王傳福扔下“原子彈”將炸飛幾千億動力電池產業投資
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2020年3月29日，中國深圳，盡管新冠肺炎疫情肆虐全球，然而，王傳福所帶領的比亞迪依然吸引了廣泛的關注。這一天，傳說已久的比亞迪“刀片電池”正式對外發布，這款戰略性的產品，將承擔著比亞迪顛覆全球動力電池產業格局的使命。在發布會上，王傳福毫不客氣地指出，新能源乘用車產業，此前秉承的三元鋰電池技術路線走偏了，盲目追求高能量密度的三元鋰電池是電動車不斷發生自燃的“罪魁禍首”，新能源汽車產業要想獲得大規模的發展，必須要解決安全問題。從2016年起，全球新能源乘用車技術路線轉向三元鋰電池，到2020年底，將會有數百GWh的三元鋰電池產能建成投產。此外，加上上游的氫氧化鋰、鈷、鎳、正極等企業，下游的整車制造企業，在這里所傾瀉的投資數以幾千億元計。比亞迪刀片電池如果獲得成功，將會一舉逆轉全球動力電池的產業格局，帶來兩大顛覆性的改變：動力電池的材料化學體系，將會從三元811為主轉向磷酸鐵鋰為主；動力電池的制程工藝，將會從卷繞工藝徹底轉向疊片工藝。這將會讓整個三元動力電池體系的投資，陷入巨大的被動。對于整個電動車產業而言，上游如此激烈的腥風血雨般的競爭，無疑將會促進整個產業的發展，消費者也將可以獲得更多實際的利益。蓄勢待發的王傳福沒有任何客氣，直接放出“絕殺”，一舉掀開了三元鋰電池自燃問題的蓋子。三元鋰電池，盡管在能量密度，續航里程中擁有絕對的優勢，但其致命的缺點就是結構不穩定，與此前的磷酸鐵鋰體系相比，更易于發生熱失控。自燃問題，是電動車產業的“潘多拉魔盒”。在此之前，由于沒有絕對靠譜的解決方案，在很多著名的品牌發生自燃甚至是爆燃之時，產業都保持了沉默。對于很多早期的先鋒消費者而言，盡管知道自燃是一個極端情況下的概率問題，但心中始終會懸著一塊石頭。“針刺試驗”，是一個拗口的專業術語。但是，在接下來很長的一段時間內，這個詞將會成為三元鋰電體系的噩夢。對于動力電池的消費者而言，這個聽起來非常陌生的名詞，作用卻甚為關鍵，主要用于衡量一款動力電池在極端情況下是否會發生自燃。比亞迪和深圳電視臺，攜手把這個專業的試驗推向了普通的電動車消費者，并將會植入在他們的心智深處，在將來很多個時刻，會持續地影響全球智能電動車產業的發展。 在播出的試驗中，三元鋰電池、磷酸鐵鋰塊狀電池以及比亞迪的刀片電池，被漸次擺上試驗臺架，一枚直徑為5mm的鋼針，在機械臂的驅動下，縱向貫穿三款動力電池，人們將會看到令人震撼的一幕。
三元鋰電池，在被鋼針貫穿之后的幾秒鐘之內就發生了“爆炸”，并引發了熊熊火焰，動力電池泄壓閥開啟，活性物噴射而出，放在電池殼體上的雞蛋被炸飛。盡管所有人都明白，這是極端狀況，但這樣的場面還是不可避免地會讓人產生聯想，讓不少電動車擁有者的那顆小心臟不由自主地提了起來。磷酸鐵鋰塊狀電池，在被鋼針貫穿的情況下情況好了很多，盡管發生了冒煙，電池殼體里的活性物質快速膨脹，活性物頂開泄壓閥噴射而出，但沒有出現明火，表面溫度在200-400℃，電池表面的雞蛋被烤焦。比亞迪刀片電池，在被鋼針貫穿的情況下，沒有明火，無煙，表面溫度未出現顯著上升，放在殼體上的雞蛋蛋清甚至沒有凝固。鑒于雞蛋蛋清的凝固溫度為60℃，據此可以證明比亞迪刀片電池在被鋼針貫穿并發生內短路的情況下，不但沒有出現自燃，甚至于表面溫度都沒有超過60℃。比亞迪刀片電池毫無懸念地通過了針刺試驗，而三元鋰電池也毫無懸念地在被鋼針貫穿之后的幾秒鐘內發生了爆燃。當然了，對于三元811體系而言，要想在短期之內通過“針刺試驗”，幾乎是mission impossible。通常情況下，現階段三元811的熱失控溫度為205℃—210℃，為了改進安全性和提升熱失控溫度，動力電池產業界提出了著名的“四元電池”（后簡稱NCMA）解決方案，即在三元811的正極材料中添加鋁原子來改善化學特性。大眾汽車集團的三元811，走的就是NCMA路線，通用和LG合資的動力電池，也將是NCMA路線，國內的蜂巢能源科技也在做NCMA，相信寧德時代也會跟進這個技術路線。經過改良的NCMA電池，可以把熱失控溫度提升到230℃，達到三元622電池的水平。但是，磷酸鐵鋰的熱失控溫度在500℃以上，這是根本性的區別。此外，磷酸鐵鋰（LiFePO4），由于分子式結構中的氧原子被牢牢地鎖在磷酸根中，結構非常穩定，只有在溫度達到900℃的時候，磷酸根的化學鍵才會斷裂，釋放出氧原子。在意味著在溫度達到900℃之前，磷酸鐵鋰不會放出氧原子助燃，所以釋放的熱量遠遠低于三元811，不易引發熱失控。中國科學院院士、中國電動車百人執行副理事長歐陽明高在現場連線中指出，比亞迪刀片電池之所以在“針刺試驗”中表現優秀，主要原因有二：其一，因為刀片電池尺寸非常大，相對于普通磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池，回路之間距離更遠，所以產生熱量的速度較慢。其二，因為刀片電池的散熱面積遠遠大于其他電池，可以延緩溫度快速升高。更穩定的化學結構、刀片狀產品結構和特殊設計是刀片電池解決自燃問題的底層邏輯。通過刀片電池，比亞迪樹立了一個新的產業安全標桿，并將通過這一點不斷地讓三元鋰電體系感到痛苦。在這樣的背景下，顯而易見的是，在以后電動車的終端消費場景中，所有搭載了刀片電池電動車的銷售顧問，將會抨擊搭載三元鋰電池競品的自燃問題。在接下來比較長的一段時間內，絕大多數購買電動車的消費者將會被普及到動力電池“熱失控”溫度這個概念。在購買中，很多消費者甚至于會提出這樣的一個問題：“這款電動車所選用的動力電池，是否通過了針刺試驗？”對于三元鋰電池體系的動力電池制造商而言，上述問題會讓他們下游的電動車制造商備受困擾。這些搭載三元體系動力電池的制造商，將不得不花費更多的時間來解釋，他們的Pack設計是多么的NB，BMS系統是多么的智能，只要檢測到一點動力電池溫度的升高，就可以采取一系列的安全措施。他們還會補充一句，我們的智能Pack系統相當于“主動安全系統”，而那個熱失控溫度，僅僅是一個“被動安全系統”。當消費者再度追問，那你們的電池Pack能夠通過“被動安全”的“針刺試驗”嗎？在此之前，三元鋰電池的制造商以及下游的電動汽車制造商可以說，磷酸鐵鋰的能量密度不行。再祭出一個直擊靈魂的問題：“你愿意購買一款續航里程只有300多公里的電動車，還是愿意購買一款續航里程超過500公里，且電池系統擁有‘主動安全’保障的電動車？“消費者別無選擇，因為他不能把一輛續航里程只有300多公里的電動車開回家。現在情況發生了逆轉，王傳福說，搭載比亞迪“刀片電池”的電動車，不僅幫助這個產業消滅了自燃的風險，續航里程還可以超過600公里。也許，他的銷售顧問還會補上一刀：“你確信要把一輛存在‘爆燃’風險的電動車開回家？”消費終端的壓力，將會傳遞給電動車制造商，并瞬間抵達動力電池制造商。對于三元鋰電池體系的企業，這不是一個尷尬的時刻，事實上，這是一個致命的時刻。直面靈魂拷問的企業，包括全球幾乎所有的動力電池制造巨頭，如寧德時代、松下、LG化學、三星SDI、SKI……此外，很多自建動力電池產能的汽車制造商，也將不得不重新評估形勢的發展，是不是要調整投資策略？大眾汽車集團與Northvolt的合資工廠，這個在德國下薩克森州薩爾茨吉特的動力電池工廠，預計產能達24GWh，投資將會在20億歐元左右。PSA和道達爾兩個合資工廠，一個位于法國上法蘭西大區，一個位于德國凱澤斯勞滕，每個工廠的滿負荷產能為32GWh，總投資將達50億歐元。通用汽車與LG化學的合資工廠，位于俄亥俄州的Lordstown，產能將達到30GWh，投資為23億美元。此外，鎳、鈷等資源生產商，三元體系的正極材料生產商恐怕都需要祈禱。也許有人會問：難道寧德時代們不可以快速轉向磷酸鐵鋰，化解王傳福發動的攻勢嗎？很難，因為王傳福的攻勢不是一記“絕殺”，而是一套“組合拳”。這套組合拳攻勢，除了化學材料體系的更迭、動力電池成組方式的革命之外，還包括：上述的布局中，很多的環節，除了資金投資之外，還有很長的時間門檻，且很多環節不能并行推進。此前，我們看到了長安、奧迪等公司欲參與投資比亞迪電池的身影，相信會有更多的傳統汽車巨頭，可望成為這家公司的戰略投資者并鎖定供應關系。何龍，比亞迪負責電池業務的副總裁，首次以弗迪電池有限公司董事長的身份公開對外亮相。在發布會上，何龍宣布，比亞迪已經擁有了全球最大的磷酸鐵鋰動力電池產能。弗迪電池有限公司的第一個刀片電池樣板工廠位于重慶璧山，投資達100億元，產能達20GWh，這個工廠在經過了一年多時間的建設之后，已經進入SOP狀態。刀片電池，將會成為比亞迪數字化供應鏈全面開放外供的“急先鋒”。何龍稱，所有你能想象得到的汽車品牌，都在和弗迪探討基于刀片電池的合作方案，相信很快大家就可以聽到和看到更多精彩的消息。除重慶璧山工廠之外，比亞迪在長沙有20GWh產能規劃，在西安有30GWh的產能規劃。這些產能規劃，在需要的時候可以用可控的方式上量，快速收割市場。這些產能如果全部達產之后，將可以覆蓋現階段中國大多數新能源汽車的動力電池供應。刀片電池作為一個產品本身，是另一個難以被快速突破的門檻。比亞迪刀片電池最顯著的特點，就是自身的長度達960mm，甚至根據需求，長度可以從600mm變換到2000mm。
這樣的結構，使得可以將這些超長的“刀片”橫過來，沿著汽車底盤軸距的方向疊在一起，形成了一個堅固的動力電池Pack。正是這種大長度的刀片狀形狀，才能夠去掉模組，將電芯直接疊在一起組成電池包，從而將體積比能量大幅度提升50%，即原來磷酸鐵鋰塊狀電池Pack的體積利用率為40%，而比亞迪刀片電池Pack的體積利用率提升到了60%。然而，長度將近1000mm的大電芯，對制造而言是一個瘋狂的事情，這對設備、工藝的挑戰是巨大的。一款全新的車用動力電池的研發，除了材料體系的迭代之外，需要經過A樣、B樣、C樣、D樣等多個復雜環節。在研發中，需要確保產品達到此前計劃的參數和性能，比如能量密度、循環特性、溫寬、充放電倍率。在這些環節中，甚至會投入數千臺設備來對這些樣品進行循環測試，模擬各種工況、溫度和環境，夜以繼日地進行測試、反饋和調整。請注意了，哪怕這些樣品完成上述測試之后，依然需要放到車里面，在實地環境進行夜以繼日地路試。如果確信電芯產品的研發成功在望，將會進入到下面的一系列極具挑戰的研發環節，即進行制程研發、工藝開發、產能建設、生產調試、SOP、爬產……比亞迪刀片電池背后，另外一個革命性的突破，就是采用疊片工藝，而且是大電芯疊片工藝，高速疊片技術。事實上，大尺寸的刀片電芯，只能采取疊片工藝進行生產，而大尺寸高速疊片技術，對于所有動力電池制造商而言，又是難上加難。這樣的制程，在短時間之內是沒有可能被突破的，涉及的工作太多了，包括高速大尺寸可調的疊片機、分切設備和疊片工藝等很難突破的門檻。卷繞的優勢是，制造設備和工藝均比較成熟，穩定，產能高和良率可控。但是，卷繞的問題一目了然，無法制造大電芯和長電芯，寧德時代目前制造的最大的電芯，長度為220mm的樣子。此外卷繞工藝做出來的電芯在內阻、內部溫度一致性、內部應力等方面，都無法與疊片工藝匹敵。在國內，蜂巢能源科技也采用了疊片的技術，但他們的最大電芯尺寸最高可以沖刺到400mm，現階段制造的最大長度還是220mm。為何做大電芯難度會這么大呢？這會涉及到輥壓、分切、疊片機的制造精度誤差問題。比如分切的刀片，長度要達到2000mm的時候，它的誤差率將會大大高于刀片長度只有400mm的，這在高速運作的流水線中，對效率和良率會帶來致命的挑戰。這也是為何LG化學的波蘭工廠，將引入高速寬幅涂布機之后，就造成了良率的大幅下滑，不得不停產返修，造成了奧迪e-tron、捷豹I-Pace等工廠的停產。動力電池制造產業和芯片制造產業非常像，在這個領域，6西格瑪的質量要求是基本門檻。動力電池需要在微米級的精度上進行高速的作業，其制造環境，對粉塵、水蒸氣、溫度，有著極其嚴苛的要求，任何顆粒物或者毛刺的出現，都將會對動力電池在10年的生命周期中造成致命的質量瑕疵。在這樣的環境下進行制造，對設備精度和制造工藝的要求是極高的。以寧德時代為例，如果想將卷繞工藝切換為疊片工藝，轉產刀片電池，將會發生什么？大家如果知道芯片制造中的光刻機，就知道這些高精密制造的設備，在尋找供應商方面會是一個巨大的問題。在此之前，國內公開采用疊片技術的只有蜂巢能源科技，他們遇到的挑戰正是高速疊片機，當前還在逐步的解決之中。縱向一體化的比亞迪顯然控制了高速疊片機這樣的制造設備。哪怕寧德時代們經過一段時間，突破了高速疊片機以及分切設備的研發和供應問題，還將會涉及到龐大的產能改造問題。首先，疊片機和分切設備的更換，將會讓寧德時代額外支出一筆高額的設備購置成本，大概會占到整體設備費用的25%。比亞迪重慶璧山工廠1GWh的產能建設成本為5億元。使用卷繞工藝的寧德時代，轉向疊片工藝時，其成本和比亞迪相比，將會只高不低。到2020年底，寧德時代動力電池的總體產能將達到100GWh，可感受一下這個產能改造的成本，估計會在100億-150億元之間。即使不考慮改造成本，將卷繞工藝切換到疊片工藝，工程改造的時間也將會非常嚇人。此前，寧德時代把三元622的產能升級為三元811的產能，因為只涉及材料體系的變化，制造設備幾乎不用動，環境和工藝上做一些調整，大概一個月時間就夠。但是，卷繞設備和疊片設備完全不一樣，占地面積也不一樣。這樣的改造，涉及到廠房的重新改造，生產線的重新安裝，是要大興土木的。這樣的工作，如果能夠在6個月之內完成，恐怕都是一個奇跡。疊片工藝和卷繞工藝，是兩種完全不一樣的工藝，機器設備到位之后，與對應的工藝進行磨合，也需要很長的時間。動力電池的生產線，是一條流水線，由很多設備組成，這些設備需要負責勻漿、涂布、輥壓、分切、疊片、裝配、封裝、注液、化成、老化、分容、質檢等一系列流程。流水線生產要求確保每一個環節的操作時間是相同的，且不能出現任何質量上的瑕疵，任何一個工藝出現問題都將會促使整條線的停機。這就需要把所有的機器根據自己的工藝融入到整個生產流程，與每一個工位的工序配合起來，一條全自動化的生產線，幾百個工序，在時間上需要嚴絲合縫地匹配起來，按照相同的節拍工作，且在精度上達到極高的標準，絕不是容易的事情。一條高效的產線最后要達到成為“一個人”的這種狀態。在國內，此前不少動力電池制造商，購買了設備之后但難以完成產線的調試，并不是什么新鮮的事情。當然了，上述假設需要有一個前提，就是“寧德時代版”刀片電池的產品研發和工藝研發已經搞定了。鑒于上述種種原因，對于三元體系的動力電池制造商而言，跟進磷酸鐵鋰刀片電池，在短期之內并不是一個靠譜的可選項。大量的汽車品牌已經涌向了比亞迪，據王傳福透露，第一款搭載了刀片電池的車型——比亞迪漢將會在2020年6月份上市。
對于三元鋰電體系的企業而言，系統性的威脅迫在眉睫。對于三元鋰電體系的動力電池制造商而言，注定將迎來一段“黑暗的時光”。目前看起來，三元體系解決針刺試驗的可能性非常低，但無論如此，NCMA幾乎已是必然的選擇。這個工作，可以將三元811的熱失控溫度提升到230℃，達到此前三元622的水平，這將會在一定程度上緩解消費者的“恐慌”。此外，比亞迪以及蜂巢所主導疊片工藝，是另外一個不得不加以考慮的方向，而刀片電池這種產品，也值得模仿。在工藝和結構上進行迭代，也可以在一定程度上降低熱失控的概率。事實上，動力電池裝配工藝從卷繞向疊片演進，幾乎已經取得了共識。但是，如前所述，由于工藝上的改造涉及的方面太多，不是一時半會可以解決掉的問題。明智的選擇只能是在新增的產能上，考慮往這個方面演進。目前得到的消息是，三星SDI的新增產能將會以疊片工藝為主。但是，這些新增疊片的產能，是用于方形硬殼三元電池，還是用于生產刀片三元電池，也是一個令人痛苦的決定。目前看來，只能是疊片方形硬殼，因為還沒有合格的刀片產品。但是，如果未來要轉向刀片三元電池時，還會涉及到產能的改造。刀片電池，無論是成組效率還是散熱效率，相對于方形硬殼都有巨大的優勢，這是一個不得不考慮跟進的產品形態。但是，我們并不知道，NCMA的三元811，結合疊片工藝和刀片結構，能否通過針刺試驗？ 2.如何解決三元體系貴金屬供應以及相應的正極材料成本居高不下的問題。和磷酸鐵鋰相比，三元鋰電體系的另外一個痛點是稀有金屬。所謂三元811，即鎳鈷錳酸鋰這個化合物中，鎳：鈷：錳的比例為8：1：1。在正極的元素構成中，鈷屬于極度稀缺金屬，鎳在中國也不多。以鈷礦為例，剛果金占據全球50%以上的探明儲量，其中嘉能可一家公司，就控制了全球30%以上的鈷貿易量。這樣的格局就導致了電解鈷在2018年4月，一度飆升到了69萬元一噸，盡管在高鎳和無鈷技術路線的恐嚇之下，逐步回到了28萬元一噸，但價格依然很嚇人。鎳也是一個麻煩。印尼一個國家，就占據了全球鎳產量的30%，印尼禁止紅土鎳礦出口，將會沖擊到動力電池的上游安全。所以，我們就可以理解豐田章男在2019年6月17日，宣布將在印尼投資20億美元建設30萬輛電動車的產能。關于鎳礦，還有一個令人擔憂的是，不銹鋼生產商掌控了主要的鎳礦資源。目前，全球85%的鎳金屬，用于制造不銹鋼。這些金屬供應的問題，除了供應安全存在挑戰之外，還使得三元811體系的正極價格是磷酸鐵鋰體系的3倍以上。三元811體系與磷酸鐵鋰相比，還有一個顯著的弊端就是循環壽命。比亞迪刀片電池，可循環充放電3000次，車輛電池生命周期總里程達120萬公里，而三元811體系，循環充放電次數，一般在1000次的樣子，整個生命周期的行駛里程約為40萬公里。對于無人駕駛汽車而言，加入三元811的度電成本與磷酸鐵鋰持平，從整個生命周期的成本來看，三元811的成本是磷酸鐵鋰的3倍。這也導致了三元鋰電池無法在上述領域與磷酸鐵鋰進行競爭。4.如何繼續擴大電動車續航里程，發揮核心優勢打擊刀片電池體系。三元811體系，最大的優勢就是能量密度，這使得搭載三元體系電動車的續航里程一直有比較明顯的優勢。但是，當比亞迪刀片電池把磷酸鐵鋰體系的續航里程提升到600公里之后，三元811體系在續航里程中領先的優勢就不再明顯。在這之后，三元鋰電體系要想在續航上獲得領先的代價也越來越高，尤其是，當續航里程超過500公里之后，后面增加的續航里程的邊際效應開始遞減。此外，比亞迪的刀片電池，其體積比能量密度和質量比能量密度，也還有優化的空間。隨著時間的推移，將可望推出覆蓋更大續航里程的車型。刀片電池每進入一個新的更長續航里程的細分市場，就意味著三元811體系將會丟失一部分市場。盡管如此，三元811體系依然需要持續提升能量密度，以在續航里程上保持優勢。比如，能否突破800公里，甚至更高？此外，高能量密度的三元體系，在一些對質量非常敏感的領域，擁有巨大的競爭優勢，比如飛行汽車、電動飛機等。三元鋰電體系的美好時代，只能寄希望于未來的固態鋰電池了。對于整個三元鋰電池體系而言，接下來不短的一段時間里，將會是非常艱難的一段時光。動力電池產業的發展，是一個不斷提升能量密度、安全性、循環壽命、工作溫度范圍、充放電倍率和降低價格的過程。上述這些因素，在電動車產業發展的不同階段，會漸次成為主要矛盾。2015年之前，中國的新能源汽車發展處于早期，核心應用為商用，安全性和循環壽命被放在了第一位，比亞迪主導的磷酸鐵鋰技術路線占據主導地位，也造就了那個時代比亞迪動力電池的老大地位。2016年到2020年3月，中國的新能源汽車開始進入家庭，于是續航里程日趨變得重要，在安全性有一定保障的前提下，高能量密度的三元鋰電體系技術路線占據主流。在這個階段，寧德時代快速轉向三元鋰電體系，在轉型中快速崛起，成為全球動力電池出貨量冠軍。與此同時，松下、LG化學、三星SDI也享受到了這波紅利。2020年到2025年，全球汽車工業開始高速向智能電動化轉型，電動車即將進入大規模普及階段。在這個階段，除續航里程之外，安全性問題將日益凸顯。因為當保有量基盤大了之后，電動車出事故的絕對數量將會大幅度增加。在這個時候，開創刀片電池和“制程時代”的比亞迪，可望在這一波機會中成為贏家，而三元鋰電體系將會進入一個困難的時期。比亞迪刀片電池的崛起，更多的是高速疊片工藝和大電芯制程的勝利。具備高速疊片和大電芯制程能力并解決了磷酸鐵鋰電池續航里程問題的制造商，才會笑到最后。在這個階段，化學體系發揮的作用，退居次要矛盾，制程成為主要矛盾，動力電池產業將進入“制程時代”。比亞迪刀片電池的發布，無疑將會加速百年汽車產業以更快的速度轉向智能電動時代。對于電動車制造商而言，他們可以選擇購買比亞迪的刀片電池。對于像寧德時代、LG化學、泰星能源等動力電池巨頭而言，當行業上的競爭對手樹立了新的安全標準之后，除了跟進別無選擇。他們需要想盡一切辦法解決安全問題，尤其是“針刺試驗”的問題。在接下來的一段時間之內，激烈的競爭將促使動力電池變得更加安全，讓電動車變得更加安全。與此同時，OEMs有了更多的選擇之后，在價格的談判上也將會處于更加有利的地位，在供應安全上也將會有所改善。對于電動車產業而言，這是一個好消息，對于消費者而言這是一個好消息。
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