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新能源汽车为何迟迟没有新电池成品问世?

时间:2017-05-04 来源:钛媒体 标签: 新能源汽车  新电池  

在今年的上海国际车展上,环保和智能成为一大亮点。新能源汽车不但成为了各大汽车厂商热议追捧的对象,更是代表了整个汽车行业发展的一个趋势。

 

新能源汽车为何迟迟没有新电池成品问世?

 

独立能源数据调查机构EIA的数据显示,最大的石油消耗国美国在2015年消耗了3.85亿加仑的石油,而大约45%的石油、90%的汽油由轻型交通工具消耗,如私家车、小型卡车、公共交通等。不难看出,车是日常能源消耗的超级大户,在能源有限、污染严重的今天,环保出行已是共识。

在2016年,中国新能源汽车市场增量瞩目,短短一年中新能源汽车销量超过50万辆,在汽车销量的占比达到1.8%,增速同比超过50%,保有量接近100万辆。中国新能源汽车年度销量占全球比重超过40%,排名第二的美国全年销量16万辆,新能源汽车销量占比约为0.9%。毫无疑问,中国已成为新能源汽车最大市场。

而在第二大市场美国,政府政策正在限制新能源汽车的需求。尽管现在新能源汽车产业展现出一片光明的前途,有越来越多的汽车巨头在加大对新能源汽车的投入,电池的价格也在跟着下降,但汽油也依旧价格低廉,许多州也在减少支持新能源汽车的政策补贴,如此也让电动车的吸引力大减。

与美国相反,许多如中国的新兴市场为新能源汽车提供大量支持,这也让美国在这一场新较量中失去优势。

中国消费者的需求非常现实,对新能源汽车在生活上的作用有非常清晰的定位。毕马威的调查数据显示,大多数消费者只会在日常通勤的使用场景中驾驶电动车,有70%的调查对象表示在工作日的时候平均需驾驶40公里的距离。

许多人相信电动车比使用内燃机的传统汽车更加经济实惠、环保。政府补贴也是消费者购买私家车时的重要考虑因素,特别是在人口众多、比较难拿到汽车牌照的大城市。但是,许多潜在电动车用户认为,与免费牌照等优惠政策相比,更低的保养费用以及环保价值显得更为重要。

然而,近十年来对新能源汽车的担忧依然存在。新能源汽车用户以及潜在用户都表示电动车的电池技术是他们主要担心的地方,不管是电池续航、充电速度,亦或是充电桩的分布,都是他们的考虑因素。大多数新能源汽车用户表示他们一般是在家里或者是工作地点自行充电。

超过75%的调查对象提到他们对新能源汽车的续航里程预期是350公里。在他们看来这才能满足他们的日常交通需求。在充电时间方面,53%的新能源汽车用户表示他们目前可以接受大概四小时的充电时间,还在观望的消费者则有73%能够接受四小时的充电时间。

其实,新能源汽车并不缺更好的电池技术,只是迟迟没有更好的电池成品。

我们有了更好的电池技术,但依然没有更好的电池

在去年,美国能源部门的高级能源研究机构负责人,艾伦·威廉斯,告诉《卫报》,“我们在电池技术方面获得了突破性的进展。”然而,直到现在真正高效、低成本的新型电池仍未出现在市场上,高端电动车型号价格仍谈不上亲民。

事实上,有数个初创公司已经接近开发出更经济、安全、稳定而且能量密度高的能量储存设备,这些设备储存能量的成本可低至每千瓦时100美元以下。

如此低廉的能量储存成本能够更好地帮助24小时新能源电力系统运行,让太阳能或者是风能发电站可以最大效率发电储存能量,这也就意味着新能源汽车的价格会进一步下降。

但吊诡的就是这些电池一直没有被商业化,完全跟不上我们新能源需求的节奏。即便是一向让人惊喜不断的特斯拉创始人埃隆·马斯克也不得不承认,目前电动车产业陷入了提高锂离子电池技术的迟缓进程,还没有出现质的提升。

许多研究者认为,在未来能量储存会有新的化学和物理形态,将超越锂离子电池这个称霸了消费性电子产品和电动车市场,以及电网规模的能量储存应用长达十年的技术。

SolidEnergy Systems 的创始人Qichao Hu就开发出了锂金属电池(采用金属阳极,传统电池使用石墨材料),可以大幅度提高能量储存密度。这个长达近十年的开发过程也展示出了电池技术开发的一大障碍。“对于电池类产品来说,从概念到产品这个过程是非常困难的,” Qichao Hu解释道。“因为即便是你改动很小的一块地方,其他所有的东西你也要跟着改。”

除此之外,能源储存的研究还有着一个很复杂的问题:相关的技术太多,从泡沫电池,到流体电池、甚至是其它化学形态的电池,都有各自独特的优点,并没有说哪一项技术受到更多的投资。

Lux Research的一项研究分析了能源储存环节上超过40亿美元的投资,结果显示下一代电池项目,如所谓超越锂离子电池的存在,在这8年来平均有4千万美元的投资。特斯拉在锂离子电池工厂Gigafactory上的投资达到了50亿美元。这资金上的差距是很难赶上的。

“开发一款新电池以及建一个相应的小规模电池生产线会耗费5亿美元”,加州大学伯里克里的材料科学教授戈尔德·赛德说到,戈尔德·赛德带领的团队负责研究新型电池的化学技术。他指出汽车厂商在做出任何电池采购决定之前,都需要经过好几年的测试。毕竟,当公司一年只有500万美元资金的时候,可不是随随便便就能投500万美元到生产上的。

即便是电池制造商研发出了新的电池技术并将其推向市场,他们也会发现其实很难找到买家并将其投入生产。

Leyden Energy和A123 Systems都开发出了潜力十足的新电池技术,但都在资金紧缺和需求降低的情况下失败了。另外两个初创公司,Seeo和Sakti3,在实现大规模生产和盈利之前也都被以低于投资者早期预期的价格收购。

同时,电池三巨头,三星、LG和松下,更多的是想要在现有的产品上做出改进,而不是开发新的电池技术。同时,致力于新电池技术的初创公司们也要面对一个它们不愿提起的现实:在70年代开发出来的锂离子电池,依然在变得更好。

更大、更好、更便宜?

在上文中我们提到有初创公司已经开发出了新的电池技术,其中一项重大新电池技术最早于2012年2月份在美国华盛顿特区的一场发布会上宣布。

研究人员、企业家和投资人都前来听如比尔·盖茨和比尔·克林顿这些名人阐述新能源技术的重要性。同时,这场发布会也是说动高级能源研究机构从而获得投资的机会。

美国能源部高级能源研究机构创立于2009年,一直承担着寻找潜在革命性研究的任务。高级能源研究机构的负责人阿伦·马宗达当时迫不及待地宣布了一项重大进展:一种由初创公司Envia开发、能量储存容量比传统电池高两倍的新电池。

据阿伦·马宗达介绍,续航里程能完成华盛顿到纽约旅途的电池,其成本会从30000美元降低到15000美元。这也意味着电动车的价格会更亲民实在。

在短短几个月的时间里,美国通用汽车公司就拿下了这个技术,并签署了协议支持技术的进一步发展,获得了使用所有电池成品的权力。这个交易本应让Envia获得几亿美元的资金,但Envia很快就收到了通用汽车公司工程师的抱怨。这些工程师抱怨道他们无法复制Envia的成果。在新技术宣布一年后,协议就黄了。Envia让人印象深刻的电池出师未捷身先死。

Envia的实例活生生地给我们展示了新电池技术为什么那么难以实现,以及初创公司在获得了足以改变世界的技术后所经历的困难。在过去的十年间,我们看了太多的突破性进展,但这些进步很大一部分来自于传统大公司量的积累。

Envia开发出的是一种新型锂离子电池。锂离子电池最早在70年代末发明,并在90年代被商业化。这些锂离子电池有两个电极,锂离子在两个电极之间穿梭,也就产生了电流。锂离子电池很轻,而且性能强大,让便携电子设备成为现实。但锂离子电池也只是在近期才应用在电动车上。

通用汽车公司的电动车EV-1在90年代使用的是廉价的铅酸电池。这种电池每个重达600kg,充满一次电的续航里程也仅为55-95英里。

特斯拉最初在2008年推出的锂离子电池电动车则能够跑250英里,是EV-1接近三倍的续航里程。但是昂贵的锂离子电池也让特斯拉电动车的定价高达10万美元。为了降低成本,日产与美国通用汽车公司的不少电动车型号采用更小的电池组,只能跑不到100英里。

更好的电池技术开发难度高。即便是采用一种新的电极,都会带来无法预知的问题,而这些问题需要长达好几年的测试才能被发现。也就是说,一改则动全身。为了让高级能源研究机构和风险投资人眼前一亮,Envia一下子就应用了两种实验性的电极材料。

在2006年,Envia向美国阿贡国家实验室获取了一项很有潜力的材料技术。但紧接着问题出现了,用这项技术开发出来的电池电压变化无常,让其无法应用在实际场景中。阿贡国家实验室的研究人员调查了出现的问题,但无法找到确切的答案。他们对这种材料的物理和化学属性并没有足够的了解,也无法找出导致问题的原因,更不要说解决问题了。

Envia则是面对着另一种挑战。研究人员似乎解决了硅电极容易分解的问题,但其解决方案在实际生产中显得很不现实。

当Envia一开始在2012年宣布其新技术的时候,这家初创公司似乎找到了让这些实验性材料正常运作的方法。Envia开发出了生产成本更低的硅电极,并且通过不断测试找到了稳定阿贡国家实验室那边新材料电压的方法。

Envia的联合创始人苏基特·库玛尔认为解决方案是一种复合涂料,而事实上他自己也不清楚这种复合涂料为什么能够成功将电压稳定下来。但作为一个资金有限的初创公司,Envia并没有相应的设备研究整个稳定过程,搞明白背后的运作机制。

不过,当Envia的开发成果无法得到复制的时候,搞明白这个过程变得至关重要。就如之前提到的,在电池上的一丝改动都会对整体性能造成重大的影响,而Envia搞明白的事实,仅仅只是其供应商提供的一种复合涂料能够让自己的电池稳定下来。

Envia的故事和新能源汽车电池领域真正的重大发展产生了强烈对比。新能源汽车电池真正的重大进步让电池的价格下降并提高了性能,而这一成功并不是来自于电池技术的突破性进展,而是来自于特斯拉和电池供应巨头松下的合作。

从2008年开始,特斯拉的电池成本大约降到了之前的一半,而其电池性能却提高了60%。特斯拉并没有尝试直接改变锂离子电池的化学技术或者是材料,而是寻求工程设计和生产技术上的提升。同时,特斯拉与松下合作,根据其不同的车型需求,相应改进了现有电池的材料。

得益于此,特斯拉也实现了自己的承诺,在2017年之前推出了拥有200英里续航里程、价格定在3.5万美元的Model 3。而在这之前,美国通用汽车曾希望通过Envia的技术达到相似的性能。

汽车公司一年会售出数以万计的电动车,电池性能的提升对于低端车型无疑是福音。但是,200英里的续航里程依然赶不上传统汽油汽车动辄350英里以上的里程,3.5万美元的定价依旧比普通小型汽油车平均1.5万美元的定价要高得多。

显而易见,新能源汽车电池行业并不是一个对初创公司友好的领域。在2012年破产的初创公司A123 Systems的前高管Andy Chu就认为电池行业被大公司所垄断:“能源储存是巨头们的游戏,毕竟小小的一块电池,有太多出错的可能。我当然希望追求创新的初创公司能够成功,但是看看这几年来的发展,情况并不好。”

据报道,松下也将在中国江苏兴建一座动力电池工厂,投资数亿美元,把特斯拉的“特供电池”彻底带来中国,这无疑会为整个中国新能源汽车市场的现状带来巨大的变化,这也让我们期待,中国是否也会出现特斯拉这样的新能源汽车巨头。

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