新能源汽车正不断打破传统供应链边界，以芯片、动力电池、软件等为代表的新汽车组件重要程度愈发凸显，这在引发汽车产业对相关技术与供给链条的更多战略思考同时，也同样对其提出更多挑战。如今这种挑战的难度正在升级，自2021年起持续的缺芯减产大潮尚未退去，电池金属原材料的价格又愈涨愈烈，令电动汽车的成本更加失控。
据IHS Markit调研，2021年下半年全球锂电池组均价上涨了约10%～20%。另据彭博新能源财经(Bloomberg NEF)数据，截至2021年底，全球锂电池组均价已经来到132美元/千瓦时高位。与此同时，由于2021年全球电动汽车销量同比增幅高达112%，规模超过了630万辆，整体供少求多的局面令各级电池金属原材料的涨势更为迅猛。基准矿物情报(Benchmark Mineral Intelligence)报告称，从2020年1月至2022年1月，电池级硫酸镍、钴、碳酸锂价格分别上涨了55%、119%和569%。电极材料方面，三元电池多见的含锂、钴、镍金属正极材料成本已经占据电池材料整体成本的50%。
长期以来，将电动汽车电池成本降至100美元/千瓦时一直被看作是具有里程碑意义的阶段发展目标。电池成本降到该数值以下，则意味着电动汽车包括生产成本在内都将会比燃油动力汽车更加划算，而非如今仅能限定在用车成本方面的比较。“但现在来看，我们正离这一目标愈发遥远。”基准矿物情报首席数据官卡斯帕·罗尔斯表示。在此局面下，动力电池利益各方在继续着手缓解供应链问题外，对动力电池技术革新也逐渐提上日程，更多尚处于实验室验证、存在规模化可能性的电池方案被摆上台前。

从结构升级
近期出现频率最高的新型电池技术，当属特斯拉发布的4680型无极耳电池。据称，相比传统锂电池设计，4680型电池具有更好的充放电峰值功率，其单体带电能力相当于当前主流的21700型电池5倍，并显著解决了高能量密度电芯的散热问题，续航能力则提高了16%。
虽然4680型电池依旧属于圆柱锂电池的范畴，但事实上其大电芯+全极耳+干电池的技术构成已对内部结构做出更多改变。而无极耳实则就是全极耳结构，4680型电池更大的接触面积令电流通路增加更多，并随着极耳间距的越短，实现了电池输出功率的升级。在成本方面，由于尺寸变大优势，4680型电池会降低壳体在单位电池容量上的占比，结构件和焊接数量也显著减少，使得电池综合成本得以降低14%。特斯拉还表示对这款电池的硅负极原材料进行重新设计，采取高弹性材料制成离子聚合物涂层，稳定硅表面结构，并使成本降低5%。
尽管工艺难度较大，但4680型电池已是现阶段最有望率先落地的新型电池。此前已结束的特斯拉电话会议已计划提前到2022Q1实现这款电池的量产，并开始着手电池产能布局，计划在2022年底达到100GWh的规模。同时，特斯拉的主要电池供应商松下表示，从产品研发方面来看，技术目标基本都已实现，显然已做好量产特斯拉4680型电池的准备。松下公司正在日本打造一条生产线并进行试产，待技术完备之后将迈向大规模量产环节。
对结构升级的另一亮点便是对电池包设计的改进。整车企业的动力电池方案多依托于专门的电动底盘平台进行配套，例如大众的MEB平台和福特的奥特能平台，设计方面多中规中矩，但如今对车型进行特定电池包设计的例子也已出现。
在2022国际消费类电子产品展（CES）上，奔驰旗下全新纯电动概念车VISION EQXX正式亮相。奔驰为这款车型设计了一个专用的100千瓦时电池包，总重量约为495千克。其与全新EQS的电池包相比，尺寸缩小50%，重量减轻30%，百公里能耗不足10千瓦时，单次充电续航超过1000公里。
最出人意料的是，EQXX这款电池包并未采用多见的液体冷却（加温）热管理方案，而是使用被动风冷技术，结合电池包本身具有的小通风口，通过汽车电池周围的气流和电池底部的散热板，来确保吸走电池包的温度。奔驰方面认为，液冷热管理方案的效果固然很好，但这也意味车上会有更多的液体、泵组和管道循环系统，而增加的重量又会损耗更多电池电量。EQXX采用的特定电池包结构设计和被动风冷电池技术，可以将电池中95%电能转换为车辆的动能，从而实现更好的能效表现。

替代材料在哪里
改善电池电芯和极板材料配比同样也是动力电池技术革新的一条主要路径。以如今主流锂电池类型之一的高镍三元为例，目前，在以高镍体系为共识的前提下，包括宁德时代、松下、LG新能源等国际动力电池主要供应商都在将低钴及无钴化电池作为下一代动力电池的研发方向。其中在低钴化发展方面，四元锂电池的研发进度要稍快一些。
相比NCM（镍钴锰）的正极三元材料搭配，四元电池正极材料引入第四种金属元素来减少钴元素的占比，以期实现成本更低、安全性能更好的探索。比如在高含量镍的三元基础上新增铝元素，将电池正极材料变为NCMA（镍钴锰铝），同时也将石墨负极新增一层硅碳层，形成了一种更为稳定的四元锂离子电池结构。
目前，由LG新能源研发的四元锂电池已进行少量生产，在其正极材料中，镍的比例高达90%，钴的比例则降至5%，使得电池成本显著降低。同时正极材料中铝的加入也抑制了钴元素不稳定杂质生成，切实提升了电池循环寿命。但由于四元锂电池技术还未完全成熟，以及量产工艺问题，致使这一低钴发展路线尚不明朗。
在无钴化发展方面，蜂巢能源的无钴电池则已实现量产配套，初步进入商业化阶段。据蜂巢能源消息，该电池无钴材料性能可以达到NCM811同等水平，电池材料成本会下降5-15%，这样电芯的整体综合成本可以降低5%，而且原材料的供应更加稳定、有保障。无钴化技术的关键在于电芯，通过掺杂未成对的电子自旋的特定元素，减弱电子超交换，减缓晶体在充放电过程的体积变化，最终提高循环寿命和安全性。
更多的电芯替代路线也正浮出水面。日内瓦大学晶体学实验室正在投入对钠离子电池的研究。从资源储量丰度考虑，钠相比目前为大多数设备和车辆提供动力的锂，更具可持续意义。但难题在于钠离子在传统电池的液态电解质中无法轻易移动，使其效率低于锂，研究过程中显然还需完成对固体电解质的同步开发。巴塞罗那材料科学研究所也有类似的电芯替代研究计划，该机构目前正在着手研制基于钙元素的原型电池。但这项计划也同样遇到电解液难题，研究人员正在尝试开发各种盐和溶剂的模型来克服这一障碍。

憧憬的终极方案
由于锂离子电池的开发潜力已近极限，以及在探索新型动力电池过程中遭遇了越来越多的电极材料不稳定、电解液传导效率等硬性难题，让固态电池成为令众人憧憬的未来终极解决方案。
从技术潜力角度来看,全固态锂电池能量密度提升更具理论可行性。首先，由于电压平台提升，固态电解质相比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口。其次，固态电解质具备阻隔锂枝晶生长的特性。而这两点均有利于进一步提升电池的能量密度。全固态锂电池当前能量密度约为400Wh/Kg,而预估最大潜力值高达900Wh/Kg，提升空间超过100%。另一方面，固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发的特点，令固态锂电池具有极高的安全性预期。这也意味着一旦全固态锂电池解决了金属锂稳定性差等问题，或将爆发出强大的产品替代力。
固态电池的良好发展预期正吸引着更多汽车企业入局其中。日产汽车计划在全固态电池领域投资1400亿日元（约78.4亿元人民币），并计划在2024财年在日本横滨建造试点工厂，到2028财年推出搭载全固态电池（ASSB）的电动车型。日产汽车公司首席执行官内田诚认为，全固态电池将改变游戏规则。本田技研则通过与电池研发公司SES合作，着力于锂金属二次电池（在负极使用锂金属，可以预期比锂离子电池具有更高的能量密度）的共同开发。在固态电池方面，本田技研已开始进行生产技术验证。
但固态电池的规模化应用还尚需时日。中国科学院院士欧阳明高认为，从电池产业可持续发展角度看，2030年之前还是锂离子电池（包括固液混合）处于绝对主导地位。第一代全固态电池产业化的时间点则可能在2030年左右出现。2035年之后，新一代固态电池，钾、镁、钠、锂-硫等各类电池才可能会大量进入市场。
注：本文首发于《汽车纵横》杂志2022年3月刊