來自半導體八阿哥第140篇原創文章。
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電池是電動車的核心零部件，在整車成本中占比可達40%。在電動車所有的零部件裡，也沒有像電池一樣，吸引這麼多産業界的目光和資源投入。下圖是一次針對電動車購置顧慮的消費者調研，從圖中能明顯看到，裡程焦慮、尤其是長途旅行時的裡程焦慮是消費者購置電動車時最大考量。
圖：電動車使用者調研
使用者的痛點就是商機。圍繞着電池，業界展開了激烈的競争，從底層技術、制造技術、服務營運等各種次元殺得難解難分。如果把新能源電動車與傳統燃油車之間的競争看作一場規模龐大的戰役，那麼電池小戰場就是其中最精彩的局部戰争。
| 底層技術維的戰争
電池技術進步到什麼程度，新能源革命就推進到哪一步。電池技術的核心訴求就是提高電池的能量密度。目前主流商用的兩種電池，磷酸鐵锂電池安全性高，充電循環次數高，但能量密度低。三元電池能量密度高，甯德時代的最好水準已經接近300Wh/kg（這個機關的含義是每kg電池的電量為0.3度電），但容易發熱，充電循環次數比磷酸鐵锂低。
按照中國汽車工程協會于2020年10月釋出的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》裡要求，到2025年高端電動車能量密度要達到350Wh/kg，2030年要達到400Wh/kg。即使能量密度較高的三元電池，要達到這兩個目标也是極其困難的。甚至有研究指出，磷酸鐵锂和三元都是液态電解液電池，而液态電解液電池的理論最高能量密度就是350Wh/kg。
圖：新能源汽車電池技術路線圖2.0
（資料來源：中國汽車工程協會）
要繼續提高能量密度隻能更換技術路線，從液态電解液電池走向固态電池。固态電池采用金屬锂作為負極，固體無機或高分子材料作為電解質。金屬锂的克容量是液态電池負極材料石墨的10倍，能量密度可提升至500Wh/kg。固态電解質不易燃，也不帶腐蝕性，電池工作溫度範圍擴大三倍以上，解決電池熱失控導緻的安全性難題。
技術路線的轉換就意味着商業格局的變動，目前以甯德時代為核心的一超多強市場格局有望被打破。是以，大量公司一擁而上，紛紛開展固态電池研究。誰能最先拿出可量産商用的固态電池，誰就在下一個電池時代占據先機。
明确宣布進軍固态電池的巨頭公司有國外的日本豐田，南韓的LG化學、三星SDI和SK創新，甚至蘋果公司都已經布局固态電池技術。國内有當升科技、甯德時代、比亞迪、國軒高科、贛鋒锂業、容百科技，還有一批中小型創企更多，一起加入固态電池的混戰。
圖：固态電池的技術路線圖
（資料來源：光大證券）
不過，這些電池玩家們很快就會遇到一個更為嚴重的問題——锂不夠用了。從下圖锂電池成本曲線可以看到，在2022年之前，出貨量增長疊加技術進步，電池的成本逐漸下降。但因為“資源需求”這一因素，曲線在經過2022點之後開始上翹。看一下2021年電動車銷量就知道問題出在哪裡。
圖：電池成本曲線随時間變化圖
2021年僅僅中國電動車銷量就達到352.1萬輛，同比增長157.57%。下遊強勁的銷量已經使得上遊锂鹽的價格在一年之内翻了兩倍多。更不幸的是，大陸是一個貧锂國。
根據美國地質勘探局（USGS）統計，全球目前已探明的锂礦總量超過8000萬噸，将近60%分布于南美的“锂三角”，即智利、阿根廷和玻利維亞三國交界處的高海拔鹽湖和鹽沼，22.3%分布在澳洲，中國锂礦資源僅占6%—7%。
為了搶锂，原本專注于電池制造的甯德時代不得不向上遊锂礦環節延申。去年9月，甯德時代出手以更高的報價截胡了國内锂礦企業贛鋒锂業對加拿大千禧锂業的收購，甚至不惜代替千禧锂業向贛鋒锂業支付1000萬美元的解約費，意在擷取千禧锂業手裡握有的阿根廷兩個锂鹽湖項目100%權益。
如果用固态金屬锂取代目前的負極材料石墨，對锂礦的需求會更大。純資本運作的商戰沒法從根本上解決缺锂的難題，還是要從技術上想辦法，比如鈉電池。
去年8月，甯德時代釋出第一代鈉離子電池，電芯單體能量密度達到160Wh/kg，預計下一代産品可以達到200Wh/kg；正常溫度下15分鐘可充電80%以上；在-20°C超低溫環境環境下，能保持90%以上的放電率。這些性能參數比一般的磷酸鐵锂電池還要優越一點，用在市内代步通勤車上基本可以滿足需求。
最大的優勢在于，地球上鈉的儲備量遠遠多于锂，海洋锂的鈉元素幾乎取之不盡，提取方法也較簡單。如果工藝成熟的話，可以進一步降低電池的價格。國内的中科海納、星空鈉電、鈉創新能源等已經投身鈉電池賽道，于甯德時代競争。
圖：甯德時代鈉電池釋出會
| 制造技術維的戰争
從底層技術角度提高能量密度并沒有解決車用電池的全部問題，從下面電池包結構圖中就可以發現，電池子產品隻占其中的一部分，除此之外還有各種配件，比如冷卻系統、絕緣層、接線盒、連接配接端子等等，這些都要占據空間，導緻電池包的綜合能量密度降低。
圖：電池包結構圖
要提高電池包的綜合電量密度，就需要從電池制造技術的角度簡化電池包的結構，盡力減少輔助配套的部件，盡可能在有限空間裡塞下更多電芯。比亞迪的刀片電池和甯德時代的CTP技術(cell to package，電芯-電池包結構，省掉中間的模組環節)都是這種思路。
傳統的電池包有電芯-模組-電池包三層結構，設定中間一層模組的結構是為了加強電池包的穩固性，并用模組将不同區域的電芯之間做隔離。一個電芯出現熱過載，不會影響整個電池包。但缺點是結構複雜、配件太多，導緻電池包的空間利用效率不高。
圖：電芯-模組-電池包三層結構示意圖
比亞迪刀片電池的做法是将電芯的厚度減薄，長度拉長到跟電池包差不多，電芯的外觀由方形變成細細的長條形，類似一塊長刀片，是以被稱為刀片電池。一個電池包由10—20個電芯并排疊放組成，取消中間模組結構。在不改變電芯材料的前提下，通過簡化零部件，提高電池包的空間利用效率，提高了電池包的綜合電量密度。
圖：比亞迪刀片電池
甯德時代的CTP技術跟刀片電池類似，也是減少了中間的模組環節，由電芯直接組成電池包。除了CTP，甯德時代還開發出一種CTC方案（Cell to Chassis，電芯到地盤），将電芯與車身、底盤、電驅動、熱管理及各類控制子產品等內建一體，連電池包外殼也省掉了。
在制造技術上做文章的企業還有廣汽埃安。去年3月廣汽埃安聯合中航锂電推出 “彈匣電池”，采用類似的思路，通過納米孔隔熱材料、液冷系統等手段，将電芯耐熱溫度提高了30%，并第一次通過了三元電池的穿刺實驗，相比于比亞迪在刀片電池釋出會上的針刺實驗又提升了一步。畢竟三元電池的發熱效應比磷酸鐵锂更嚴重。
圖：廣汽埃安推出的彈匣電池
業界霸主特斯拉在另一個方向上努力提升電池性能。跟國内普遍采用方型電芯不同的是，特斯拉自始至終都采用圓柱形電芯。從最開始的1865（直徑18mm，高65mm），到2170，到如今的4680。尺寸變大，電池包裡容納電芯數量更少。電芯數量減少會使電池管理系統變得相對簡單。另一個好處是，電芯内部散熱面積增大，更容易實作短時快充。
圖：圓柱電芯的尺寸變化
但制造出4680尺寸圓柱電芯并不容易。難點在于電極極耳的制作。極耳是将正負極引出跟外電路連接配接的接觸點，跟正負極的鋁箔、銅箔焊接在一起。在電池充放電過程，電子在橫穿整個電芯之後到達極耳，再通過外部導線到達另一極。極耳接觸點本來就小，沒有足夠散熱空間，在電池工作中極易導緻極耳焊接處局部熱量過大。圓柱電池尺寸做大之後，電子需要橫穿的距離更長，電阻也會随着距離的增加而增大，發熱問題會更嚴重。
圖：電芯正負極極耳示意圖
特斯拉是怎麼解決這個問題呢？如下圖所示，特斯拉将單個極耳結構改變成多個極耳，覆寫整個正負極金屬箔。極耳的接觸方式就從點接觸變成面接觸，大大增加了散熱面積。但需要采用雷射焊接技術，保證每個極耳焊點都良好焊接，對制造裝置要求極高。
圖：特斯拉采用的多極耳結構
另外，特斯拉在電極的制作上也花了一番心思。一般做法是用濕法工藝将電級材料與溶劑、水等混合成漿料，再塗在鋁箔、銅箔上面，經過數十米的烘幹裝置烘幹後，再壓實成需要的厚度。
特斯拉的幹法工藝是直接把材料幹混，不經過溶劑混合，然後将混合好的粉末直接壓在金屬泊上面，省去了烘幹和溶劑回收流程，簡化工藝流程。但難點是如何達到材料混合的均勻性，壓實後如何保證粉料在金屬箔上的附着度，畢竟不像濕法工藝那樣可以攪拌，也不想液體漿料一樣具有天然的附着力。
據說，特斯拉為了解決幹法工藝難題專門收購了一家企業。花費這麼大的代價攻克4680電池的生産難題，特斯拉看重的是工藝簡化帶來的制造成本降低、無需烘幹工藝帶來的廠房投資成本降低等利益。
畢竟，除了比亞迪，特斯拉是唯一一個生産電池的整車品牌。以特斯拉電動車銷量對電池的需求量而言，值得為不斷降低電池成本花費更多代價。
| 服務營運維的戰争
燃油車的能源完全由加油站提供，車企不用操心使用者怎麼擷取汽油。但在充電設施還極其不完善的現階段，電動車車企沒法做到如此超脫。為了提高競争力，他們不得不下場做電池營運的服務。
以特斯拉為代表的一種方案是大量建設自有充電站/樁，并發展高壓快沖技術。有資料顯示，截止2021年12月，特斯拉已在中國大陸建設超過1000多座充電站，8000多個充電樁，覆寫全國360多個城市和地區。最遠的充電站沿着絲綢之路一直覆寫到了新疆霍爾果斯，滿足想開特斯拉去新疆自駕遊的使用者們。
圖：特斯拉充電站分布圖
目前特斯拉正在商用的已經是第三代充電站，最大功率250KW，充電10分鐘電量達到45%，對應續航裡程208km。即将推出的第四代充電站最大功率達到350KW，充電速度會更快。
特斯拉以雄厚的資金實力在全國布局大規模的充電網絡，為使用者提供便捷的充電服務，提高特斯拉對使用者的吸引力，這是特斯拉商業優勢的又一展現。那國産品牌如何競争呢？
一向以高端服務為品牌調性的蔚來找到了另一個使用者痛點，發展出另一種模式。特斯拉的方案沒法解決很多使用者對電動車的一個很大的顧慮，即由于電池能量密度衰減帶來的二手車保值率問題。
電池都是有使用損耗的，使用幾年之後，電池的容量一定會降低，這個過程不可逆，沒法完全恢複。電池容量損耗會拉低整輛車的二手交易保值率，阻礙使用者的購買意願。
蔚來給出來的方案是提供車電分離的電池租賃服務（BaaS方案，Battery as a Service），使用者購買不帶電池的車，然後從蔚來租用電池，按月付電池租用費。一方面降低車輛的售價；另一方面，當使用者想轉手賣車時，車子是不帶電池的，不會受電池損耗的影響，二手交易的保值率相對會更高。
相對于特斯拉，蔚來的模式算是一種創新。但仍然有幾個問題，第一蔚來的電池隻能用在蔚來的車子上，那麼二手車交易隻能局限在蔚來車型的小圈子裡，交易人群數量有限，會影響二手車交易的頻次。
第二個問題可以回到本文最開始的那個問題，如果把電動車的電池取走一半，它的續航也會降到一半嗎？答案是，續航會比原來的一半多很多。因為電池在整車重量中一般占比1/4以上，續航越高，這個比例會越大。就以1/4來算，如果取走一半電池，電量降為一半，但整車重量減少了1/8，那麼續航就會比原來的一半要多。
從這個問題延申一下會發現如今電動車的另一個痛點。盡管車廠都會以長續航為賣點，但大部分使用者的日常使用還是上下班通勤，這個路程一般會在150—350公裡内。但消費者絕對不敢買續航隻有350公裡的車。
也就是說，使用者花錢買的電池和電量有一部分在大多數情況下是閑置的。對于使用者來說，這其實是一種浪費。即使蔚來的換電方案更換的也是全部電池，沒法解決這個問題。
于是，甯德時代又出手了。
2022年1月18日，甯德時代舉辦換電服務品牌EVOGO釋出會，釋出子產品化電池産品，每個電池子產品容量26.5kWh，可支援200公裡左右的綜合續航。使用者根據實際路程需求選擇裝幾塊電池，如果市内短距離的通勤，裝1塊就足夠。如果周末需要去郊區長途遠遊，再選擇多裝幾塊。
圖：甯德時代釋出的電池塊單元
同時，EVOGO會在各大城市建設換電站。由于電池塊采用了無線電池管理技術，減少電池塊之間的線束連接配接，單個電塊換電隻需約1分鐘。即使要裝3塊電池，綜合續航600公裡，也隻需3分鐘。這個時間已經十分接近燃油車去加油站加滿油箱的時間，便捷性大大提高。
圖：甯德時代EVOGO換電站設計圖
對于使用者來說，按需增減電池，電池使用的經濟性大大提高，不會像以前那樣花錢買閑置的電池資源，降低電動車使用成本。更現實的價值在于，采用換電方案的電動車售價大大降低了。在甯德時代EVOGO釋出會上，一汽釋出了可以跟EVOGO電池塊适配的車型奔騰NAT換電版，售價隻有充電版的一半。
如果有更多車廠能推出更多适配EVOGO電池塊的車型，那麼電動車的電池部分将完全标準化，車子的續航動态可調，使用者也不用顧慮電池通用性問題。電動車市場将無限接近于燃油車市場裡車和油完全分離的商業格局，車廠專注于車輛本身，以甯德時代為代表的電池廠商專注于電池制造和營運。
從更宏觀的角度來看，如果大部分使用者的大多數時間内都隻需要1塊或2塊電池子產品，對锂元素的需求量會大大降低，減少對上遊锂礦産資源的依賴，對整個行業的锂元素焦慮也會大大緩解。從新能源電力網絡來看，也會大大降低輸配送電網的負載壓力。
| 寫在最後
圍繞電池的戰争似乎看不到盡頭，這對車廠是一場殘酷的馬拉松長跑。再加上其他配套系統的研發工作，電動車這個看似全新藍海的黃金賽道正在變得越來越擁擠，也越來越困難。蔚來CEO李斌在年初接受媒體采訪時說：“造車需要儲備的資金門檻，幾年前我說的是200億，現在沒有400億可能都幹不了了。”
但對使用者是福利，使用者永遠抱有最樸素的願望：用更低的價格購買到更好的産品和服務。這個商界永遠的金科玉律将會淘汰賽道上哪些選手，最終讓誰勝出，我們繼續觀賞比賽吧。
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