王传福扔下“原子弹”将炸飞几千亿动力电池产业投资
浏览次数：19416 时间：2020-04-06 10:03:16
2020年3月29日，中国深圳，尽管新冠肺炎疫情肆虐全球，然而，王传福所带领的比亚迪依然吸引了广泛的关注。这一天，传说已久的比亚迪“刀片电池”正式对外发布 ，这款战略性的产品 ，将承担着比亚迪颠覆全球动力电池产业格局的使命。在发布会上，王传福毫不客气地指出 ，新能源乘用车产业，此前秉承的三元锂电池技术路线走偏了，盲目追求高能量密度的三元锂电池是电动车不断发生自燃的“罪魁祸首”，新能源汽车产业要想获得大规模的发展，必须要解决安全问题 。从2016年起 ，全球新能源乘用车技术路线转向三元锂电池 ，到2020年底，将会有数百GWh的三元锂电池产能建成投产 。此外 ，加上上游的氢氧化锂、钴 、镍、正极等企业 ，下游的整车制造企业 ，在这里所倾泻的投资数以几千亿元计。比亚迪刀片电池如果获得成功 ，将会一举逆转全球动力电池的产业格局，带来两大颠覆性的改变 ：动力电池的材料化学体系 ，将会从三元811为主转向磷酸铁锂为主；动力电池的制程工艺，将会从卷绕工艺彻底转向叠片工艺。这将会让整个三元动力电池体系的投资，陷入巨大的被动。对于整个电动车产业而言 ，上游如此激烈的腥风血雨般的竞争，无疑将会促进整个产业的发展 ，消费者也将可以获得更多实际的利益。蓄势待发的王传福没有任何客气，直接放出“绝杀”，一举掀开了三元锂电池自燃问题的盖子。三元锂电池，尽管在能量密度 ，续航里程中拥有绝对的优势，但其致命的缺点就是结构不稳定，与此前的磷酸铁锂体系相比，更易于发生热失控。自燃问题 ，是电动车产业的“潘多拉魔盒”。在此之前 ，由于没有绝对靠谱的解决方案，在很多著名的品牌发生自燃甚至是爆燃之时，产业都保持了沉默 。对于很多早期的先锋消费者而言 ，尽管知道自燃是一个极端情况下的概率问题，但心中始终会悬着一块石头。现在 ，王传福直接引爆了电动车自燃这个“大炸弹”。“针刺试验”，是一个拗口的专业术语。但是 ，在接下来很长的一段时间内 ，这个词将会成为三元锂电体系的噩梦。对于动力电池的消费者而言，这个听起来非常陌生的名词，作用却甚为关键，主要用于衡量一款动力电池在极端情况下是否会发生自燃。比亚迪和深圳电视台 ，携手把这个专业的试验推向了普通的电动车消费者，并将会植入在他们的心智深处，在将来很多个时刻，会持续地影响全球智能电动车产业的发展。 在播出的试验中 ，三元锂电池 、磷酸铁锂块状电池以及比亚迪的刀片电池 ，被渐次摆上试验台架，一枚直径为5mm的钢针，在机械臂的驱动下，纵向贯穿三款动力电池 ，人们将会看到令人震撼的一幕 。
三元锂电池，在被钢针贯穿之后的几秒钟之内就发生了“爆炸” ，并引发了熊熊火焰 ，动力电池泄压阀开启 ，活性物喷射而出，放在电池壳体上的鸡蛋被炸飞。尽管所有人都明白 ，这是极端状况，但这样的场面还是不可避免地会让人产生联想，让不少电动车拥有者的那颗小心脏不由自主地提了起来。磷酸铁锂块状电池 ，在被钢针贯穿的情况下情况好了很多 ，尽管发生了冒烟 ，电池壳体里的活性物质快速膨胀，活性物顶开泄压阀喷射而出 ，但没有出现明火 ，表面温度在200-400℃ ，电池表面的鸡蛋被烤焦 。比亚迪刀片电池 ，在被钢针贯穿的情况下 ，没有明火 ，无烟 ，表面温度未出现显著上升，放在壳体上的鸡蛋蛋清甚至没有凝固。鉴于鸡蛋蛋清的凝固温度为60℃，据此可以证明比亚迪刀片电池在被钢针贯穿并发生内短路的情况下，不但没有出现自燃 ，甚至于表面温度都没有超过60℃。比亚迪刀片电池毫无悬念地通过了针刺试验 ，而三元锂电池也毫无悬念地在被钢针贯穿之后的几秒钟内发生了爆燃。当然了，对于三元811体系而言 ，要想在短期之内通过“针刺试验”，几乎是mission impossible。通常情况下 ，现阶段三元811的热失控温度为205℃—210℃ ，为了改进安全性和提升热失控温度，动力电池产业界提出了著名的“四元电池”（后简称NCMA）解决方案，即在三元811的正极材料中添加铝原子来改善化学特性。大众汽车集团的三元811，走的就是NCMA路线 ，通用和LG合资的动力电池 ，也将是NCMA路线，国内的蜂巢能源科技也在做NCMA，相信宁德时代也会跟进这个技术路线 。经过改良的NCMA电池，可以把热失控温度提升到230℃，达到三元622电池的水平。但是，磷酸铁锂的热失控温度在500℃以上，这是根本性的区别。此外 ，磷酸铁锂（LiFePO4），由于分子式结构中的氧原子被牢牢地锁在磷酸根中，结构非常稳定，只有在温度达到900℃的时候，磷酸根的化学键才会断裂，释放出氧原子。在意味着在温度达到900℃之前，磷酸铁锂不会放出氧原子助燃，所以释放的热量远远低于三元811，不易引发热失控。中国科学院院士、中国电动车百人执行副理事长欧阳明高在现场连线中指出，比亚迪刀片电池之所以在“针刺试验”中表现优秀 ，主要原因有二：其一，因为刀片电池尺寸非常大，相对于普通磷酸铁锂电池和三元锂电池，回路之间距离更远，所以产生热量的速度较慢。其二 ，因为刀片电池的散热面积远远大于其他电池，可以延缓温度快速升高 。更稳定的化学结构 、刀片状产品结构和特殊设计是刀片电池解决自燃问题的底层逻辑。通过刀片电池，比亚迪树立了一个新的产业安全标杆，并将通过这一点不断地让三元锂电体系感到痛苦。在这样的背景下，显而易见的是，在以后电动车的终端消费场景中 ，所有搭载了刀片电池电动车的销售顾问 ，将会抨击搭载三元锂电池竞品的自燃问题。在接下来比较长的一段时间内，绝大多数购买电动车的消费者将会被普及到动力电池“热失控”温度这个概念。在购买中，很多消费者甚至于会提出这样的一个问题 ：“这款电动车所选用的动力电池，是否通过了针刺试验？”对于三元锂电池体系的动力电池制造商而言，上述问题会让他们下游的电动车制造商备受困扰。这些搭载三元体系动力电池的制造商，将不得不花费更多的时间来解释，他们的Pack设计是多么的NB，BMS系统是多么的智能，只要检测到一点动力电池温度的升高 ，就可以采取一系列的安全措施。他们还会补充一句 ，我们的智能Pack系统相当于“主动安全系统” ，而那个热失控温度，仅仅是一个“被动安全系统” 。当消费者再度追问，那你们的电池Pack能够通过“被动安全”的“针刺试验”吗 ？在此之前 ，三元锂电池的制造商以及下游的电动汽车制造商可以说，磷酸铁锂的能量密度不行 。再祭出一个直击灵魂的问题：“你愿意购买一款续航里程只有300多公里的电动车，还是愿意购买一款续航里程超过500公里，且电池系统拥有‘主动安全’保障的电动车？“消费者别无选择 ，因为他不能把一辆续航里程只有300多公里的电动车开回家。现在情况发生了逆转，王传福说 ，搭载比亚迪“刀片电池”的电动车 ，不仅帮助这个产业消灭了自燃的风险，续航里程还可以超过600公里。也许，他的销售顾问还会补上一刀：“你确信要把一辆存在‘爆燃’风险的电动车开回家？”消费终端的压力 ，将会传递给电动车制造商，并瞬间抵达动力电池制造商。对于三元锂电池体系的企业，这不是一个尴尬的时刻，事实上 ，这是一个致命的时刻。直面灵魂拷问的企业 ，包括全球几乎所有的动力电池制造巨头，如宁德时代 、松下 、LG化学 、三星SDI 、SKI……此外，很多自建动力电池产能的汽车制造商 ，也将不得不重新评估形势的发展，是不是要调整投资策略？大众汽车集团与Northvolt的合资工厂，这个在德国下萨克森州萨尔茨吉特的动力电池工厂 ，预计产能达24GWh ，投资将会在20亿欧元左右。PSA和道达尔两个合资工厂 ，一个位于法国上法兰西大区，一个位于德国凯泽斯劳滕 ，每个工厂的满负荷产能为32GWh，总投资将达50亿欧元。通用汽车与LG化学的合资工厂，位于俄亥俄州的Lordstown，产能将达到30GWh，投资为23亿美元。此外，镍、钴等资源生产商，三元体系的正极材料生产商恐怕都需要祈祷。也许有人会问：难道宁德时代们不可以快速转向磷酸铁锂，化解王传福发动的攻势吗？很难，因为王传福的攻势不是一记“绝杀”，而是一套“组合拳”。这套组合拳攻势，除了化学材料体系的更迭、动力电池成组方式的革命之外，还包括：2.新产品：刀片电池是一款全新的车规级动力电池 。上述的布局中 ，很多的环节，除了资金投资之外，还有很长的时间门槛，且很多环节不能并行推进。在这次发布会上，弗迪电池有限公司正式被推到前台 。此前，我们看到了长安、奥迪等公司欲参与投资比亚迪电池的身影 ，相信会有更多的传统汽车巨头，可望成为这家公司的战略投资者并锁定供应关系 。何龙，比亚迪负责电池业务的副总裁 ，首次以弗迪电池有限公司董事长的身份公开对外亮相 。在发布会上，何龙宣布 ，比亚迪已经拥有了全球最大的磷酸铁锂动力电池产能。弗迪电池有限公司的第一个刀片电池样板工厂位于重庆璧山，投资达100亿元 ，产能达20GWh，这个工厂在经过了一年多时间的建设之后，已经进入SOP状态。刀片电池，将会成为比亚迪数字化供应链全面开放外供的“急先锋”。何龙称，所有你能想象得到的汽车品牌，都在和弗迪探讨基于刀片电池的合作方案 ，相信很快大家就可以听到和看到更多精彩的消息 。除重庆璧山工厂之外，比亚迪在长沙有20GWh产能规划，在西安有30GWh的产能规划。这些产能规划，在需要的时候可以用可控的方式上量，快速收割市场 。这些产能如果全部达产之后，将可以覆盖现阶段中国大多数新能源汽车的动力电池供应。刀片电池作为一个产品本身，是另一个难以被快速突破的门槛。比亚迪刀片电池最显著的特点，就是自身的长度达960mm，甚至根据需求 ，长度可以从600mm变换到2000mm。
这样的结构 ，使得可以将这些超长的“刀片”横过来 ，沿着汽车底盘轴距的方向叠在一起，形成了一个坚固的动力电池Pack。正是这种大长度的刀片状形状 ，才能够去掉模组，将电芯直接叠在一起组成电池包，从而将体积比能量大幅度提升50%，即原来磷酸铁锂块状电池Pack的体积利用率为40% ，而比亚迪刀片电池Pack的体积利用率提升到了60%。然而 ，长度将近1000mm的大电芯，对制造而言是一个疯狂的事情，这对设备、工艺的挑战是巨大的。一款全新的车用动力电池的研发，除了材料体系的迭代之外，需要经过A样、B样 、C样、D样等多个复杂环节。在研发中 ，需要确保产品达到此前计划的参数和性能，比如能量密度、循环特性 、温宽、充放电倍率。在这些环节中 ，甚至会投入数千台设备来对这些样品进行循环测试 ，模拟各种工况、温度和环境 ，夜以继日地进行测试、反馈和调整 。请注意了，哪怕这些样品完成上述测试之后 ，依然需要放到车里面，在实地环境进行夜以继日地路试。如果确信电芯产品的研发成功在望，将会进入到下面的一系列极具挑战的研发环节 ，即进行制程研发 、工艺开发、产能建设 、生产调试 、SOP、爬产……一款动力电池产品的研发和量产，请做好2年的准备 。比亚迪刀片电池背后，另外一个革命性的突破，就是采用叠片工艺，而且是大电芯叠片工艺，高速叠片技术 。事实上，大尺寸的刀片电芯 ，只能采取叠片工艺进行生产，而大尺寸高速叠片技术，对于所有动力电池制造商而言 ，又是难上加难 。这样的制程，在短时间之内是没有可能被突破的，涉及的工作太多了，包括高速大尺寸可调的叠片机、分切设备和叠片工艺等很难突破的门槛。卷绕的优势是，制造设备和工艺均比较成熟 ，稳定 ，产能高和良率可控。但是，卷绕的问题一目了然 ，无法制造大电芯和长电芯，宁德时代目前制造的最大的电芯，长度为220mm的样子。此外卷绕工艺做出来的电芯在内阻、内部温度一致性、内部应力等方面，都无法与叠片工艺匹敌。在国内，蜂巢能源科技也采用了叠片的技术，但他们的最大电芯尺寸最高可以冲刺到400mm ，现阶段制造的最大长度还是220mm。为何做大电芯难度会这么大呢？这会涉及到辊压 、分切、叠片机的制造精度误差问题。比如分切的刀片，长度要达到2000mm的时候，它的误差率将会大大高于刀片长度只有400mm的 ，这在高速运作的流水线中 ，对效率和良率会带来致命的挑战。这也是为何LG化学的波兰工厂，将引入高速宽幅涂布机之后 ，就造成了良率的大幅下滑 ，不得不停产返修，造成了奥迪e-tron 、捷豹I-Pace等工厂的停产 。动力电池制造产业和芯片制造产业非常像 ，在这个领域，6西格玛的质量要求是基本门槛。动力电池需要在微米级的精度上进行高速的作业，其制造环境，对粉尘、水蒸气、温度 ，有着极其严苛的要求，任何颗粒物或者毛刺的出现，都将会对动力电池在10年的生命周期中造成致命的质量瑕疵 。在这样的环境下进行制造，对设备精度和制造工艺的要求是极高的。以宁德时代为例，如果想将卷绕工艺切换为叠片工艺 ，转产刀片电池，将会发生什么？大家如果知道芯片制造中的光刻机，就知道这些高精密制造的设备 ，在寻找供应商方面会是一个巨大的问题。在此之前，国内公开采用叠片技术的只有蜂巢能源科技 ，他们遇到的挑战正是高速叠片机，当前还在逐步的解决之中。纵向一体化的比亚迪显然控制了高速叠片机这样的制造设备 。哪怕宁德时代们经过一段时间，突破了高速叠片机以及分切设备的研发和供应问题，还将会涉及到庞大的产能改造问题 。首先，叠片机和分切设备的更换，将会让宁德时代额外支出一笔高额的设备购置成本 ，大概会占到整体设备费用的25%。比亚迪重庆璧山工厂1GWh的产能建设成本为5亿元 。使用卷绕工艺的宁德时代 ，转向叠片工艺时，其成本和比亚迪相比，将会只高不低 。到2020年底，宁德时代动力电池的总体产能将达到100GWh，可感受一下这个产能改造的成本，估计会在100亿-150亿元之间。即使不考虑改造成本，将卷绕工艺切换到叠片工艺，工程改造的时间也将会非常吓人。此前，宁德时代把三元622的产能升级为三元811的产能，因为只涉及材料体系的变化，制造设备几乎不用动，环境和工艺上做一些调整，大概一个月时间就够。但是，卷绕设备和叠片设备完全不一样，占地面积也不一样 。这样的改造，涉及到厂房的重新改造，生产线的重新安装，是要大兴土木的。这样的工作 ，如果能够在6个月之内完成 ，恐怕都是一个奇迹 。叠片工艺和卷绕工艺，是两种完全不一样的工艺，机器设备到位之后，与对应的工艺进行磨合 ，也需要很长的时间。动力电池的生产线，是一条流水线，由很多设备组成，这些设备需要负责匀浆、涂布、辊压 、分切 、叠片、装配、封装、注液、化成、老化 、分容、质检等一系列流程。流水线生产要求确保每一个环节的操作时间是相同的，且不能出现任何质量上的瑕疵，任何一个工艺出现问题都将会促使整条线的停机 。这就需要把所有的机器根据自己的工艺融入到整个生产流程，与每一个工位的工序配合起来，一条全自动化的生产线 ，几百个工序，在时间上需要严丝合缝地匹配起来，按照相同的节拍工作 ，且在精度上达到极高的标准 ，绝不是容易的事情 。一条高效的产线最后要达到成为“一个人”的这种状态。在国内 ，此前不少动力电池制造商 ，购买了设备之后但难以完成产线的调试 ，并不是什么新鲜的事情 。当然了，上述假设需要有一个前提，就是“宁德时代版”刀片电池的产品研发和工艺研发已经搞定了。鉴于上述种种原因 ，对于三元体系的动力电池制造商而言，跟进磷酸铁锂刀片电池，在短期之内并不是一个靠谱的可选项 。大量的汽车品牌已经涌向了比亚迪，据王传福透露，第一款搭载了刀片电池的车型——比亚迪汉将会在2020年6月份上市 。
对于三元锂电体系的企业而言，系统性的威胁迫在眉睫。对于三元锂电体系的动力电池制造商而言，注定将迎来一段“黑暗的时光”。目前看起来，三元体系解决针刺试验的可能性非常低，但无论如此，NCMA几乎已是必然的选择。这个工作，可以将三元811的热失控温度提升到230℃，达到此前三元622的水平，这将会在一定程度上缓解消费者的“恐慌”。此外 ，比亚迪以及蜂巢所主导叠片工艺 ，是另外一个不得不加以考虑的方向 ，而刀片电池这种产品，也值得模仿。在工艺和结构上进行迭代，也可以在一定程度上降低热失控的概率 。事实上 ，动力电池装配工艺从卷绕向叠片演进，几乎已经取得了共识。但是，如前所述，由于工艺上的改造涉及的方面太多，不是一时半会可以解决掉的问题。明智的选择只能是在新增的产能上，考虑往这个方面演进。目前得到的消息是，三星SDI的新增产能将会以叠片工艺为主。但是，这些新增叠片的产能，是用于方形硬壳三元电池 ，还是用于生产刀片三元电池 ，也是一个令人痛苦的决定 。目前看来 ，只能是叠片方形硬壳，因为还没有合格的刀片产品。但是，如果未来要转向刀片三元电池时 ，还会涉及到产能的改造 。刀片电池，无论是成组效率还是散热效率 ，相对于方形硬壳都有巨大的优势，这是一个不得不考虑跟进的产品形态 。尴尬的是 ，比亚迪已经在这里布下了重重的专利门槛。但是，我们并不知道，NCMA的三元811 ，结合叠片工艺和刀片结构，能否通过针刺试验？ 2.如何解决三元体系贵金属供应以及相应的正极材料成本居高不下的问题。和磷酸铁锂相比，三元锂电体系的另外一个痛点是稀有金属 。所谓三元811 ，即镍钴锰酸锂这个化合物中，镍：钴：锰的比例为8：1：1。在正极的元素构成中，钴属于极度稀缺金属，镍在中国也不多。以钴矿为例，刚果金占据全球50%以上的探明储量，其中嘉能可一家公司 ，就控制了全球30%以上的钴贸易量。这样的格局就导致了电解钴在2018年4月，一度飙升到了69万元一吨，尽管在高镍和无钴技术路线的恐吓之下 ，逐步回到了28万元一吨 ，但价格依然很吓人。镍也是一个麻烦。印尼一个国家，就占据了全球镍产量的30% ，印尼禁止红土镍矿出口，将会冲击到动力电池的上游安全。所以 ，我们就可以理解丰田章男在2019年6月17日，宣布将在印尼投资20亿美元建设30万辆电动车的产能。关于镍矿，还有一个令人担忧的是，不锈钢生产商掌控了主要的镍矿资源。目前，全球85%的镍金属，用于制造不锈钢 。这些金属供应的问题，除了供应安全存在挑战之外 ，还使得三元811体系的正极价格是磷酸铁锂体系的3倍以上。三元811体系与磷酸铁锂相比 ，还有一个显著的弊端就是循环寿命。比亚迪刀片电池 ，可循环充放电3000次，车辆电池生命周期总里程达120万公里，而三元811体系 ，循环充放电次数，一般在1000次的样子 ，整个生命周期的行驶里程约为40万公里 。对于无人驾驶汽车而言，加入三元811的度电成本与磷酸铁锂持平，从整个生命周期的成本来看 ，三元811的成本是磷酸铁锂的3倍。这也导致了三元锂电池无法在上述领域与磷酸铁锂进行竞争。4.如何继续扩大电动车续航里程 ，发挥核心优势打击刀片电池体系 。三元811体系 ，最大的优势就是能量密度，这使得搭载三元体系电动车的续航里程一直有比较明显的优势 。但是，当比亚迪刀片电池把磷酸铁锂体系的续航里程提升到600公里之后，三元811体系在续航里程中领先的优势就不再明显。在这之后，三元锂电体系要想在续航上获得领先的代价也越来越高，尤其是，当续航里程超过500公里之后，后面增加的续航里程的边际效应开始递减。此外 ，比亚迪的刀片电池 ，其体积比能量密度和质量比能量密度 ，也还有优化的空间。随着时间的推移 ，将可望推出覆盖更大续航里程的车型。刀片电池每进入一个新的更长续航里程的细分市场，就意味着三元811体系将会丢失一部分市场。尽管如此 ，三元811体系依然需要持续提升能量密度，以在续航里程上保持优势。比如，能否突破800公里，甚至更高？此外，高能量密度的三元体系，在一些对质量非常敏感的领域，拥有巨大的竞争优势 ，比如飞行汽车、电动飞机等。三元锂电体系的美好时代，只能寄希望于未来的固态锂电池了。对于整个三元锂电池体系而言，接下来不短的一段时间里 ，将会是非常艰难的一段时光。动力电池产业的发展，是一个不断提升能量密度、安全性、循环寿命 、工作温度范围 、充放电倍率和降低价格的过程 。上述这些因素 ，在电动车产业发展的不同阶段，会渐次成为主要矛盾。2015年之前，中国的新能源汽车发展处于早期 ，核心应用为商用，安全性和循环寿命被放在了第一位 ，比亚迪主导的磷酸铁锂技术路线占据主导地位 ，也造就了那个时代比亚迪动力电池的老大地位 。2016年到2020年3月，中国的新能源汽车开始进入家庭，于是续航里程日趋变得重要，在安全性有一定保障的前提下，高能量密度的三元锂电体系技术路线占据主流。在这个阶段，宁德时代快速转向三元锂电体系，在转型中快速崛起 ，成为全球动力电池出货量冠军。与此同时 ，松下、LG化学、三星SDI也享受到了这波红利。2020年到2025年 ，全球汽车工业开始高速向智能电动化转型 ，电动车即将进入大规模普及阶段。在这个阶段，除续航里程之外 ，安全性问题将日益凸显。因为当保有量基盘大了之后，电动车出事故的绝对数量将会大幅度增加 。在这个时候，开创刀片电池和“制程时代”的比亚迪 ，可望在这一波机会中成为赢家，而三元锂电体系将会进入一个困难的时期 。比亚迪刀片电池的崛起，更多的是高速叠片工艺和大电芯制程的胜利 。具备高速叠片和大电芯制程能力并解决了磷酸铁锂电池续航里程问题的制造商 ，才会笑到最后。在这个阶段，化学体系发挥的作用，退居次要矛盾 ，制程成为主要矛盾，动力电池产业将进入“制程时代”。比亚迪刀片电池的发布，无疑将会加速百年汽车产业以更快的速度转向智能电动时代。对于电动车制造商而言，他们可以选择购买比亚迪的刀片电池。对于像宁德时代、LG化学、泰星能源等动力电池巨头而言 ，当行业上的竞争对手树立了新的安全标准之后，除了跟进别无选择。他们需要想尽一切办法解决安全问题，尤其是“针刺试验”的问题。在接下来的一段时间之内，激烈的竞争将促使动力电池变得更加安全 ，让电动车变得更加安全。与此同时，OEMs有了更多的选择之后 ，在价格的谈判上也将会处于更加有利的地位，在供应安全上也将会有所改善。对于电动车产业而言，这是一个好消息 ，对于消费者而言这是一个好消息。
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