既要安全，又要續(xù)航，何時才能找到完美的新能源汽車電池？

如何挑選新能源汽車電池？成本、壽命、安全性、耐用性全都要。

如何你打算購買一輛新能源汽車，你會問什么？

“續(xù)航多久？”

“冬天耐不耐用？充電快不快？”

但關(guān)注的重點(diǎn)最后都落向了安全性：“這車的電池會自燃嗎？”

新能源汽車廠商的較量

新能源汽車，考慮續(xù)航與安全性問題，都得歸結(jié)到電池上。

現(xiàn)今，主流的電動汽車，包括特斯拉、廣汽傳祺、蔚來等采用的都是三元鋰電池，而這款電池最大的缺點(diǎn)便是穩(wěn)定性差，如果內(nèi)部短路或是正極材料遇水，都會有明火產(chǎn)生。

為了解決這個隱患，今年年初特斯拉宣布國產(chǎn) Model3 采用寧德時代提供的無鈷電池。不久，國內(nèi)新能源汽車代表——比亞迪也推出了自家的刀片電池。

這兩款電池本質(zhì)都是磷酸鐵鋰電池。

就在本月 12 號，搭載自產(chǎn)刀片電池的比亞迪漢正式上市，其用意自然對標(biāo)特斯拉 Model 3。

然而，磷酸鐵鋰電池也不是完美的。

磷酸鐵鋰VS 三元鋰

?磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池因?yàn)槌杀镜?、安全性高且壽命長，所以在 2016 年之前的新能源汽車市場，大多數(shù)車型都采用磷酸鐵鋰電池。

圖 |?磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)

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磷酸鐵鋰的晶體結(jié)構(gòu)由原子直徑較大的鐵、磷、氧組成，鋰離子則游離在其中，當(dāng)鋰離子脫離時，晶體結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生重排。其次由于 P-O 共價鍵的鍵能很大，所以穩(wěn)定性很強(qiáng)，共價鍵另一端的氧原子也很難被氧化釋放，高溫或者過充都不會使其結(jié)構(gòu)崩塌。

這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性讓磷酸鐵鋰有很好的耐高溫性，電熱峰值可達(dá) 500℃左右，由于沒有氧分子分離的風(fēng)險，受到外力發(fā)生自燃的概率也低很多。所以磷酸鐵鋰電池不僅壽命長，而且安全系數(shù)十分高。

但磷酸鐵鋰電池也有它的缺點(diǎn)，由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)，鋰離子擴(kuò)散速度慢，導(dǎo)致其導(dǎo)電率低，充放電效率也很低，這種現(xiàn)象在低溫環(huán)境下更為明顯。其次磷酸鐵鋰顆粒本身不密實(shí)，所以能量密度遠(yuǎn)不如三元鋰電池，在續(xù)航上的表現(xiàn)讓令消費(fèi)者很難滿意。

此前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為磷酸鐵鋰電池的能量密度已經(jīng)到了理論值的天花板，但即便是已經(jīng)到了所謂的理論極限，磷酸鐵鋰電池依舊難堪大任，于是整個行業(yè)都對磷酸鐵鋰失去了信心。像比亞迪和寧德時代這種磷酸鐵鋰電池生產(chǎn)大戶，都逐步轉(zhuǎn)向生產(chǎn)三元鋰材料電池。

三元材料電池

隨著技術(shù)的發(fā)展和消費(fèi)者對續(xù)航的硬性需求，低溫性能更優(yōu)、能量密度更高的三元鋰電池開始占領(lǐng)了市場。在 2016-2019 年的這個窗口期，采用三元鋰電池的汽車更有競爭力。到了 2019 年，幾乎所有車型都采用三元鋰電池。

作為新能源汽車領(lǐng)域的巨頭，特斯拉采用的是松下的鎳鈷鋁酸鋰三元鋰電池，也就是所謂的 NCA，其中 Model S 和 Model X 采用的是松下 18650 電池組，而最新的 Model 3 則采用了更大容量的 21700 圓柱體電池組。

三元正極材料一般是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，每個元素由于自身特點(diǎn)制約著電池性能，所以里面鎳鈷錳的比例可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整。

圖 | 三元材料晶體結(jié)構(gòu)

鎳可以提高材料的可逆容量，但是如果鎳含量太高，材料的循環(huán)性能就會變差。鈷能夠使加速鋰離子的脫嵌，提高導(dǎo)電能力，但是鈷含量過高會導(dǎo)致成本較高，性價比低。錳可以提高材料安全性和穩(wěn)定性，含量過高則會降低材料克容量。

由于三元材料結(jié)構(gòu)十分緊湊，所以單體電芯能量密度高，同等電池的體積下，可以比磷酸鐵鋰電池有更大的容量。根據(jù)寧德時代的計劃，三元材料電池將在 2020 年實(shí)現(xiàn)單體能量密度 300Wh/kg，這幾乎是磷酸鐵鋰電池容量的一倍。

此外，三元材料電池在冬季低溫條件下的衰減程度也更低，大部分三元鋰電池低溫衰減率約為 15%，而磷酸鋰電池的低溫衰減率甚至可以高達(dá)到 50%。

但三元材料的缺點(diǎn)十分明顯，在安全方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及磷酸鐵鋰電池。由于其元素本身不耐高溫，對氧的束縛低，極端情況下氧分子很容易被釋放出來，所以一旦發(fā)生碰撞擠壓或是高溫影響，就容易出現(xiàn)電池自燃現(xiàn)象。

刀片電池，目前的最優(yōu)解

三元鋰電池的普及，一定程度是因?yàn)楫?dāng)時國家政策的指導(dǎo)性。

2017 年 3 月 1 日，中央四部委印發(fā)了《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動方案》通知，明確指出“將提高電池比能量作為今后的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一”。

于是續(xù)航能力強(qiáng)且潛力無限的三元鋰電池很快取代了磷酸鐵鋰電池，強(qiáng)大的續(xù)航能力也為新能源汽車的推廣和普及做了很大的努力。

但當(dāng)續(xù)航解決之后，安全性較差的問題凸顯了。從 2018 年開始，國內(nèi)新能源汽車因?yàn)殡姵厥鹿屎凸收蠠嚨氖鹿暑l發(fā)，似乎大家已經(jīng)見怪不怪了。

從上圖來看，絕大多數(shù)電池自燃都與三元鋰電池有關(guān)。磷酸鐵鋰電池的安全性再次被各大車廠關(guān)注。

其實(shí)刀片電池只是比亞迪的說法，在寧德時代那里叫 CTP（cell to pack）技術(shù)，兩者在思路上其實(shí)并沒有不同，不過比亞迪明顯做得更好。

傳統(tǒng)動力電池的發(fā)展思路，是把電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再將模組安裝在電池包（Pack）里，形成“電芯 - 模組 - 電池包”的三級裝配模式，但模組自身也有體積和重量。

圖 | 刀片電池結(jié)構(gòu)

通俗來講 CTP 技術(shù)就是繞開模組，直接用電芯組成電池包，省出來的體積和重量，可以用來大幅增加電量、提高續(xù)航。

在比亞迪的設(shè)計方案里，電芯被設(shè)計成長條狀的方形鋁殼；再將電芯通過堆棧式擺放，像“刀片”一樣插入到電池包，從而使得電池空間利用率達(dá)到 60%。

刀片電池本身作為磷酸鐵鋰電池，其能量密度并沒有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。但刀片電池單個電芯的長度可以達(dá)到 2.1 米，是傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的十倍以上，也可以說是從另一個角度解決了磷酸鐵鋰電池能量密度的問題。

值得一提的是，CTP 技術(shù)不僅可以用在磷酸鐵鋰電池上，在寧德時代的設(shè)想里，該技術(shù)也能用在三元鋰電池上。

所以 CTP 技術(shù)只是一個新的解題思路，但并不一定是最終的“正確答案”，畢竟三元鋰電池的潛力遠(yuǎn)比磷酸鐵鋰電池大。

誰才是新能源汽車的未來

三元鋰和磷酸鐵鋰，這兩種電芯作為互補(bǔ)的存在，各自都有優(yōu)缺點(diǎn)。

誰是新能源汽車的未來？暫時沒有，可能也不會有結(jié)果——畢竟魚與熊掌不可兼得。而我們能做的，只是通過新技術(shù)，彌補(bǔ)兩者的缺點(diǎn)。

由于國家政策的扶持，中國的新能源汽車行業(yè)以極其夸張的速度進(jìn)行擴(kuò)張，如今國內(nèi)新能源汽車在續(xù)航上已經(jīng)可以比肩特斯拉，但保證續(xù)航的前提是保證安全性。

在技術(shù)層面無法趕上特斯拉之前，安全性無疑是國內(nèi)消費(fèi)者選擇國產(chǎn)汽車最重要的原因之一。

所以刀片電池推出之后，很多企業(yè)重新開始重視起磷酸鐵鋰電池的研發(fā)。

三十年河?xùn)|，三十年河西。在 2018 年磷酸鐵鋰電池被行業(yè)無情拋棄之后，2020 年的三元鋰電池又因?yàn)槌杀靖?、安全性差被行業(yè)看衰。

從目前趨勢來看，磷酸鐵鋰電池將回歸主流，直到被下一個技術(shù)所淘汰。