车企们的电池难题

砺石商业评论 2020-01-09 17:29

编者按:本文来源砺石商业评论,作者高冬梅,创业邦经授权转载。

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顺风顺水的特斯拉,最近爆出来好几个大新闻。

继上次推出一款超级“太空感”的皮卡惊艳了众人之后,不过两个月,12月27日又有国外媒体报道,特斯拉通过旗下的加拿大分公司申请了一项新的电池技术专利,不仅可以提升电池的使用寿命和性能,还扩展了电池应用场景。

该专利内容介绍了一种通过使用电解液添加剂改善锂离子电池性能的方法,通过调整电解液添加剂的组成和配比,锂离子电池的使用寿命和性能得以提升,采用这一方法的新型电池系统除了适用于汽车,还可用于电网储能等不同场景。

作为电动汽车的“三大件之一”,电池向来是特斯拉格外关注的一部分。2016年7月29日,特斯拉与日本松下合作建设Gigafactory超级工厂,该工厂占地面积3000英亩,投资额接近50亿美元,规划产能35GWh,年产50万辆电动车。

特斯拉想要借助这一超级电池工厂来实现锂电池的规模化生产,进一步削减动力电池的生产成本。在Gigafactory中,松下公司负责制作电池的电芯,特斯拉负责进一步组装电池模块和电池包,最后再由轨道电车将电池成品运送出去,由此形成闭合一体化的供应链。

如今不过短短三年多,落户上海的Gigafactory 3号超级工厂,已经支撑了第一批国产Model3的交付。

除了合作建厂,特斯拉还将拥有成熟干电极制造的电池公司Maxwell以及拥有完整电池制造设备的Hibar收入麾下。

之后在2019年早些时候,特斯拉的电池研究伙伴Jeff Dahn和它的团队公布了在电动汽车上进行的令人印象深刻的测试结果,新电池在电动汽车中的工作寿命可以超过100万英里。

他们测试的新电池是新一代“单晶”NMC阴极的锂离子电池和一种新的先进电解质。从那时起,特斯拉就一直在申请这种新型电池化学物质的美国和国际专利。近期,他们终于通过加拿大分公司获得了这项专利。

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整车厂考虑自己研发和生产电池,这不仅是特斯拉一家的动向。车企自产电池已经形成一股风潮,比如,全球最大汽车制造商之一的大众集团最近几年关于电池的消息就不断传出。

2016年,大众汽车称将投资100亿欧元用于新建大型电池工厂,意欲转型为一家领先的电力汽车制造商。作为大众因排放丑闻受损以来重振计划的一部分,公司宣布将于2025年前实现每年出售100万台电动及油电混合机动车的目标,并增加对电池产业的投资。

2018年6月13日,大众汽车集团宣布计划2019年与Northvolt公司以50:50的股比成立合资企业,并建设一座初期产能为16GWh的电池工厂。该工厂最早将于2020年开始建设,并于2023年底或2024年初开始生产电池。

2019年5月14日,大众汽车集团决定与合作伙伴在位于欧洲的老家德国共同建立电池生产工厂,集团监事会在当日会议上批准了10亿欧元的投资。值得注意的是,在此之前,欧洲汽车制造商生产电动汽车所用的电池都由亚洲进口,目前全球汽车动力电池制造商前5名都是亚洲公司。

在最初阶段,作为其电动化攻势的一部分,大众与实力较强的电池供应商发展战略合作伙伴关系,以满足电动汽车基础电池需求。

SKI、LG化学和宁德时代是车企第一阶段的主要合作供应商。这也是当时其它跨国汽车巨头普遍采取的方式。但是面对电池在电动汽车价值中占据的重要比例,大众集团更希望与合作伙伴合资建立超大型工厂,分摊电池生产的大量资金投入。

最终,大众汽车集团打算在欧洲建立锂电池和固态电池生产工厂。其中,作为其集团电池战略的一部分,大众汽车集团将与美国公司Quantum Scape合作,尤其是固态电池生产方面。目前大众汽车集团位于萨尔茨吉特的卓越中心聚集了负责电池开发、采购和质量控制的专业人员,并已开始电池试生产。

按照大众汽车集团多阶段强化电池专业实力的计划,目前其已进入建立强大技术团队,深入研究锂电池开发与生产的第二阶段。如果一切顺利,大众将紧随目前电动车行业领先者特斯拉的步伐。

这几年横切进入电池业的传统大汽车公司还不止大众这一家。2017年5月,在特斯拉投资建立超级电池工厂之后,戴姆勒也宣布将在德国本土投资5亿欧元,兴建全新的超级电池工厂,产能是当时戴姆勒电池产能的4倍。该工厂完工后将被用于生产梅赛德斯-奔驰和smart品牌旗下混动、插电混动以及全电动车型所搭载的电池组。

2017年7月5日,在中德双方领导人见证下,戴姆勒和北汽签署协议,将共同投资6.55亿欧元(约合50亿元人民币)在北京奔驰建立纯电动车生产基地及动力电池Pack工厂,生产梅赛德斯-奔驰品牌的纯电动车产品,这是戴姆勒在海外建立的首个动力电池工厂。

宝马紧随其后,2017年10月24日,占地6480平方米、总投资约3.24亿元、可年产3.3万套高压电池组的华晨宝马动力电池中心揭幕仪式在沈阳举行。这个宝马在华首家高压电池工厂项目位于华晨宝马沈阳发动机工厂内,电芯由宁德时代提供,投产后将为全新宝马5系插电式混合动力车型提供动力电池系统。

到了2019年底,就连一直在重组裁员的通用汽车也坐不住了。12月5日,通用汽车和LG化学各自宣布,双方计划以各占一半投资和股份的方式共同出资23亿美元建造电池单体制造工厂,预计将于2020年年中破土动工,为通用汽车未来的多款电动车型供应电池。未来双方还会基于各自在电池科学领域的深厚积淀,共同推动先进电池技术的发展和应用,进一步降低电池成本。

国外汽车制造商折腾电池的这些年,国内汽车制造商们也没闲着。2016年8月25日,上汽通用宣布投资17.2亿元人民币在上海金桥建设一座锂电池组装厂,以实现旗下新能源车电池系统的国产化,同时该厂建成后还将为通用汽车在全球生产的新能源车配套锂电池组,预计2017年底投产。

另外,上汽还与宁德时代联手建立了一个总用地面积约2007亩的电池及电池系统生产基地,项目一期规划总投资100亿元,将形成18GWh的动力电池生产能力,2018年底投产,预测到2020年将实现36GWh的生产能力,比肩特斯拉超级电池工厂的35GWh年产能。

实际上,国外不仅是大众汽车和通用汽车,还有丰田汽车,国内不仅有上汽,还有北汽、吉利汽车、比亚迪、长城汽车、广汽传祺等企业,都将电池视为未来的核心竞争力,并有意覆盖从电池研发、生产到处理以及循环利用的整个工艺链。当前汽车制造商的电池工厂大多已初具雏形,或正处于加速扩建中。

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电池技术的改善对电动汽车的成功至关重要,电池寿命被认为是未来几年内影响电动车销售的重要因素。

2019年4月,奥迪宣布推迟其首款旗舰电动车E-tron交付,原因就是无法从供应商LG化学获得足够的动力电池,这导致其今年只能生产4.5万辆电动车,比预期少1万辆。巧妇难为无米炊,奥迪最终只能让用户等待时间从2个月延伸到6到7个月,第二款E-tron车型的发布推迟到了明年。

奔驰也遭遇了同样的困境,旗下首款纯电动SUV车型,因动力电池供应不足,只能推迟交付计划。

那么,动力电池供应不足到什么程度呢?数据显示,仅韩国三大电池供应商LG化学、三星SDI、SKI仅在2018年一年新接的订单就有6452亿元,截至2018年底,它们未交付的电池订单超过了1万亿元。目前2019年虽然尚无详细数据,但是根据动力电池行业这一年来的状况,这几家企业未完成的订单数量只会有增无减。

动力电池产能不足的一个重要原因是动力电池原材料受限。在上游原材料层面,钴是当前全球范围内采用最广泛的锂电池核心原材料之一,它能够显著提升电池的能量密度,如今全球钴的产量有50%以上都是用于制造锂钴电池。

2016年到2018年间,由于电动汽车的逐步迈向市场,钴也随之疯涨。相关数据显示,金属钴的价格在2016年还是12万元左右每吨,到了2018年钴的价格一度飙升至60万元每吨。在达到最高点后,伴随着国内钴量产的提升,市场的供不应求转向供大于求,动力电池原材料受限的问题方才解决。

产能不足的另一个原因是电动汽车对动力电池性能的高要求。今年以来,纵观整个电动汽车行业,都在朝着600公里的续航里程发展,而频发的电动汽车自燃事件也警醒着各大电动汽车企业,提升电池安全性刻不容缓,安全性也是电动汽车迈向主流市场的根基。

政策方面,中国对动力电池企业的产能、电池系统售价也提出了更高要求。2016年11月,工信部发布行业规范文件,将动力电池企业单体电芯的产能要求直接提升到了8GWh,这个要求成为电动汽车进入新能源汽车补贴名录的条件。

在另一份促进汽车动力电池产业发展的文件中,国家提出到2020年动力电池系统售价达到1元/Wh,也就是每度电(KWh)1000元的要求,这意味着未来搭载50KWh电池、续航必然超过300公里的电动汽车电池成本将要下降到5万元。以国内动力电池巨头宁德时代为例,其2018年动力电池系统的售价是1.4元/Wh。

而从2019年动力电池行业发展状况可以看出,动力电池市场集中度在进一步加强,几家头部企业占据了80%以上的市场份额。

基于以上种种,目前市场上能够提供高端动力电池的供应商其实只有LG化学、松下、三星SDI以及国内的宁德时代和比亚迪。

在高端动力电池供不应求之下,各大车企的争夺更为惨烈。兵书有言,“兵马未动,粮草先行”,电池就是电动汽车企业在市场竞争中的“粮草”,谁拥有了电池这一“基本物资”,谁就掌握了市场竞争的主动权。于是以特斯拉为代表的主机厂纷纷迈出了自己生产动力电池的步伐,想把“命脉”握在自己手里。

对于成立合资公司自建电池工厂,马斯克在收购电池公司后直言:“这是具有战略意义的收购,将对电池的生产成本和规模产生重大影响,同时可降低扩大电池生产所需的成本和资本。”

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然而自建电池工厂并非一件简单的事。电动汽车企业在资金投入之外,需要解决电池技术如何获取的问题。目前来看,主要有两种方式,一种是通过收购拥有电池技术的企业或者购买技术专利,另一种则是与松下、LG化学或宁德时代等已经能够生产高性能动力电池的企业合作,成立合资公司生产电池。

特斯拉选择了两者兼顾,既与松下联手提升其位于内华达州的1号超级工厂的产能,又收购了麦克斯韦自研电池,更多的车企则选择了后者。如上汽、东风、广汽、吉利旗下两家公司都与宁德时代成立了合资公司;丰田与松下成立了合资子公司;大众和欧洲动力电池初创公司Northvolt合作自建动力电池工厂等。

与此同时,LG化学、松下、三星SDI、宁德时代等也都在大力新建动力电池工厂和提升原有动力电池工厂的产能。如LG化学在南京江宁滨江开发区投资20亿美元建设动力电池工厂,为现代、沃尔沃、通用等车企供应电池;三星SDI则在美国密歇根州投资6270万美元建设一座电池制造厂。

随着来自动力电池企业和电动汽车整车厂的动力电池工厂的建成,锂电池的供应或将迎来供大于求的局面,因此长远来看,并非每家电动汽车企业都需要建设电池工厂,但在当前这个造车企业都进入量产、抢占市场的节点,眼下动力电池供应短缺的局面如何应对,成为造车企业的一道难关。

那么,对于个体车企来说,是否自己造电池,这个问题该如何考虑呢?大众汽车就曾因为在这个问题上摇摆不定而给自己带来了诸多麻烦。2016年,大众汽车确立了到2025年年产300万辆电动汽车的目标。要实现这个大目标,大众汽车最初的计划是自产电池。

但直到2018年5月,大众汽车宣布签订了价值480亿美元的电池订单,外界才获知大众汽车可能改变了自产电池的计划。虽然大众汽车没有透露具体供应商,但外界猜测,松下、三星SDI、LG化学和宁德时代都有可能是这笔大订单的获得者。

在签署480亿美元订单3个月后,大众汽车对外明确表示不愿在电池上受制于人,“长期来看,我们一定不能让自己依赖于少数几家亚洲的动力电池供应商”。

半年之后的2019年2月,德国媒体报道大众汽车正在和SKI谈判,有意与其在欧洲共建电池厂。但同时大众汽车已经和LG成立了一个特别工作组,以确保电池稳定供应。LG被大众汽车“不忠”的行为激怒了,不但“威胁”大众汽车将在“某种情况下”停止对其供应动力电池,还将大众汽车和SKI告上了法庭。

三星也给大众汽车带来过麻烦。2019年5月,彭博社报道,三星原本同意向大众汽车供应20GWh的电池,但在后期谈判中因双方出现分歧,三星将供货量砍到不足5GWh。如此,显然自产成为大众汽车迫在眉睫的任务。

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对于汽车厂商来说,自己生产电池的好处很多,再也不用担心供应问题,而且可以根据需要任意更改电池的形态,另外不用跟电池供应商扯皮,电车能在第一时间快速推向市场,更重要的是,自己生产电池还可以把利润完全把握在自己手里,今后也能给消费者提供更好的电池维修和更换服务。

不过自己生产电池要承担巨额的研发成本,尤其是如果不能规模量产,那么单价会很高反而不划算。另外汽车生产商在电池研发领域还是比较外行,要承担更大的风险,不像松下、三星、LG等成熟电池厂商不仅给汽车供应电池,产品还用在其它家用设备上,因此抗风险能力强。

目前市面上绝大多数电动汽车的电池还都是来自宁德时代、松下、LG和三星等供应商,这些公司研发电池多年,拥有一定的技术经验,比汽车厂商从0开发要好很多。而且通过大规模量产,这些公司的电池也已经降低了生产成本,对于汽车企业来说也是一件好事儿。

但是汽车厂商出设计,电池供应商负责生产会留下安全隐患,2019年发生的好几起自燃事件就与此有关。而且电池供应商自己研发的电池往往是固定形态的模块化的,需要汽车厂商改变设计去适应电池,这也是厂商不愿意看到的。

技术问题还是其次,关键是成本控制。其实目前三元锂电池的技术已经非常成熟,各大汽车厂商都在用,像大众、丰田这样的汽车厂商开发电池的话,依托雄厚的资本实力,聘用专业的技术人才,用不了两三年就可以实现商业化,真正难的是控制成本。

小的汽车公司汽车产量不高的话,自己开发电池是非常不划算的,因而与动力电池供应商巨头合作就更划算。

如何在采购和自建电池厂上取舍,仍以大众集团为例,其计划在未来十年生产近70款新电动车型,总销量将达到2200万辆,巨大的装载量让其不得不主动研发生产电池。

自产电池大众汽车决定从扶植电池企业入手。2019年11月,大众汽车表示已经在德国萨尔茨吉特的卓越中心开设了一条动力电池试验生产线,大约有300名专家参与了开发,这被看作是其进军电动车市场的又一里程碑。未来大众将在这里与瑞典初创公司NorthVolt建立一个完整的电池制造工厂。

大众汽车此次对Northvolt的投资额达到9亿欧元,部分资金用于设立合资企业,剩余部分用以收购Northvolt约20%的股份。大众选择Northvolt是看中其深厚的政府背景,其是欧洲少见的动力电池企业“国家队”;此外Northvolt和大众汽车都极为看重高能量密度电池的研发,而且Northvolt以方形电池为主的封装方式与大众汽车的技术路线很契合。

此外,高能量密度可能是大众汽车和Northvolt合作的重要原因。大众汽车预测,到2020年锂电池单体比能量将达到300Wh/kg,到2025年这一数值将达到350Wh/kg,远高于其2019年在中国上市的三款纯电动车水平。这三款车,朗逸纯电版、高尔夫纯电版和宝来纯电版的电池包能量密度是121Wh/kg。

Northvolt对能量密度的追求比大众的要求还激进,虽然其起步阶段和竞争对手产品的能量密度相当或略高一点,但到2030年其电池能量密度要比目前的水平翻一番,高于大众汽车预测的350Wh/kg。而且,这个数字是大众汽车对固态电池能量密度的预期。

那么,这是不是就意味着大众在电池问题上可以高枕无忧了呢?非也。大众汽车和Northvolt组合或许能避开采购电池的坑,却可能难以绕开自产电池存在的问题。Northvolt技术团队中有不少来自松下、LG化学等传统电池厂的日、韩籍员工,许多生产设备也购自亚洲供应商,这种情况下Northvolt的技术真能胜出他们的亚洲对手吗?

这不只是大众汽车面临的问题。国内外多家主流电动汽车制造商都曾宣称或正在进入电池行业,但在推进过程中都或多或少遇到了困难,甚至不得不重返采购的老路。

在中国市场,目前唯一能够自己生产纯电动汽车电池的只有比亚迪,因为自产电池比亚迪可以将纯电动车的成本控制得比较低,所以其它厂商车型的价格往往没有比亚迪有竞争力。而且,《新建纯电动乘用车企业管理规定》要求车企掌握动力蓄电池系统集成技术,这也是各大车企密集进军电池产业的原因。

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车企是否应该进军电池业是一个只在当前环境下有效的问题。目前,市场上符合国家政策和企业需求的动力电池供给有限,而随着造车新势力和传统车企不断进军电动车领域,在当下竞争窗口急于规模化、抢占市场,为了确保自己抢占先机,很多有实力的企业就选择合作建厂或者自建工厂。

然而,自建工厂并没有那么容易,要斟酌考虑技术、成本和效率问题,一旦考虑不周,可能就要退回采购电池的老路。

从长远发展看,随着动力电池技术的不断成熟,以及汽车厂商建立的电池工厂投入生产和原有动力电池企业的产能不断扩建,市场上的电池供给会逐渐平衡乃至供大于求,这时候就没有必要所有的汽车厂商都要去兴建自己的电池厂了。但是对于一些汽车制造商来说,首先它们需要能够等到这一天的到来。

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