新能源汽车动力电池发展趋势

动力电池是新能源汽车的核心零部件,约占新能源汽车整车成本的40%,因此动力电池的技术进步与成本下降对于新能源汽车的推广具有决定作用。

自2021年起,新能源汽车市场需求进入爆发期,对动力电池的需求也快速增长。2011年全球动力电池出货量只有1.08GWh,而到了2022年全球动力电池出货量已经达到518GWh,十年增长480倍,年度复合增长高达85%。随着新能源汽车需求量的持续增长,可以预期对于动力电池的需求将继续保持高速增长。

车用动力电池从最早的铅酸蓄电池逐步发展到现阶段锂离子电池占有90%以上的份额,主要的推动力是电池能量密度的提升以获得更长的续航里程,随着锂离子电池的能量密度越来越接近理论极限,下一阶段电池的发展方向会更多的兼顾安全可靠性的改进、成本的下降、充电时间的缩短等需求的满足。从电池结构角度,基于锂离子的固态电池的发展是主要方向,而能够显著降低成本的钠离子电池,虽然能量密度偏低,但是在某些特定车型上依然具有发展前途。从电池结构角度,越来越多的企业采用CTP、CTC、以及进一步的CTB转变,以期在成熟的锂离子电池框架中进一步提升动力电池的性能表现。

由于新能源汽车动力电池中,原材料成本占据了非常高的比例,因此其规模生产的成本下降效应不同于传统汽车行业依赖规模化生产带来的单位成本下降,更多的是需要通过技术的优化和设备的提升才能实现。例如在锂电池整体成本中占8%左右的铜箔,采用4.5um、6um、8um锂电铜箔的单位用铜量分别为0.47、0.62、0.83 kg/kWh。国内企业已经基本普及6um铜箔,部分领先企业已经在批产4.5um铜箔的锂离子电池。与8um铜箔比较,6um铜箔的用铜量可以下降接近20%,4.5um铜箔的用铜量可以下降30%以上。

由于受到成本、安全性、上游原材供应的制约,越来越多的企业开始在结构层面进行创新。在现有电池材料不变的基础上,通过电池模组结构的优化,实现能量密度的升高、安全可靠性的提升,和成本下降的平衡。从传统的CTM(Cell to Module)模式转向JTM(Jelly Roll to Module),易于实现模组的标准化,在实现工艺过程的简化和成本下降的同时,也便于未来梯次利用,提高电池的残余价值。宁德时代推出的麒麟电池和比亚迪推出的刀片电池,都可以看做CTP(Cell to Pack)的概念延伸,能够增加体积利用率近20%,同时减少40%零部件和提升50%生产效率。而下一代技术发展的方向CTC(Cell to Chassis)则是将电芯直接集成于汽车底盘,可以显著降低车重,提高结构效率。特斯拉就是计划采用“CTC+一体化压铸”方案,实现车身减重10%,电池体积减少10%,单位电池成本下降70%,续航提升15%的目标。

综上所述,现阶段新能源汽车动力电池的技术采用两条腿走路,一方面通过固态电池、材料优化等方式,提升电池材料的性能,进而降低成本、提升性能与安全性;另一方面,通过电池结构的优化,将现有电池的潜力充分挖掘,在成熟的锂离子电池基础上,实现整车性能的进一步提升。殊途同归,这些不同的动力电池技术路线都将有效提升新能源电池汽车的性能与安全性,进一步扩大新能源汽车的市场。

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