來電進(jìn)化論　電動(dòng)汽車電池技術(shù)變遷與未來

許鴻德

01.全電力驅(qū)動(dòng)車輛的生產(chǎn)成本分析中，電池占整車成本40%～50%，電池可說是電動(dòng)車最關(guān)鍵的零組件，很大程度上決定電動(dòng)車的性能高低！

02.車用動(dòng)力電池經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等多種類型的發(fā)展和探索之后，鋰離子動(dòng)力電池由于能量密度高、大功率充放電能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。

電池的巨大商機(jī)

以往我們會(huì)說，一輛車的心臟是發(fā)動(dòng)機(jī)，但對(duì)于電動(dòng)車來說，它的心臟則是包括兩部份——馬達(dá)與電池！

不可否認(rèn)，2018年堪稱中國(guó)車市“充滿挑戰(zhàn)”的一年：中國(guó)車市在保持28年持續(xù)增長(zhǎng)之后首次面臨下行。然而在中國(guó)車市哀鴻遍野的狀況下，新能源車市場(chǎng)卻逆風(fēng)上行，由于參與廠商的高度熱情與政策法規(guī)的鼓勵(lì)，中國(guó)目前不但是全球最大電動(dòng)車單一市場(chǎng)，其規(guī)模更遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他國(guó)家！

而對(duì)于電動(dòng)車不可或缺的能量來源——電池來說呢？拿我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫降墓P記本電腦或手機(jī)舉例，一輛電動(dòng)車需搭載可供1000～2000臺(tái)筆記本電腦使用的鋰電池，這意味著只要100萬輛電動(dòng)汽車需求，就能達(dá)到目前全球筆記本電腦對(duì)鋰電池的需求量。目前中國(guó)境內(nèi)的乘用電動(dòng)車平均電池容量為35kWh，意味著每年這部分的電池需求將近27 GWh（gigawatts：十億瓦），已超過中國(guó)一年售出所有新手機(jī)的電池需求量，其市場(chǎng)規(guī)模的巨大可見一般。

如今的“鋰”由

打從公元1800年意大利科學(xué)家亞歷山德拉·伏特（Alessandro Volta）發(fā)明“伏特電堆（Voltaic piles）”至今，人類使用電池的歷史已超過200年，甚至你不知道的是，電動(dòng)車的發(fā)展歷史也遠(yuǎn)早于內(nèi)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車輛（美國(guó)人Thomas Davenport在1834年就制造出第一輛直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車）。但電動(dòng)車的發(fā)展之所以遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于內(nèi)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)車輛，主因仍在于輸出功率及制造成本在內(nèi)的性能指標(biāo)沒有競(jìng)爭(zhēng)力。而車用動(dòng)力電池經(jīng)歷了鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等多種類型發(fā)展和探索之后，目前鋰離子動(dòng)力電池由于能量密度高、大功率充放電能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。

鋰離子電池（Lithium-ion battery）其實(shí)泛指所有依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作的充電電池，此種電池使用不同鋰化合物作為正極材料，主要常見的有：鋰鈷氧化物（LiCoO₂）、錳酸鋰（LiMn2O₄）、鎳酸鋰（LiNiO₂）及磷酸鋰鐵（LiFePO₄）等，經(jīng)過近30年的發(fā)展，目前國(guó)際主流鋰電池類型為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池正極材料的價(jià)格與原料金屬的價(jià)格行情一致，其中以鈷（Co）最為稀缺，鎳（Ni）、錳（Mn）較為便宜，但其價(jià)格也大幅制約電動(dòng)車降低成本以達(dá)到普及化的可能性。一度以磷酸鐵鋰（LiFePO₄）材料作電池正極的鋰離子電池被看好最適合電動(dòng)車使用，原因在于鐵砂的價(jià)格大大低于其他稀有金屬。

三元鋰與磷酸鐵鋰大戰(zhàn)

三元鋰電池材料中鎳、鈷、錳的組合由安全性尚可的3：3：3（鎳、鈷、錳三種金屬的用量比例），一步一步地邁向5：2：3、6：2：2、8：1：1比例，隨著鎳金屬用量的增加，在儲(chǔ)電容量提高的同時(shí)，電池的熱失控溫度和安全性卻也逐步下降，使用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性越差。目前Tesla使用的三元鋰離子電池其熱失控溫度已不足200℃，若非聰明可靠的溫控管理系統(tǒng)，實(shí)在危險(xiǎn)！

反觀磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固、難以分解，即便在高溫或過充時(shí)也不會(huì)像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，因此擁有良好的安全性。此外，磷酸鐵鋰電池壽命是普通鋰電池的4～5倍，還有高于鋰電池8～10倍的高放電功率（可瞬間產(chǎn)生大電流），加上同樣能量密度下的整體重量較鋰電池減少30～50%等特性，讓它被視為最合適需要大扭力之電動(dòng)車輛所使用的二次電池技術(shù)。

但磷酸鐵鋰電池在車用領(lǐng)域卻面臨最大瓶頸：其重量與容量（密度）比落后三元鋰電池30%（意味著相同儲(chǔ)電容量下，磷酸鐵鋰電池的重量增加30%），該劣勢(shì)在固定不動(dòng)的場(chǎng)景（家用儲(chǔ)能等）問題不大，但卻對(duì)電動(dòng)車性能有絕對(duì)影響力：電動(dòng)車的設(shè)計(jì)在本質(zhì)上已經(jīng)與殲15等航母艦載戰(zhàn)斗機(jī)有著許多共同點(diǎn)，電池容量小則限制續(xù)航力，但電池增加也加大車身體積及重量，這一方面又需要更多的能量和更強(qiáng)勁的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)車體，反而降低了電動(dòng)車的性能。

正因如此，從2018年開始、比亞迪旗下銷售的大多數(shù)新能源車型已由磷酸鐵鋰電池轉(zhuǎn)換為使用NCM三元鋰電池，包括e5和秦Pro EV500等純電動(dòng)車型。

但沒辦法，重量、電容量、安全性……這些訴求就是如此矛盾的存在著，非僅中國(guó)車廠，海外電動(dòng)車龍頭Tesla也不斷挑戰(zhàn)鋰電池能量密度上限（以降低整車重量）——Model 3的車載電池能量密度在業(yè)內(nèi)名列前茅，且新款電池的鈷金屬用量也顯著降低。與先前車型相比，該廠特別為Model 3設(shè)計(jì)全新的電池架構(gòu)（采用體積較大的21700鋰電池電芯），并與Panasonic合作在內(nèi)華達(dá)州1號(hào)“超級(jí)工廠（Gigafactory）”生產(chǎn)該款電池，以替代單顆容量較?。ㄆ毡樵?～4Ah）的18650電池芯。

01.磷酸鐵鋰電池的性能及安全性優(yōu)勢(shì)明顯，但車用領(lǐng)域卻面臨最大瓶頸：其重量與容量（密度）比落后三元鋰電池達(dá)到30%。

02.根據(jù)高工產(chǎn)研咨詢有限公司（GGⅡ）的數(shù)據(jù)顯示，從2018年開始、比亞迪旗下銷售的大多數(shù)ePV車型中已由磷酸鐵鋰電池轉(zhuǎn)換為NCM三元鋰電池。

03.許多電池業(yè)者都積極提升鋰電池的能量密度上限，不過對(duì)性能的堅(jiān)持也導(dǎo)致模塊設(shè)計(jì)的復(fù)雜性及電池生產(chǎn)速度無法提升。

04.包括寧德時(shí)代（CATL）、比亞迪等廠商的電池裝機(jī)量與Panasonic、三星SDI及LG化學(xué)等世界巨頭相比已經(jīng)不遑多讓、更有大幅趕超的趨勢(shì)。

05.近幾年新能源汽車的快速發(fā)展極大地帶動(dòng)了中國(guó)鋰電池材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，目前中國(guó)是全球擁有鋰電池生產(chǎn)企業(yè)最多的國(guó)家。

06.目前中國(guó)境內(nèi)乘用電動(dòng)車所使用的電池平均每個(gè)電池容量為35kWh，意味著每年電池需求將近27 GWh（gigawatts：十億瓦），已超過中國(guó)一年售出所有新手機(jī)的電池需求量，未來電池的回收再利用也成為重要課題。

21700電池（直徑21mm，長(zhǎng)度70mm）的尺寸比18650電池（直徑18mm，長(zhǎng)度65mm）更大，若僅考慮電池芯單體的密集堆積進(jìn)行測(cè)算，采用30個(gè)21700電池芯的模塊體積是采用40個(gè)18650電池芯的模塊體積1.1倍，但重量卻僅為后者0.97。在同等能量下，21700電池芯模塊所需電池芯數(shù)量可減少約1/3，而電池模塊內(nèi)的金屬連接件數(shù)量減少還可進(jìn)一步降1氐電池模塊重量。一些Model 3車主測(cè)試過車內(nèi)電芯后，宣稱其單個(gè)電芯容量達(dá)到6Ah、整車電池模塊的能量密度達(dá)到接近300 Wh/kg，這個(gè)數(shù)據(jù)超越同業(yè)平均達(dá)20%～30%。不過對(duì)性能的堅(jiān)持也導(dǎo)致電池生產(chǎn)速度無法提升、成本無法降低，一些電池模塊甚至必須通過手工才能完成！

不同電池能對(duì)比表

中國(guó)電池產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)

近幾年新能源汽車的快速發(fā)展，帶動(dòng)了中國(guó)鋰電池材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，2017年中國(guó)境內(nèi)的電池生產(chǎn)企業(yè)已超過200家，是全球擁有鋰電池生產(chǎn)企業(yè)最多的國(guó)家。造成這般榮景的主要原因除了市場(chǎng)之外，還在于鋰元素來源的稀土，中國(guó)年產(chǎn)量占世界稀土產(chǎn)量的90%以上，出口總量占全球80%，未來我國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè)將不會(huì)受制于人。

而目前全球動(dòng)力電池前十大企業(yè)當(dāng)中，中國(guó)占了7家。在出貨量方面，中國(guó)動(dòng)力電池企業(yè)更是雄踞榜首，第一、第三、第四、第六名均是中國(guó)企業(yè)，分別是寧德時(shí)代、比亞迪、沃特瑪和國(guó)軒高科。面對(duì)未來快速的需求成長(zhǎng)，它們莫不積極擴(kuò)充產(chǎn)能，電池裝機(jī)量與Panasonic、三星SDI及LG化學(xué)等世界巨頭相比已經(jīng)不遑多讓，更有大幅趕超的趨勢(shì)。

毋庸諱言，在鋰電池材料生產(chǎn)這一環(huán)節(jié)中，無論是上游的礦產(chǎn)資源，還是各種電池材料，中國(guó)均有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，且部分產(chǎn)品已經(jīng)處于世界領(lǐng)先地位。但目前在部分高端產(chǎn)品，尤其是事關(guān)電池安全性的核心材料和制造工藝上仍有較大差距。希望透過今年新能源車補(bǔ)貼政策的調(diào)整，間接促使中國(guó)電池產(chǎn)業(yè)也進(jìn)入到質(zhì)變階段！