《CANGO 车视界》新能源汽车起飞背后：动力电池的技术竞赛谁胜出？

时间回溯到1876年，德国人Nicolaus August Ouo和他的合作伙伴Eugen Langen共同制造的四冲程煤气机，热效率达到了6％，是当时Lenoir制造的煤气机的4倍，内燃机就此诞生了。人类社会正式走上了依靠内燃机提供动力的时代，包括乘用车、重卡、轮船、飞机等人类出行的工具，逐步开始依赖石油能源。

但另一方面，人类发明使用电动车的历史也已经超过100年。最早在1881年，法国工程师Gustave Trouvé，就制造了一台用铅酸电池作为动力的三轮车。但由于电池技术的原因，在经济性上比不上内燃机而没有得到大规模应用。

时间飞速向前。进入2020年后，随着新能源技术的推进，全球车企都开始电动车规划，并陆续推出纯电动车产品。包括以大众为首的欧洲乘用车车企，更是计划在电动化领域投入千亿欧元级别的资金，并且计划推出百款车型。据悉，大众纯电动平台MEB的车型已经开始量产，ID.3甚至坐上了欧洲纯电动车企第一的宝座。

在中国，特斯拉、蔚来、理想、威马等造车新势力纷纷崛起，传统车企也陆续推出新能源品牌。

在2018年北汽新能源与麦格纳成立合资公司，ARCFOX（极狐）品牌落地镇江；东风汽车孵化了岚图汽车；上汽集团、阿里巴巴和上海浦东新区合资成立智己汽车；广汽埃安在成立3年后，正式独立运营。多方登台，共同拉开“新造车势力”的时代序幕。

从数据上看，国内的新能源汽车市场保持稳步增长。截至2020年11月，中国新能源汽车累计销量已达110.9万辆。2019年，中国新能源汽车产量124.2万辆，相比2018年的127万辆，同比下降2.25%;相比2016年的51.7万辆，同比增长58.37%。要知道2014年，中国新能源汽车产量仅仅7.9万辆。

从产业链结构来看，与传统燃油车类似，新能源汽车产业链同样涉及多个行业，较为复杂，传导时间长。由于新能源汽车和传统汽车最大的不同就是用电机、电池，包括电控部分来代替传统车的发动机，在产业链上两者具有结构性的差异，新能源汽车产业链在传统产业链的基础上增加了电池行业（包括上游的资源开发）以及电机、电控系统。

电动车发展初期，电池安全问题需重视

伴随着新能源汽车的逐步增长，中国动力电池行业也进入快速发展阶段，2019年中国动力电池市场规模超过700亿元，动力电池出货量为71GWh。但在高速增长背后，新能源电池技术的未来走向及当下的安全问题，已经引起社会热议。

近三年来，中国新能源汽车自燃事故时有发生，经统计今年已经有超过20起的新能源车自燃起火事故，涉及多个国产、合资品牌。

（仅以2020年举例）

据统计，电动汽车起火的主要原因是由于电池受到外界冲击或控制不当导致的热失控而发生的自燃，例如春、夏季节是电动汽车起火的高发时期，主要由于长时间的高温、雨水等环境因素导致电池性能发生变化。此外，搭载高能量密度的电池，电池过充、物理碰撞都会导致其内部结构发生变化，进而导致自燃事件发生。

但对于电动车自燃，特斯拉创始人马斯克坚称，绝大多数电动车发生燃烧的概率比燃油车都要低。事实也正是如此，包括美国巴特尔研究院的多项机构认为，从技术角度来看，电动车相对传统燃油车自燃的概率要低。

但也不可忽视，电动汽车保有量相对较低的客观事实，由于电动车尚在产业发展初期，消费者的接受程度尚且不高，对于安全问题更需要正视。

OEM及电池厂商纷纷布局投资，探索新技术

目前市面的新能源汽车主要采用锂电池来提供动力，动力电池成本占到整车成本的三分之一以上，是决定汽车性能的核心因素。

从电池材料方面来看，由于动力电池补贴能量密度门槛上升以及消费者对长续航汽车的青睐，目前具有能量密度优势的三元电池在市场上占据优势，装机量逐年提高。除三元电池外，磷酸铁锂电池、锂离子电池、锰酸锂电池及多元复合锂电池也占一定份额。从趋势上看，动力电池企业都在通过改进材料体系和轻量化等方式提升电池能量密度。

对此，汽车主机厂正在加速布局动力电池业务。早在2017年丰田汽车和松下电器公司成立了一家名为Prime Earth EV Energy的合资公司，主要用于生产汽车混合动力车的方形电池。2019年，两家再度牵手，欲成立车载电池合资公司，共同开发、生产高容量的电动汽车电池，并计划在2025年之前量产。

不仅如此，丰田汽车在2019年还与宁德时代、比亚迪达成正式合作，在纯电领域采用全面开放的合作方式，不仅局限于动力电池供应，同时还涉及包括电池回收、纯电动车型的开发等方面。

2020年，丰田公司还与京都大学的科学家们合作研制一种新的氟离子电池，这种电池单位重量的能量大约是传统锂离子电池的7倍，且能使电动汽车一次充电行驶1000公里。据日媒报道，该团队已经开发出相应的可充电电池的原型，该电池采用固体电解质，阳极由氟、铜和钴制成，阴极主要由镧组成。

2019年，大众汽车也通过入股一家名为Northvolt的锂电池公司共同切入动力电池业务，并实现电池量产。大众集团计划投资9亿欧元，与Northvolt联合研发电池。Northvolt拥有强大的政府机构和大型企业投资背书，融资规模超过14亿欧元。

值得一提的是，大众之所以高额投资Northvolt与全球高端动力电池的格局有关，目前主要的高端电池技术仅掌握在松下、宁德时代、三星SDI、LG化学、SKI等少数公司手中，为了自主掌握动力电池核心部件，保证供应链安全，车企深入投资合作一家动力电池企业是必然之路。

对此，特斯拉也不能例外，2019年，特斯拉宣布以2.18亿美元溢价55％收购超级电容公司Maxwell,通过吸收外部技术团队重点布局未来电池技术，并进一步实现与储能业务及太阳能技术协调发展。Maxwell高能量密度电池加上电池组平铺与底盘的工程设计可以实现特斯拉产品更低能耗与更长续航里程。

电池技术的突破是汽车厂商的主流话题之一。2020年，广汽集团也透露，石墨烯电池研发工作在持续进行中，预计今年底将走向实车量产测试，最终能否实现量产仍需等待实车验证结果。

据悉，广汽开发的这款石墨烯电池，可以做到8分钟充满80%电量，实现充电10分钟、续航200-300公里，充电速度堪比加油。目前，广汽已从电芯、模组、搭载整车多个层面初步验证石墨烯技术。根据此前规划，石墨烯超级快充电池将在埃安(Aion)系列车型上实现量产搭载。

国内自主品牌也在全面展开动力电池全产业链的布局。以长城为例，成立蜂巢能源，以支撑长城汽车摆脱高端动力电芯产能稀缺等问题。在海外，蜂巢能源累计投资20亿欧元建设工厂，设计总产能24GWh，日前蜂巢能源官宣确定在德国萨尔州建设模组PACK工厂和电芯模组工厂，前者最早2022年第二季度投产，后者计划2023年底投产。

在更为前沿的电池技术储备和开发上，蜂巢能源以无锡118全球锂电创新中心为平台，还在进行包括全固态电池、胶囊电池、自消气电池、混合正极材料等技术和产品的前期开发，探索面向未来十年的锂电行业新技术。

电池技术仍在持续突破，马太效应已有显现

 从各大厂商投入力度上看，这场来自电池技术的军备竞赛还远未结束。其中，成本是动力电池的最主要考量因素之一。多年技术的发展已经实现成本的降低，现阶段电池价格是十年前的五分之一，整车成本占比也由五年前的60％左右降低至如今的30％-40％，但由于购买力平价是短期内制约电动车渗透率爬升的最主要因素，电池成本仍需要依赖材料、规模、技术三方面的持续突破。

例如，电池开发仍需要寻找低成本的材料体系，降低零部件使用。开发无贵金属、无金属。其中，钴是三元材料正极不可或缺的一种稀有金属，不但可以稳定材料的层状结 构，而且可以提高材料的循环和倍率性能。随着新能源汽车产业的迅速发展，钴的 需求量不断提升。

但是，地壳中的钴含量较低，有限的钴资源决定了其高昂的价格，未来还可能面临供不应求的情况。全球已探明陆地钴资源量约2500万吨，储量720万吨，储量高度集中在刚果(金)，澳大利亚和古巴。世界钴资源的分布很不平衡，刚果(金)、澳大利亚和古巴三国储量之和就占了全球总储量的68%。

无钴化是动力电池材料体系研发领域的共同目标之一。2020年，宁德时代新能源科技股份有限公司的一位高管表示，该公司正在开发一种不含镍或钴的新型电动汽车电池。镍和钴是驱动电动汽车的电池的关键成分。包括日本松下、韩国LG化学等多家电池制造商都在降低镍钴铝(NCA)电池或镍钴锰(NCM)电池中昂贵钴的使用量。此外，宁德时代还在开发一项单独的技术，将电池直接集成到电动汽车的车架中，以扩大其行驶里程。

2020 年 5 月, 长城汽车旗下的电池企业蜂巢能源也发布了公司研发的 NMx 无钴电池，该电池通过阳离子掺杂技术、单晶技术、 纳米网络化包裹，显著改善了无钴情况下镍锂离子混排问题以及循环寿命的问题，使无钴材料有望跨过这些关键障碍，走到规模化应用的阶段。

除稀缺金属外，电池材料也是各大厂商布局的重点之一。目前市面上新能源汽车锂动力电池使用的正极材 料有三元材料、磷酸铁锂、锰酸锂和钴酸锂等。

其中，宁德将投资重点放在了正极材料的生产以及生产正极材料所需的锂矿资源。2019 年 9 月，宁德 公告称拟认购澳大利亚锂矿公司 Pilbara8.5%的股份。同年 4 月，公告称其子公司 宁德邦普将投建 10 万吨/年的镍钴锰酸锂正极材料产能。

 在原材料供应链端，整合上游资源的竞争也尤为激烈。以国轩高科为例，这家成立于2006年的动力电池公司，自成立以来一直从事新能源汽车动力锂电池自主研发、生产 和销售，2019 年公司的动力电池装机量 3.2GWh，占国内市场份额约为 5.2%，仅次于宁德时代和比亚迪，位居全国第三。其中磷酸铁锂电池装机量 2.9GWh，排名第二。

 目前，国轩高科已经布局镍钴锂资源及电池四大原料（正极材料、负极材料、隔膜、电解液）以进一步提 高公司的成本优势。其中子公司精密涂布公司已量产涂碳铝箔，与中国冶金科工集 团合作开发三元前驱体材料，与深圳市星源材质科技股份有限公司合资进行隔膜开发，与铜陵有色集团进行铜箔开发合作，与上海电气集团有限公司合资进军储能领域等。

 客户方面，国轩高科先后与北汽、上汽、江淮、奇瑞、长安、吉利、宇通等国 内众多优秀整车企业建立战略合作关系。同时，公司也在加快国际化进程，已进入博世全球供应链体系，与塔塔在印度设立合资公司共同开发印度锂电池市场。2020 年 5 月 28 日，国轩高科发布公告，大众中国拟对其进行战略投资。

 技术层面的竞争更为复杂，甚至出现多种技术路线百花齐放的现象。以电池的封装技术为例，这是影响电池使用安全性及寿命的关键技术之一。根据市场分析报告显示，动力电池产品的使用场景，耐撞击、耐振动、挤压穿刺等机械冲击是电池外包装必要的功能之一，此外还需要满足化学方面的防火阻燃、浸泡要求，以及设计方面的轻量化、走线布局等要求。所以动力电池的封装工艺也具有一定的技术门槛。

 据动力电池研究报告显示，目前，动力电池按分装技术划分主要有方形电池、圆形电池以及软包电池三类，各有优劣。

 1）方形电池，顾名思义是将单体电池做成方形。方形相对于圆柱形封装，缩小了电芯间的缝隙，让内部材料卷覆得更加紧密，有利于让电池在高硬度的限制下 不容易膨胀，相对更加安全。并且，壳体采用了密度更小、重量更轻且强度更高的 铝镁合金，让电池的能量密度和安全性做到更高，在续航方面的表现也会更加突出；

 2）圆形电池与方形虽然都属于硬壳封装，但圆柱型封装尺寸小、成组灵活、成本低且工艺成熟。目前特斯拉的纯电车型所采用的松下电池的封装方式便是硬 壳圆柱型电池，但后期依然要面对成组后散热设计难度大、能量密度低等问题；

 3） 软包型电池虽然有尺寸变化灵活、能量密度高、重量轻、内阻小的诸多优点，但是 同样具有机械强度差、封口工艺难、成组结构复杂、设计难度大等缺点，甚至在成本、一致性和安全性方面都表现一般。

目前，在国内方形电池是最常见的封装形式。在方形、软包、圆柱三种形状的电池 路线中，中国方形电池市场份额依旧遥遥领先，这也是 2019 年唯一保持同比正向增长的技术路线。2019 年方形电池装机量 52.73GWh，同比增长 24.8%，占总装机量84.5%。

值得关注的是，位列方形电池装机量前三的企业为宁德时代、比亚迪与国轩高科。在该领域已经形成寡头效应，因此相关研究判断，方形电池领先的局面短期内不会发生改变。

不仅如此，主要的技术突破也主要集中在头部公司手中。以电池包成组效率为例，在传统电池系统中，电池内部结构件与pack 的成本占比较高，通过无模组化技术有望改进电池 pack 设计，提升电池包成组效 率，优化排布结构、拓扑优化、低密度材料，从而降低成本。

宁德时代于 2019 年 9 月在法兰克福车展上推出 CTP 技术。采用 CTP技术后，可使电池包体积利用率提高 15%-20%，电池包零部件 数量减少40%，电池包能量密度提升10%-15%，可达到 200Wh/kg以上。同时，减 少了中间环节，生产效率提升 50%，并且大幅降低动力电池的制造成本。

比亚迪于 2020 年 3 月发布全新 一代刀片电池，通过增加电芯长度，将电芯进行扁平化设计。通过密集排布，使其本身就可以充当结构件，保持足够的强度提供支撑，省去了一部分传统的电池包防护结构，使得电池包壳体内部的空间利用率由传统设计的 40%提升至 60%。同时， 新刀片电池在电池寿命、续航能力、安全性能、成组效率等方面有了进一步提升，成本下降约20%-30%。

相信未来仍然会有更多的技术突破，包括固态电池技术也被广泛期待成为下一代动力电池技术，过去十年相关专利数量增长超过10倍。但整体来看，行业要求的资本投入规模大、研发投入产出周期长、技术壁垒高等因素，使得动力电池成为具有高护城河的行业。随着时间推移，动力电池企业竞争愈发激烈，行业洗牌加速，未来值得期待。

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