「電池技術競賽」,純電動車時代的狂潮前奏

作者 | 發布日期 2017 年 11 月 24 日 8:30 | 分類 電力儲存 , 電動車 , 電池 follow us in feedly

在特斯拉的推動下,純電動車的時代已「越來越近」──未來兩、三年,幾乎所有汽車品牌都有油電混合或純電動車上市。在這輪即將到來的大趨勢背後,電池毫無疑問扮演極重要的角色。一場規模宏大,圍繞著電動車電池及充電技術的競賽正在展開。



這場競賽或許沒有絕對的勝利者,但跑在前面的人無疑將在電動車浪潮中獲得重新洗牌汽車行業的機會,這對傳統汽車企業來說既是機遇也是挑戰。

不過,目前電動車的實際使用還有些不便利,例如,充滿電需較長時間,單次充電無法跑太遠。這些不便與電動車的電池直接相關。除電池外,充電站等基礎建設的支援和配合也非常關鍵。

CB-insights 上個月發表了一篇關於電動車電池的文章,盤點了當前創業公司和汽車製造商電池技術方面的進展,也反映出這場技術競賽的幾大核心點。

未來,5 分鐘完成充電?

現在,特斯拉、福斯、雪佛蘭和其他汽車製造商正以每台 3.5 萬美元或更低的價格出售電動車,電動車終於成為普通消費者負擔得起的商品。雖然價格降低,但仍有一些人猶豫是否要購買電動車,因電動車有行駛里程的限制。

考慮購買電動車時,消費者基本上都會問同樣的問題:

  1. 電池能跑多遠?
  2. 充電要充多久?

由於快速充電站並未普及,許多電動車都靠在家充電,這樣充電的缺點是:普通電動車(如福斯 eGolf),在家充電 26 小時之後,只能續航 125 英里(約 201 公里)行程。

但充電速度快、續航高的電池現在已呼之欲出,並有希望提高電動車的銷量。

保時捷、東芝和其他公司都在研發可在幾分鐘內完成充電,並可續航 200 多英里的電池技術。

▲ 保時捷表示,Mission E 的鋰離子電池 ③ 整合在車輛底部,不僅可以「降低重心」同時還可以實現「無線(感應)充電」。充電通訊埠位於左前擋泥板附近 ④。(Source:保時捷)

保時捷宣布,自己已擁有超越現在所有電動車的電池技術。

過長的充電時間,是電動車主不得不面對的問題,保時捷即將推出的電動車 Mission E,就將電動車充電時間降到可接受的範圍。

「15 分鐘充電時間可接受。電壓 800 伏特,這也可行。」保時捷電池電動車副總裁 Stefan Weckbach 博士說。

保時捷以 Mission E(將於 2019 年亮相)的電池效能做的承諾,體現這家跑車製造商想在高階電動車領域取代特斯拉的意圖:

  • 保時捷表示,Mission E 可在單次充滿電的情況下行駛超過 300 英里(約 483 公里),相當於售價 94 萬美元的 Tesla Model S P100D(335 英里,約 539 公里)。
  • 只要在 800 伏特電路進行 15 分鐘的「高速充電」(Turbo Charge),保時捷表示,Mission E 就可以再延駛 250 英里(401.5 公里)。

這聽起來不錯,但保時捷的 15 分鐘「高速充電」有一個非常大的缺陷:目前的電動車充電樁無法支援這種充電形式。

目前,世上僅有的幾個 800 伏充電樁(350 千瓦充電樁)在保時捷柏林新辦事處,這些充電樁是今年 7 月安裝的。

保時捷面臨的缺陷,也揭露了電壓範圍和充電樁分布將會影響電池研究和電動車普及率。

為了讓汽車製造商整合創業公司和成熟的科技公司(本文稍後討論)的新興電池技術,他們必須首先應付目前電動車充電面臨的這些問題。

▲ 保時捷柏林中心的兩個 800 伏充電樁之一。(Source:保時捷)

為什麼說現有的充電技術不「完美」?

事實上,目前電動車和其電池共有 3 種「等級」的充電方式:

第一等級(L1),用 110V~120V 的家庭插座充電,不管車輛或電池類型是什麼,這種等級的充電都最慢。L1 的電路每小時只能為電動汽車提供大約 2 千瓦電能。

第二等級(L2),用 220V~240V 的電源插座充電,一些國家的家庭用電電壓在這範圍,其餘國家可將這種電路安裝在家裡,美國有大約 1.6 萬個電動車充電站使用這種電路。第二級充電通常每小時為電動汽車提供約 6.6 千瓦電能。

第三等級(L3),即「快速充電」,需要在直流快速充電(DCFC,DC Fast Charging)站進行,大部分這種充電站都配有 400V~480V 電路。目前的快速充電技術能以每小時 50kW 或更高功率充電。

鑑於美國道路充電站的數量限制,電池驅動的電動車輛的車主不得不在長途旅行時進行大量計算(和規劃路線):不僅要考慮目的地有多遠,還要考慮會花多少時間充電。

舉個例子,如果從紐約開福斯 eGolf 到華盛頓特區(363.9 公里):

  • 如果在家庭車庫用 26 小時將車充滿電,eGolf 的車主可行駛大約一半的路程(201 公里)。
  • 如果 eGolf 車主途中停在 L2 充電器,則需要近 5 個小時充電才能繼續下一段行程;如果使用第三級充電器,則只要大約半小時。
  • 雖然專家建議電動車充電時,電池不應完全充滿,充到 80% 更有利電池壽命,但這會導致車主需要充兩次電,才能完成這趟旅程。

所以,降低充電時間的關鍵是不是將 DCFC 站的快速充電電壓提高一倍,並在公路旁安裝更多充電泵?

不完全是。

市場上幾乎所有電動車都可在第一級和第三級電路充電,但並不是所有電動車都支援 400V / 50kW 甚至更快的「快速充電」。

如果沒有適當的控制,快速充電器會產生更多熱量,透過充電介面傳導的熱量會損壞車子的發動機。支援快速充電的裝置製造成本非常高,所以低成本的電動汽車通常不相容快速充電方案。

但技術的進展有望讓更多人買得起可快速充電的電動車。

例如,根據 Innovative Vehicle Institute 的報告,最新的雪佛蘭 Bolt EV 車型的電池可支援最高每小時 55kW 充電功率。

其他低成本電動車,現在也可以購買快速充電功能升級,因此到 2019 年,Mission E 可能就不是唯一支援 800V / 350kW 充電的高階電動車型了。

▲ Bolt EV 的電池。(Source:雪佛蘭)

電壓高一點,再高一點

未來,電動汽車充電效率將會越來越高。

  • 特斯拉的超級充電樁每小時可提供 120~150 千瓦電能,是目前最強大的充電器(Elon Musk 還曾推文暗示,未來充電樁的充電效率可能會大於 150 千瓦每小時)。特斯拉計劃 2018 年增加 1.8 萬個充電樁,但是這些充電樁只有特斯拉車主能用,其他的電動車主無法用。
  • 在歐洲,到 2020 年,許多汽車巨頭(BMW、戴姆勒、福斯、保時捷和福特)將聯手在全歐洲範圍建設每小時 800 伏/350 千瓦的充電器。保時捷表示,計劃在歐洲的主要高速公路建設約 1 千個充電站。

Chargepoint 是一家在美國營運超過 3.3 萬個第二級充電樁的創業公司。最近,Chargepoint 開始提供加油站業主 Express Plus 充電樁。ChargePoint 表示,Express Plus 每小時可為電動車提供高達「400kW」電能。

▲ Chargepoint 的 Express Plus 充電樁。

有多少加油站主會接受 Chargepoint 的 Express Plus 產品,還需等待時間考驗。但目前,美國只有 1.6 萬個二級電動車充電站,想使用 800V / 350kW 的快速充電技術,或許還要等上幾年。

與此同時,許多其他電動汽車電池的創業公司正在崛起。

創業公司與傳統車企的電池「角力」

汽車製造商並不是唯一致力於提高電池能力的勢力。

技術公司也在這方面創新,他們想把自己的系統賣給汽車公司,以便為消費者提供更多充電選擇和更快的充電技術。

隨著科技公司的創新,鋰離子電池的弱點正在被克服(這些電池一直以來都是電動汽車的首選,但其充電容量和續航能力還有很大的提升空間)。

StoreDot 是一家以色列納米技術創業公司,2017 年 5 月首次展示「閃充電池」(FlashBattery)技術,有望在短短 5 分鐘內為電動車充電,讓車最高可達 300 英里(483 公里)行程(具體取決於電動車耗能水準)。

身為一家奈米技術公司,StoreDot 專注於使用新型有機化合物代替鋰離子電池中的化學物質。StoreDot 除了提供超快速充電,還表示電動車閃充電池有以下特點:

  • 比標準的鋰離子電池更環保、具環保製程。
  • 含有比鋰離子中「高溫下更不易燃且更穩定」的材料。
  • 比現有電動車電池的預期價格更有競爭力。

該公司預計 3 年內讓這款電池上市。

與此同時,東芝、三星等成熟的科技巨頭也在各自創新中研究對抗鋰電池弱點的方法。

東芝 2008 年首次推出可充電電池技術,稱為 SCiB;原來的 SCiB 型號採用鋰鈦氧化物做原電池陽極材料,與傳統的鋰離子電池相比,東芝稱 SCiB 比起傳統電池, 「安全性高,發熱少,充電快、輸出和輸出功率大、容量也大」。

最初 SCiB 在電動車及有軌電車、電梯、發電廠等工業和基礎設施應用得到廣泛應用。SCiB 的優點之一是內部短路引起的燃燒風險非常低,例如過度充電導致的短路。

現在,東芝已發表新一代 SCiB,陽極材料是鈦鈮氧化物。

東芝表示,使用新型氧化物材料保留了現有 SCiB 模型的優點,「不論寒冷條件下充電還是快速充電,鋰金屬沉積的可能性都小得多」,這種沉積會導致電池效能退化。

東芝還表示,新的 SCiB 電池中,也開發了一種「更有效儲存鋰離子」的方法,提高電力和電池使用壽命:即使經過 5 千次充電,新的 SCiB 還能儲蓄 90% 電池容量。

東芝還表示,新款 SCiB 經過第三級充電 6 分鐘後,可供電動汽車行駛近 200 英里(約 322 公里)。東芝公司企業研發中心主任 Osamu Hori 博士表示,該公司對下世代 SCiB 的潛力感到「非常興奮」,並補充:

這不是一個漸進式的改進,這是一個改變遊戲規則的進步,這將會對電動車的續航里程和效能產生重大影響。我們將繼續提高電池的效能,並力爭在 2019 財年實現下世代 SCiB 的實際應用。

三星電子於 2017 年 9 月在法蘭克福車展推出的新電池,支援的續航里程甚至超過 200 英里。三星表示,新型「多功能電池組」可支援電動車高達 430 英里的續航。

▲ 三星在法蘭克福車展推出的新電池。

迄今為止,三星對「21700」電池組的細節仍閉口不言,該公司沒有討論電池化學組成,也沒有說具體的充電時間。

儘管缺乏細節,專家已注意到,三星多功能電池組與 Tesla 的 3.5 萬美元 Model 3 使用的小型圓柱形電池有相似之處(特斯拉稱為 2170)。

特斯拉 2170 電池根據 21×70 公厘的大小命名,比幾十年來一直使用的「18650」結構鋰離子體積更大。

馬斯克(Elon Musk)說,特斯拉的 2170 電池是「世界上能量密度最高的電池,也是最便宜的。」2170 電池的成本降低對價格相較低廉、市場需求又較高的 Model 3 來說至關重要。

如果我們拿三星數字來看,特斯拉 Model 3 電池與三星 21700 電池的續航還有一定距離。配備 2170 的 Model 3 預計充滿電後只能維持約 215 英里續航,相當於三星 21700 多功能電池組承諾里程的一半。

但就像特斯拉在電動車其他領域一樣,特斯拉仍然在 2170 電池創新面占上風。

當三星確定要在 2021 年量產新型多功能產品時,特斯拉和松下已在內華達州的「超級工廠」(Gigafactory)製造 2170 電池了,特斯拉也在這裡製造太陽能電池板。

點燃電動車革命

以電池驅動的電動車是交通運輸的未來,消費者也有越來越高的興趣:儘管受充電時間長和充電樁數量少的限制,2016 年美國電動車的銷量與同期相比還是增長了 37%。

隨著大功率電池的生產難度降低(且在低成本電動車部署成本更低),除了特斯拉,我們將會看到更多公司將高壓充電器帶到大眾市場。

傳統汽車行業中,動力亦是關鍵,但不論燃料還是內燃發動機,都早已進化成熟,消費者和廠商關注的無非是發動機的規格、定位,以及少數經濟性表現。

相比汽車,電動車則是一片新天地。純電動車目前表現與消費者期望間的差距,是技術所需填補的空白,更是電動車價值體現的空間。究竟該如何讓電池成為真正驅動龐大公路交通的動力?如何讓電氣化真正走進汽車業?進而讓人類的公路交通方式再升級?這些疑問都有待解開。

未來誰最先掌握快速充電技術,誰能保證革命性的行駛里程,誰能提供最完美的行駛體驗,誰就是電動車龍頭。

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:保時捷

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