特斯拉,宁德时代,比亚迪终极战场:固态电池

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特斯拉,宁德时代,比亚迪终极战场:固态电池

以下文章出自织锦,愚公所作

电池是那种有没有他都能过年的手机。但对于电动车和光伏来说,都是致命的约束,根本无法绕过。可以说,电池的焦虑和落后的电池技术对各种前沿应用的制约是新能源革命的最大障碍。

电池技术进步到什么程度,新能源革命会前进到哪一步。一传是未来新能源革命的第一推动力。

01为什么一定是固态电池?

为了用电动汽车取代燃油汽车,必须从根本上实现两个突破。首先是摆脱对补贴的依赖,其次是在经济上捆绑燃油车。

中国对新能源汽车的补贴预计将在未来两年内取消。目前战斗已经在上半场结束。在特斯拉(NASDAQ:TSLA)的带领下,各大厂商基本做好了断奶的准备。

下半年,核心经济问题浮出水面,即制约电动车击败燃油车的里程焦虑。而这个问题,归根结底,在于电池。

我们以两款主流电动车为例,看看问题出在哪里。

这是今年上市的两款新车,一款是国内电动车龙头比亚迪的韩EV,一款是世界电动车龙头特斯拉的model 3。

首先要普及一些一般概念。我们知道,一般的国产乘用车,油箱容量一般在55L左右,按照每100公里8L的油耗,可以跑600公里左右。为了实现燃油车的无缝更换,电动车厂商的基本目标是充电一次,跑600公里。

为了达到这个600 km续航里程,电动车厂商必须在电池上下功夫。

理论上,你可以堆叠足够的电池来达到这个目的,但是我们知道,电池也有重量,而且不轻,所以制造商必须在长里程、车辆重量和电池效率之间找到平衡。这个平衡点就是我们所说的电池组效率。

这是典型的动力电池系统图。可以发现电池模块(也就是我们常说的电池芯)只占了一部分,除此之外还有各种杂七杂八的配件,比如冷却系统、绝缘层、接线盒、接线端子等等。

电池系统容量的核心是电池,电池的能量密度是以wh/kg来衡量的,也就是每公斤电池能产生多少电量。kwh就是我们每天所说的电,所以单节电池的能量密度是170wh/kg,也就是说每公斤电池可以产生0.17度的能量。

我们使用电池系统的能量密度来测量电动汽车的实际能效。除了电池,这些电池管理系统,热管理系统,高低压电路等。包含在电池系统中的能量占据了电池系统的部分重量和内部空间,因此电池系统的能量密度低于单个电池。

电池系统能量密度与单体电池能量密度之比即为电池组效率,电池组效率是衡量一个电池系统效率的核心指标。

例如,我们上方的两辆车:

比亚迪的韩EV,电池能量密度170wh/kg。电池组成型后,电池系统能量密度降至140wh/kg,组效率为82.53%;特斯拉最新款3长续航版采用松下的21700电池,能量密度接近比亚迪韩EV使用的磷酸铁锂叶片电池的两倍。

但相比比亚迪的刀片电池,特斯拉的三元锂电池更容易发热,需要更多的散热设备,电池管理系统也更复杂。因此,组合电池系统的能量密度迅速降至161wh/kg,分组效率仅为53.67%。

这两款代表了目前电动车的主流配置,主要指标非常接近。

他们的续航里程600多公里,总功率77千瓦时左右,也就是77千瓦时,电池系统很重。比亚迪韩EV是EV549kg,半吨多,特斯拉model 3长寿命版是477kg,基本占整车重量的四分之一。无论从节能角度还是挖潜角度,电池技术都必须进行重大创新。

那么,动力电池技术需要做多大的改进才能真正踏上替代燃油汽车的门槛呢?

目前市场公认的答案是,现有电动车电池系统的能量密度增加了一倍半,从160wh/kg增加到400wh/kg,这是电动车完全取代燃油车的开始。这个指数意味着600公里的电池寿命,80千瓦时,总重量约200公斤。目前体重在450-550kg左右。

400wh/kg是一个非常刚性的指标。一个产品最终推广必须做到优胜劣汰,核心是成本。多谈理想,多谈未来,比现实更便宜,更美味。电动车如果过不了性价比经济这条线,永远是小众玩具。

如果你去争取400wh/kg的目标,你会发现现在的动力电池市场还很不明朗,大家基本都在同一起跑线上。

上图摘自光大报告《固态电池:抢占下一代锂电技术制高点》,概述了目前电池技术的发展路径。

不管你是哪种方案,最高的理论能量密度就是势垒,再努力也没用。

我们目前的主流电池,无论是磷酸铁锂电池还是三元锂离子电池,都是液态电解质的锂离子电池。理论最大能量密度为350wh/kg。如果加上各种电池管理系统,整个系统可以达到300wh/kg,基本是极限了。

就好像你已经把弓箭做到了极致,还在火枪面前被打死,没有他,就是一代代的碾压。

所以要解决电池的能量密度问题,消除里程焦虑,最终的解决方案必须是固态电池。

固态电池,大家还在研发的路上。那么能否达到这个目标呢?

可以。恩格斯说,“社会一旦有了技术需求,这种需求就会推动科学前进十几所大学”。需求是最好的动力。与燃油车相比,电动汽车有更大的空间和潜力。

再来看看电池领域,这10年发生了什么。

根据BloombergNEF的数据,电池的能量密度在过去10年里基本上翻了三倍。这也说明了在需求旺盛的情况下,行业的进步有多快。

几个月前,特斯拉将3款入门版从29.18万元下调至24.99万元,降幅超过4万元。我们看好电动车替代燃油车的过程,但这款入门级车型使用宁德时代的磷酸铁锂电池,电池系统的能量密度不会比比亚迪的叶片电池好太多,140-160wh/kg左右。

与原厂产品降价前的三元锂电池配置相比,3型电池安全性略有提高,但系统能量密度仍有所降低,对现有电动车厂商比亚迪、小鹏等产生影响。而且还会开拓传统b级车帕萨特、雅阁、凯美瑞的市场,会在一定程度上打压。

但总的来说,如果电池系统的能量密度没有大的提升,无法突破400wh/kg的门槛,那还是战术上的提升,格局不会有太大的改变。

02光伏的第二个约束

我们知道,光伏行业遵循摩尔定律,每年的发电成本会成比例下降。到2020年,上网已经实现了一个公平的价格,即价格等于燃煤发电,后续发电成本会继续下降,最终的极限是能源价格接近于零。

按照“傻子胡说八道”的说法,光伏要想横向推动传统能源,必须突破两个限制:一是摆脱补贴约束,这在廉价上网的情况下已经基本实现;二是摆脱并网约束,这在未来是会实现的。

光伏作为一种新能源形式,具有明显的优势,可再生节能环保资源,取之不尽,用之不竭。所以一开始各国都给予了大量的补贴,但这种补贴并不是长久之计。

羊毛出在羊身上,新能源的成本还是需要全社会来承担。如果不能摆脱这种补贴的限制,光伏只能作为一种时尚,偶尔出现在业绩报告中作为点缀。

为了摆脱补贴,光伏电池的价格必须降低到足以与传统能源竞争的水平。随着国产光伏技术的快速迭代,成本迅速下降。最后,到2020年,成本接近燃煤发电,有可能摆脱补贴,直接上线。第一个约束就这样解决了。

但如果第二个约束,即并网约束不能打破,那么对PV的推广还是要有一定的限制。为什么?这是光伏发电的特点决定的。

上图是著名的鸭曲线,显示的是加州每年3月31日的净用电负荷。众所周知,加州阳光明媚,风景优美,光照时间长,特别适合光伏发电。另外是硅谷的位置,对新能源的接受度很高,光伏发电占比接近30%。

一天中中午光线最强,但用电量不多,所以电网负荷最低。到了晚上,光伏行业不吃饭了,用电量暴涨,电网负荷也急速跃升,造成了图中这个长长的鸭脖。

由于中国的加入,太阳能组件的价格逐年下降,加州光伏发电的比例越来越高。从2012年开始,这种中间耗电净负荷的鸭肚子越来越大,整体像鸭,所以叫鸭曲线。

这条曲线反映了光伏发电的第二个约束条件,并网发电。毕竟光伏发电受自然条件制约。白天有太阳的时候,发电多,晚上停,但是我们白天用电少,晚上用电多。

为了解决这个问题,我们现在正在通过燃煤发电或天然气发电的调峰来进行补偿。这些峰值单元白天停止,晚上开始。

这就涉及到一个电网的消费率问题。光伏发电在整个电网系统中的比例是有限制的,上限基本在30%-40%左右,这取决于电网的调峰水平和日常照明条件。

那么能否完全突破这个约束呢?可以。

这个数字来自工业证券电力设备研究员朱越的报告:《成长锋芒,中国力量》。光伏发电要想突破30%-40%的上限,需要配置储能设施,中午在发电高峰时储能,晚上在用电高峰时释电,这样才能彻底淘汰煤炭和天然气,只有光伏才能一直满足整个电网的需求。

为了突破第二个约束,光伏发电需要实现配置储能设施后光伏储能发电的系统成本低于现有煤电,才能摆脱并网约束,真正进入哲学的“自由王国”,改变电网,彻底改变世界。

光伏并网储能的核心要求是绝对价格足够低,指的是全成本。我们来看看兴业证券编制的光伏储能电站中标项目报价,如下图所示:

目前光伏储能电池最低投标价为0.86元/wh,电池管理系统(BMS)和逆变器(PCS)之后的电池系统最低投标价为1.49元/wh,包括土建和系统集成在内的所有光伏储能电站最低投标价为1.94元/wh。

而这1.94元是光伏储能的全成本。1.94元/wh,1千瓦时为kwh,工程费折算成千瓦时为1940元/kwh。假设的

那么,储能成本需要降低到什么价位才能实现突破呢?目前市场上普遍的共识是1万个循环寿命是1元/wh的总建设成本。

根据这个指标,单位功率的储能成本为0.1元。在这个价格下,储能电站可以在没有任何补贴或峰谷差价的情况下独立生存。在这个价格下,光伏发电的成本从0.4元/千瓦时降低到0.3元/千瓦时。这样光伏储能的电费会是0.30.1=0.4元/千瓦时,价格大约等于现有的煤电,完全摆脱了并网约束。

储能成本还有继续下降的空间吗?是的,它可能比动力电池下降得更快。

首先,由于动力电池价格下降较快,储能电池完全可以借鉴动力电池的技术,实际上很多光伏储能装置直接使用二手汽车动力电池。根据上图中BloombergNEF的数据,动力电池从2010年的每千瓦时1160美元下降到2019年的156美元,9年间价格下降了近87%。

其次,光伏储能比动力电池需要的电池少,选择范围广。与动力电池对重量、体积和性价比的终极追求相比,光伏储能电池只需要满足长循环寿命和低功耗全成本的要求。动力电池要求体积小、重量轻,对储能电站没有严格的限制,因此选择范围更广,技术突破的概率更大。

光伏行业有自己的摩尔定律,即发电量每翻一番,新安装设备的电价就会降低16%。从储能技术来看,随着电池技术的发展,光伏储能总容量每翻一倍,单次充放电循环的成本也会按一定比例下降。在未来十年,我们可能会看到储能成本的快速下降。

03每个人都领先了三到五年

后面我们会看到一个相互促进的螺旋过程,对电池的需求会呈指数级增长。

根据牛顿第一定律,“每个物体都应该保持匀速直线运动或静止,直到外力迫使其改变运动状态”。在这个循环中,外力或者说第一推动力是光伏技术进步带来的光伏发电成本的快速下降。

光伏发电成本的快速下降,迫使电价稳步降低,电力需求提高,电动汽车性价比不断提高,动力电池不断提高,动力电池成本降低、效率提高,储能电池性价比不断提高。各种应用场景都进入了盈亏平衡点,电力需求也有所提升。这是一个积极完整的循环。

作为投资者,最理想的情况当然是成交量和价格的上涨。我看到很多电力设备研究人员都在讲电价上涨的逻辑,对未来的电价和补贴做出非常乐观的估计。然而,这一假设在本质上是站不住脚的,我们不同意。

因为大规模工业化生产的核心是降低成本,提高效率,在规模效应下,成本降低,价格降低,利润薄,但蛋糕可以摊。

在行业内,任何长期涨价的逻辑都是有缺陷的。比如我们对赣丰锂业(SZ:002460)这样的资源公司的长期增长有所怀疑,因为一个行业要想长期增长,原料一定不是制约因素。半导体行业之所以在硅的基础上成长,是因为沙子无处不在,不存在稀缺的可能。

我们花了这么多时间思考未来能源革命的道路,但预测又回到了预测,投资又回到了投资。即使看对了方向,也不一定选对了股票,也不一定能一路走好。

的确,光伏带来的新能源革命将彻底改变这个社会,但据E基金的基金经理肖楠说,这个高科技行业的商业模式非常不友好。

这种商业模式属于“自燃,自燃,照亮别人。这样的公司很累。他们要花很多钱投资固定资产,投资研发。他们把所有的积蓄都给了客户,因为如果不这样做,就会面临淘汰,被客户抛弃。”

新技术方向的竞争极其残酷,往往领先三五年。

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