的核心競爭力，應(yīng)成為企業(yè)關(guān)鍵性的長期戰(zhàn)略。
綜上，由于三元鋰電池的開發(fā)潛力大，同時(shí)其他替代性電池的量產(chǎn)應(yīng)用尚待時(shí)日，所以，三元鋰電池雖然近期市場份額有所下降，但中長期的發(fā)展前景仍然值得期待。蓋斯特對三元鋰電池市場空間的預(yù)測見圖3。
圖3三元鋰電池的市場空間預(yù)測
如圖3所示，在可預(yù)期的未來，三元鋰電池將有很大的增長空間，而當(dāng)前痛點(diǎn)的解決將推動(dòng)其得到更廣泛的應(yīng)用。從時(shí)間上看，未來15年三元鋰電池都將是主流的車用電池，且市場占有率會(huì)逐漸回升。其原因有二：一是全新材料體系的全固態(tài)電池具有充分替代三元鋰電池的可能性，但這種替代將是工業(yè)體系的替代，涉及到產(chǎn)業(yè)鏈配套、產(chǎn)能調(diào)整、政策支持（屆時(shí)很難再有針對動(dòng)力電池的補(bǔ)貼等激勵(lì)政策）以及成本控制等一系列關(guān)鍵問題，因此這注定需要很長的時(shí)間跨度，不可能一蹴而就；二是相對于磷酸鐵鋰電池，三元鋰電池在快充、低溫和能耗等方面的性能優(yōu)勢是機(jī)理性的，不會(huì)改變，而其安全性可以持續(xù)提升，成本劣勢也有望不斷改善，這將使三元鋰電池的應(yīng)用車型逐步下沉，在更多的中端車型上得到使用。而從區(qū)域上看，通過技術(shù)合作、本地化生產(chǎn)、投資并購等方式，三元鋰電池也有出海機(jī)遇，近期應(yīng)以歐洲為主，酌情探索亞洲、北美地區(qū)。
3.半固態(tài)電池
蓋斯特判斷：半固態(tài)電池的潛力有限，其發(fā)展恐將不及預(yù)期。這是因?yàn)榘牍虘B(tài)電池仍處在傳統(tǒng)鋰離子電池的范疇，屬于技術(shù)改進(jìn)性質(zhì)，并不具有顛覆性。
由于全固態(tài)電池面臨量產(chǎn)難題，未來發(fā)展存在不確定性，同時(shí)高能量密度的液態(tài)電池存在安全性問題，所以才產(chǎn)生了半固態(tài)電池的發(fā)展需求。半固態(tài)電池并沒有改變現(xiàn)有電池的機(jī)理，只是致力于提供一種能量密度和安全性更高的改進(jìn)方案。為此，需要基于技術(shù)可行性和性能、安全訴求，選擇合適的電解質(zhì)?？蛇x的材料主要有氧化物和聚合物等，當(dāng)前氧化物電解質(zhì)是主流。
通過這樣的改進(jìn)，半固態(tài)電池的安全性和能量密度都會(huì)有所提升，當(dāng)然這并不會(huì)是顛覆性的突破。同時(shí)，其快充性能面臨挑戰(zhàn)，必須在技術(shù)和工藝方面進(jìn)一步創(chuàng)新。此外，還需克服相對于現(xiàn)有電池的成本劣勢，這種劣勢主要來自制造環(huán)節(jié)（工藝/裝備調(diào)整、涂布效率低、產(chǎn)線良品率低等）的成本增加。
在過去一段時(shí)間里，一些企業(yè)紛紛宣布開始量產(chǎn)半固態(tài)電池，因此可視為半固態(tài)電池投入應(yīng)用的開端。不過，后續(xù)系統(tǒng)及整車級(jí)的各種驗(yàn)證還有大量工作要做，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程還只是剛剛開啟。據(jù)調(diào)研統(tǒng)計(jì)，到2025年半固態(tài)電池的規(guī)劃產(chǎn)能有近100GWh，遠(yuǎn)期規(guī)劃產(chǎn)能大于200GWh。
對于企業(yè)來說，可以把半固態(tài)電池作為改進(jìn)三元電池的重要方案之一，但必須清楚，這種改進(jìn)方案并非一定必要，只是選項(xiàng)之一。
展望未來，半固態(tài)電池可能的應(yīng)用將率先在中高端以及特定場景的車型上實(shí)現(xiàn)，不過其發(fā)展需要一定的時(shí)機(jī)，從根本上講取決于全固態(tài)電池的發(fā)展進(jìn)程。具體來說，半固態(tài)電池的關(guān)鍵訴求是補(bǔ)齊短板，核心工作是做好各種性能的平衡和提升，主要發(fā)展方向包括：第一，采用相應(yīng)的正負(fù)極材料以提高能量密度，如正極使用超高鎳三元材料，負(fù)極使用高硅碳、含鋰復(fù)合材料。第二，挖掘快充性能潛力以及提高循環(huán)壽命與穩(wěn)定性，如設(shè)計(jì)新型電極材料、優(yōu)化電解質(zhì)材料和改進(jìn)界面工程等。第三，在規(guī)模化生產(chǎn)中降低成本，包括提高制造效率、提升良品率和擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模等，這部分的成本增量遠(yuǎn)超材料成本。
總體而言，半固態(tài)電池的需求與全固態(tài)電池的發(fā)展速度息息相關(guān)，全固態(tài)電池應(yīng)用得越快，半固態(tài)電池的空間就越有限。半固態(tài)電池的市場應(yīng)用有兩個(gè)關(guān)鍵拐點(diǎn)：拐點(diǎn)1是半固態(tài)電池的成本與液態(tài)電池基本持平之時(shí)，蓋斯特估計(jì)大約在2027年前后可以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)半固態(tài)電池在兼顧主要性能方面也會(huì)持續(xù)進(jìn)步。由此，半固態(tài)電池將由小批量裝車進(jìn)入到規(guī)?；慨a(chǎn)應(yīng)用的階段。拐點(diǎn)2是全固態(tài)電池開始規(guī)模化量產(chǎn)，兩者的成本大約在2035年左右有望持平。在此之后，半固態(tài)電池的市場空間將逐步被全固態(tài)電池所取代。實(shí)際上，目前磷酸鐵鋰、三元鋰電池基本可以滿足車用需求，半固態(tài)電池在常規(guī)場景下并無明顯優(yōu)勢。后續(xù)隨著成本和性能的優(yōu)化，半固態(tài)電池或可在B級(jí)以上的中高端車型上得到一定的應(yīng)用。因?yàn)檫@類車型的成本敏感度相對較低，同時(shí)一些注重技術(shù)領(lǐng)先的企業(yè)也可以將其作為打造品牌的一項(xiàng)技術(shù)加以宣傳和推廣。
蓋斯特判斷：全固態(tài)電池的發(fā)展?jié)摿薮螅瑢⑹菦Q定電動(dòng)化競爭下半場勝負(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，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：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爭優(yōu)勢，可能要到2030年之后才能進(jìn)入成長階段，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)比討論對方信息的真實(shí)程度更為重要。對于企業(yè)來說，一方面，要把全固態(tài)電池作為取得電動(dòng)車下半場競爭優(yōu)勢的重要技術(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)?；瘧?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)模化制造。其主要?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。蓋斯特對全固態(tài)電池發(fā)展重點(diǎn)及前景的預(yù)測見圖4。
圖4 全固態(tài)電池的發(fā)展重點(diǎn)和前景預(yù)測
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，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、攻關(guān)難度高，不過一旦突破就能取得明顯優(yōu)勢。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。
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，鈉電池的劣勢是能量密度偏低，其優(yōu)勢體現(xiàn)在成本以及安全性、快充性能、低溫性能。當(dāng)前鈉電池相對磷酸鐵鋰電池尚不具備成本優(yōu)勢。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、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刹煌瑘鼍暗男枨鬀Q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。蓋斯特對鈉電池市場的發(fā)展空間進(jìn)行了預(yù)測，具體見圖5。
圖5 鈉離子電池的市場空間預(yù)測
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)能場景；中長期，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)長的儲(chǔ)能場景下與磷酸鐵鋰電池展開競爭。
總體而言，對于鈉電池來說，儲(chǔ)能將是其主要的發(fā)展場景，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壽命之間的博弈與平衡，將決定二者各自的市場空間。蓋斯特認(rèn)為，鈉電池由于能量密度偏低，無法對鋰電池實(shí)現(xiàn)替代，只能成為其補(bǔ)充，而這種補(bǔ)充關(guān)系將對規(guī)范和穩(wěn)定鋰價(jià)發(fā)揮重要作用。
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空間，還會(huì)對不同材料的電池產(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。對此，蓋斯特的判斷如下：
第一，碳酸鋰價(jià)格波動(dòng)對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)鋰電池對碳酸鋰的需求量要大得多。
第二，碳酸鋰的長期價(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，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)，對各種電池的競爭力及市場空間影響巨大。蓋斯特經(jīng)測算后粗略估計(jì)：如果碳酸鋰的價(jià)格高于20萬元/噸，鈉離子電池對磷酸鐵鋰電池就會(huì)有成本優(yōu)勢，后期隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)成熟，這種優(yōu)勢會(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爭。
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)劣勢各不相同，并無絕對的最佳方案，只有相對的最優(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、做得好。
最后，蓋斯特對車用動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀和未來趨勢簡要總結(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)支撐其增長至2035年甚至更長時(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。相對于現(xiàn)有的動(dòng)力電池，其性能具有明顯優(yōu)勢并將逐步釋放。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，并逐步進(jìn)入快速推廣階段。
第七，碳酸鋰的價(jià)格對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)碳酸鋰的長期價(jià)格會(huì)穩(wěn)定在相對合理的空間，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。
4.全固態(tài)電池
5.鈉離子電池
6.碳酸鋰價(jià)格波動(dòng)的影響
三、電池與整車集成CTX方案的發(fā)展趨勢判斷
四、總結(jié)
