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新能源车的未来:下一代电池将花落谁家?

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一场全球性竞争

神译局是36氪旗下编译团队,关注科技、商业、职场、生活等领域,重点介绍国外的新技术、新观点、新风向。

编者按:随着电动汽车在全球多个市场份额比例不断增加,越来越多的汽车制造商都开始推出各种款型的电动汽车。除此之外,研发新一代电池技术的竞争也愈加激烈。这篇文章来自编译,文中介绍了汽车制造商纷纷在电池技术领域布局的发展趋势与现状。

新能源车的未来:下一代电池将花落谁家?

Factorial Energy工厂的工作人员正在测量电池的电压和电阻。图片来源:Tony Luong

在电动汽车电池制造方面,亚洲制造商已经遥遥领先。目前,美国汽车制造商及其供应商正竞相开发更具价格优势、容量更大、充电更快的新一代电动汽车电池。

随着内燃机时代逐渐走向衰落,用不了几年时间,市面上就会出现由各种电池驱动的电动汽车,玲琅满目,令人眼花缭乱。无论是对汽车制造商、小型电池制造初创企业,还是汽车消费者而言,这场全球性的竞争也必然会对经济的发展带来巨大的影响。

电池化学成分本属于工程师领域的一项技术科目,但现在却成为通用汽车(General Motors)、丰田(Toyota)、福特汽车(Ford Motor)和大众(Volkswagen)等汽车制造公司董事会会议上的热门议题之一,甚至连美国政府都非常关注这一问题。

在政府财政和技术的支持下,这些大型汽车公司也在欣然面对并接受试图研发新一代电池的初创企业的挑战,以免被电动汽车引领的新一轮工业革命所淘汰。

汽车制造商掌握电池技术的能力高低,将直接决定它们是繁荣发展,还是被特斯拉等新兴电动汽车制造商所代替。

电池将决定电动汽车新车出厂价,并可能成为电动汽车的标志性特征。就好比相机的数百万像素和计算机芯片的处理速度一样,汽车消费者只会更加关注电动汽车的电池,其具体特性就将成为消费者判别和购买电动汽车的衡量标准。

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图片来源:Kendrick Brinson

福特汽车首席产品及平台运营官唐浩泰(Hau Thai-Tang)说,“电动汽车所配置的电池将成为未来汽车品牌差异化的全新参考因素。因此,我们也在积极地研发电池技术。”

另外值得一提的是,由于电池技术也可以让汽车、卡车和电力行业不再依赖于石油、煤炭和天然气,因此,电池也将在缓解气候变化方面发挥核心作用。

由于电动汽车需求不断上涨,汽车制造商也在大力攻克电池化学问题,想方设法减少电池成本,提高电池性能。目前,在电动汽车制造总成本中,电池成本约占四分之一到三分之一,大多数电池都是由少部分亚洲企业生产制造的。

即便是电动汽车行业的主要制造商特斯拉,也依赖于亚洲供应商。目前,特斯拉也在寻求自主研发制造电动汽车电池。

前不久,美国总统拜登鼓励企业将更多电池供应链转移到美国境内。俄乌冲突凸显了这种倡导的战略意义。受冲突影响导致乌克兰西部的零部件供应出现问题,大众汽车被迫暂时关闭其在德国的主要电动汽车工厂。

包括 Stellantis 集团在内的多个汽车行业巨头都在与美国固态电池初创企业 Factorial Energy 等初创企业展开合作,共同开发电动汽车固态电池。 Factorial Energy 公司总部位于波士顿附近的小镇沃本(Woburn)的一个办公园区,员工规模不足 100 人。

译者注:Stellantis 集团是一家由标致雪铁龙集团(PSA)和菲亚特克莱斯勒集团(FCA)以 50:50 的股比合并而来的汽车制造商及出行方案提供者。

Factorial Energy 公司高管已经无暇接听能够为他们提供资金的汽车制造商的电话,转而将重点聚焦于研发充电更快、储能更大、并且不容易导致发热的电池。

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图片来源:Kendrick Brinson

Factorial Energy 公司联合创始人黄思宇(Siyu Huang)表示,“金钱乃身外之物。我们希望能够研发出最安全的电池,改变人们的生活方式。”据悉,她在康奈尔大学(Cornell University)读研究生时就已经开始针对电池技术展开大量实验。

拜登政府高级官员表示,他们认识到美国目前没有充分利用国内电池技术,并希望在这方面提供帮助。

美国能源部(The Energy Department)正考虑为生产电池或提供制造电池所需部件或关键矿物的企业提供补贴。根据有关机构的统计数据,美国能源部已经收到至少 10 份补贴申请,这些申请涉及的补贴金额共计超过 1500 万美元,申请企业都希望通过补贴来支持其电池相关的研发项目。

今年二月,美国交通部长皮特·布蒂吉格(Pete Buttigieg)表示,创新的失败对他的家乡印第安纳州北部工业城市南本德(South Bend)造成了巨大影响。这座城市曾是有数十年造车历史的斯图贝克汽车公司(Studebaker)所在地,该公司后来在上个世纪 60 年代倒闭。

“无论是在过去、现在还是未来,创新始终是汽车行业的核心所在。如今,美国有机会成为电动汽车革命的引领者。”布蒂吉格说。

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图片来源:Tony Luong

更便宜耐用的电池

在短期之内,我们能见证的最直接变化就是电池的构成元素。

目前,电动汽车所使用的大多数锂离子电池都依赖于镍、锰和钴,但特斯拉和福特汽车等汽车制造商正尝试在一部分车型上使用磷酸铁锂(LFP)电池,中国许多电动汽车制造商就在采用磷酸铁锂电池。

值得一提的是,每单位磷酸铁锂电池的储能相对较少,但它们的造价要便宜得多,寿命也更长。

特斯拉计划在续航时间较短、售价较低的电动汽车上使用磷酸铁锂电池。福特汽车也计划在其搭载全新电动汽车电池系统 Ion Boost Pro 的商用车上使用磷酸铁锂电池。

福特汽车高管唐浩泰提到:“快递配送可以使用搭载 Ion Boost Pro 电池系统的商用电动车,在一定地理位置范围内,水管工、电工、园林设计师等人士都可以使用这种电动车。”

唐浩泰表示,福特汽车正与韩国电池制造商 SK Innovation 合作制造电池,但他们希望能够将更多的制造环节保留在美国境内。“这也将减少一些地缘政治和物流成本方面的挑战。”唐浩泰说。

不过,磷酸铁锂电池并不是全能的解决方案。使用磷酸铁锂电池的特斯拉汽车每次充电后的续航里程只有约 270 英里(约 435 公里),而其他使用镍和钴等材料的电池,续航里程则能达到 358 英里(约 576 公里)。

此外,当温度下降至零度以下后,磷酸铁锂电池的能效都会受到一定的影响,而且充电所需时间也会更长。

新设计新成分

福特新推出的 F-150 电动皮卡尚未上市,但目前预售已经突破了 20 万辆。这款电动皮卡使用的电池也是由韩国 SK Innovation 公司制造,并且电池中的镍含量极高。

今年二月,特斯拉表示其已经为下一代 4680 型无极耳电池制造了 100 万块电池单元,特斯拉 Model Y 就已经搭载了 4680 型电池。据特斯拉CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)表示,独特的蜂窝状设计将使电池续航里程提升 16%。2020 年,他还说:“在这之前,一切都很难,但在这之后,一切都迎刃而解。”

通用汽车公司声称,其研发的 Ultium 电池所需的钴材料比雪佛兰(Chevrolet)Bolt 电动车搭载电池所需的钴材料少 70%,并且他们还在电池中添加了铝材料。该公司最近开始销售的 GMC 悍马皮卡,也是首款搭载 Ultium 电池的电动车。

通用汽车与韩国电池制造研发企业 LG Chem 合作,正在俄亥俄州洛兹敦(Lordstown)投资 23 亿美元,建设一座电池工厂。美国目前至少有 13 家在建大型电池工厂,这家工厂就是其中之一。

电池对汽车品牌推广而言愈显重要。例如,通用汽车就开始专门投放广告,宣传其全新的 Ultium 电池。这也是汽车制造商宣传其电池可靠性和安全性的一种方式。另外值得一提的是,通用汽车还不得不召回雪佛兰 Bolt 电动汽车,以解决可能会引发火灾的电池缺陷问题。

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橡树岭电池制造中心负责人伊利亚斯·贝尔哈鲁瓦克。图片来源:Kendrick Brinson

位于田纳西州的橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)是美国能源部下属的大型国家级实验室。该实验室一个由 25 名科学家组成的团队也希望进一步推动电池创新。

科学家们在传统电动汽车电池的基础上,研发出了一款还处于试验阶段的无钴电池。他们花费了数周时间对电池展开充放电实验,并测量其性能。

橡树岭电池制造中心(Oak Ridge Battery Manufacturing Center)负责人伊利亚斯·贝尔哈鲁瓦克(Ilias Belharouak)表示,该项目的目标是将电池成本降低一半,实现将电池续航里程提高至少 300 英里(约 480 公里)的目标,并争取将充电时间压缩至 15 分钟以内。(目前,电池充满电通常需要 30 分钟到 12 小时,具体取决于电动汽车和充电插座具体情况)。

美国能源部去年年底向七个国家级实验室拨付了两亿美元的补贴,橡树岭国家实验室的部分项目也享受了这一补贴的支持。三月初,美国能源部还举办了一场“虚拟推介会”。在会上,多个电池设计方都向科学家、政府官员和行业高管展示了其设计方案。

探索固态电池

Factorial Energy 公司以及固态电池公司 Solid Power 和 QuantumScape 等美国初创企业都在力图彻底改变电池的制造方式,而不仅仅是改变电池成分。

现有电池主要依靠液体作为电解质溶液。电解质在水溶液中能够电离,生成阳离子和阴离子,在电场作用下它们将向相反方向移动,形成电流,产生导电现象。相比之下,固态电池不存在液体电解质,因此,电池重量更轻,储存电量更多,充电速度也更快。固态电池也不易燃,因此,所需的冷却设备也更少。

目前,大多数主流汽车制造商都非常看好固态电池技术。

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图片来源:Tony Luong

大众汽车已经向总部位于加州圣何塞(San Jose)的科技公司QuantumScape投资一亿美元,共同建立一家合资公司,用来研究固态电池技术。宝马(BMW)和福特汽车也在向总部位于科罗拉多州路易斯维尔(Louisville)的固态电池企业 Solid Power 投资。另外,通用汽车也投资了锂金属动力电池企业 SES AI Corporation,这是从麻省理工学院剥离出来成立的公司,总部位于马萨诸塞州沃本(Woburn)。

但目前尚不清楚固态电池到底将于何时问世。Stellantis 集团曾称,其希望在 2026 年之前向消费者市场推出由固态电池驱动的电动汽车。但行业其他公司高管则表示,这项技术可能要到 2030 年左右才能广泛应用。

不管怎样,只在是要固态电池研发领域率先获得成功的汽车制造商,都将获得巨大优势。

Factorial Energy公司的黄思宇表示,她和合伙人亚历克斯·于(Alex Yu)经常通宵工作,希望尽快达到技术基准。

她说,自己小时候成长的地方空气污染明显,这一经历也在不断激励她。“我们创立公司的使命就是为无化石的未来而奋斗,这也是我终生奋斗的目标。”她说。

Factorial Energy公司已经获得梅赛德斯-奔驰(Mercedes-Benz)和现代汽车集团(Hyundai)的投资。该公司的终极目标是在世界各地建立电池工厂。考虑到该公司前不久刚搬进了更大的办公室,这也是一个雄心勃勃的目标。

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图片来源:Ford

在数不胜数的实验室里,身穿白大褂、表情严肃的研究人员正在对电池原型展开测试。

专注于收集锂离子电池领域信息的行业研究公司 Benchmark minerals Intelligence 首席运营官安德鲁·米勒(Andrew Miller)表示,尽管整个行业都表现出极度狂热的研发投入,但目前的现实问题是,我们可能难以满足制造新一代电池这一需求,因为在全球范围内,目前还难以开采和加工足够量的电池制造原材料,尤其是锂。

“考虑到汽车制造商对外公布的各种新车型,以及他们在未来三年的行动计划,我有一个很大的疑问,即他们的原材料到底从何而来?”米勒说。

译者:俊一

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