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        縱觀(guān)動(dòng)力電池發(fā)展史，基本上只有兩個(gè)發(fā)展路線(xiàn)，我把它稱(chēng)之為“化學(xué)手段”和“物理手段”，也就是電池材料與電池裝載技術(shù)的進(jìn)化，兩種手段各有所長(zhǎng)，下面我們就詳細(xì)說(shuō)一下各自的特點(diǎn)。固態(tài)電池參戰(zhàn)！

 

       隨著電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展了多年，被消費(fèi)者常常掛在嘴邊的續(xù)航里程，一直以來(lái)都是行業(yè)車(chē)企所要面對(duì)的最大挑戰(zhàn)。從150km到300km、500km、700km進(jìn)步所帶來(lái)的成效也越來(lái)越明顯，特別是近年來(lái)，硅負(fù)極、CTP、CTC等關(guān)乎動(dòng)力電池的技術(shù)相繼落地，為車(chē)輛的續(xù)航添加了一份助力，不過(guò)，這些技術(shù)在平常用戶(hù)眼里依然有些陌生。所以本期E說(shuō)就懂就來(lái)為您淺析純電動(dòng)車(chē)型動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)況，讓您對(duì)于這些技術(shù)做一個(gè)入門(mén)的了解。

 

       縱觀(guān)動(dòng)力電池發(fā)展史，基本上只有兩個(gè)發(fā)展路線(xiàn)，我把它稱(chēng)之為“化學(xué)手段”和“物理手段”，也就是電池材料與電池裝載技術(shù)的進(jìn)化，兩種手段各有所長(zhǎng)，下面我們就詳細(xì)說(shuō)一下各自的特點(diǎn)。

 

       “化學(xué)手段”——電池材料的演變

 

       目前，我們現(xiàn)在常聽(tīng)到的動(dòng)力電池共分為：鈷酸鋰（LiCoO2），錳酸鋰（LiMn2O4），鎳鈷錳酸鋰（LiNiMnCoO2或NMC），鎳鈷鋁酸鋰（LiNiCoAlO2或稱(chēng)NCA），磷酸鐵鋰（LiFePO4），鈦酸鋰（Li4Ti5O12）。而其中的磷酸鐵鋰和鎳鈷錳酸鋰（三元鋰）是我們比較常見(jiàn)的。不過(guò)，雖然材料元素不同，但是鋰電池的整體內(nèi)部構(gòu)造卻是一樣的。一般來(lái)說(shuō)，電池的構(gòu)造按順序分為正極材料、電解液、隔膜、負(fù)極材料。而前面所提到的磷酸鐵鋰與鎳鈷錳酸鋰均為電池的正極材料，也就是定位電池不同類(lèi)別的標(biāo)準(zhǔn)，而負(fù)極材料則為石墨或者硅。

 

       那么，它的工作原理是什么呢？簡(jiǎn)單節(jié)說(shuō)，鋰電池的整個(gè)運(yùn)作過(guò)程可以說(shuō)是一個(gè)鋰離子的“遷移”過(guò)程。

       當(dāng)電池的正極材料生成鋰離子后，這些鋰離子從正極"游進(jìn)"電解液里，通過(guò)電解液"穿過(guò)"隔膜上彎彎曲曲的小洞，運(yùn)動(dòng)到負(fù)極也就是嵌鋰，與早就通過(guò)外部電路跑到負(fù)極的電子結(jié)合在一起，以保證正負(fù)極的電荷平衡，而這其中外跑的電子就是我們所使用的電能了。因而負(fù)極材料石墨由于其形態(tài)是多層結(jié)構(gòu)，所以可以在層級(jí)縫隙間儲(chǔ)存鋰離子，就好比冰箱的層級(jí)能儲(chǔ)存食物一樣。

       一般來(lái)說(shuō)，電池的正極材料是決定電池整體能量密度與耐溫性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。前面我們提到了現(xiàn)在市面上常見(jiàn)的磷酸鐵鋰與三元鋰電池，而這兩種電池正極材料孰優(yōu)孰劣呢？我分別從幾個(gè)點(diǎn)來(lái)一一說(shuō)明。

       能量密度：磷酸鐵鋰＜三元鋰

 

       磷酸鐵鋰電池全稱(chēng)磷酸鐵鋰鋰離子電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。而三元鋰電池全稱(chēng)為“正極材料使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰等三元聚合物的鋰離子電池。其中，磷酸鐵鋰電池因元素結(jié)構(gòu)造成克容量和電壓平臺(tái)偏低，且磷酸鐵鋰顆粒的本身不密實(shí)，導(dǎo)致其振實(shí)密度和壓實(shí)密度低。也就是說(shuō)在同等體積條件下，磷酸鐵鋰裝的少，自然容量就小，能量密度也就偏低。

       而三元鋰電池由鎳、鈷、錳組合，其中：鎳可以提高材料的可逆容量，并且決定了電池內(nèi)部材料的克容量（磷酸鐵鋰?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。），所以可以讓三元材料電池?fù)碛休^高的電池能量，就好比一個(gè)全身肌肉的選手要比常人更有勁一樣，但是如果它的含量太高，材料的循環(huán)性能就會(huì)變差。

 

       而鈷能夠使鋰離子的脫嵌更加容易，提高材料的導(dǎo)電性并提升放電循環(huán)性能，但是鈷的價(jià)格比較高特別是今年以來(lái)，鈷價(jià)已經(jīng)從每噸50萬(wàn)元以下上漲到每噸55萬(wàn)元左右，因此含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致成本增加，降低性?xún)r(jià)比。錳則可以提高材料安全性和穩(wěn)定性，但含量過(guò)高則會(huì)降低材料克容量。

 

       所以，目前有很多企業(yè)正開(kāi)發(fā)811高鎳電池（鎳鈷錳的比例8:1:1），提高鎳使用含量，則三元電池的能量密度也就跟著升高，但熱穩(wěn)定性卻有所下降。

 

       低溫性能：磷酸鐵鋰＜三元鋰

 

       眾所周知，磷酸鐵鋰電池在低溫條件下的性能要低于三元鋰電池，這是為什么呢？

 

       首先，磷酸鐵鋰材料常溫下電導(dǎo)率能低于三元材料4個(gè)數(shù)量級(jí)所有，特別是在-20℃時(shí)，磷酸鐵鋰電池的容量只能達(dá)到常溫的1/3，并且其中的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)較常溫狀態(tài)下降兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而當(dāng)溫度繼續(xù)下降到-40℃時(shí)，磷酸鐵鋰只能保持常溫容量的20%。這主要就是因?yàn)榱姿徼F鋰電池其結(jié)構(gòu)中相鄰的FeO6八面體通過(guò)共頂點(diǎn)連接，而這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)電率非常低，因此材料中的鋰離子擴(kuò)散速度非常慢，所以充放電效率就受到影響。另外，低溫環(huán)境下，材料活性降低，能夠發(fā)生移動(dòng)的鋰離子數(shù)量減少，導(dǎo)致其低溫性能差。而三元材料則沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題，因此在低溫環(huán)境下，充放電受到的影響較小。

        不過(guò)這里要插一句，影響電池低溫性能的除了正極材料的不同外，另一個(gè)原因在于電解液。由于電解液中存在高熔點(diǎn)溶劑，而它當(dāng)溫度過(guò)低的情況下會(huì)產(chǎn)生一定的凝固現(xiàn)象，而上面說(shuō)過(guò)，離子電池充放電的過(guò)程就是鋰離子通過(guò)電解液在電池正負(fù)極之間來(lái)回移動(dòng)的過(guò)程。所以當(dāng)?shù)蜏貤l件下電解液開(kāi)始粘稠凝固，使鋰離子電池在電解液中移動(dòng)的阻力變大，就好比之前是在盛滿(mǎn)水的泳池中游泳，現(xiàn)在水變成了淤泥了，由此降低鋰離子的移動(dòng)速度，導(dǎo)致一部分鋰離子甚至無(wú)力穿透電池隔膜完成正負(fù)極的脫嵌和嵌入，使電池充放電量減少。

 

       安全性能：磷酸鐵鋰＞三元鋰

 

       在電池安全方面，磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵非常的穩(wěn)固，難以分解，所以即便在高溫或過(guò)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)，磷酸鐵鋰分解溫度約在600℃，因此擁有良好的安全性。雖然在過(guò)充情況下，出現(xiàn)過(guò)燃燒和爆炸，但其過(guò)充安全性較之普通液態(tài)電解液鈷酸鋰電池、三元電池，已大有改善。

 

       而三元鋰材料會(huì)在200度左右發(fā)生分解。并且化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，會(huì)釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，更會(huì)發(fā)生連鎖反應(yīng)。而磷酸鐵鋰在700-800度時(shí)才會(huì)發(fā)生分解，不會(huì)像三元鋰材料一樣釋放氧分子，燃燒沒(méi)那么劇烈。

 

       硅碳負(fù)極材料

 

       除了正極材料外，負(fù)極材料也是決定電池能量密度大小的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。目前，我們常見(jiàn)的電池都是采用石墨作為負(fù)極材料，這種材料在儲(chǔ)存鋰離子方面是有一定的限制，只有372mAh/g。因此，如何增大電池的能力容量，成為了改變電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航的關(guān)鍵。所以，在不斷地搜索和查找中，終于發(fā)現(xiàn)了硅這個(gè)材料。

       而在儲(chǔ)能特性上，硅的儲(chǔ)能容量是石墨的 10倍以上，達(dá)到4200mAh/g，帶有硅電極的鋰離子電池的使用壽命比帶有石墨電極的鋰離子電池長(zhǎng)約30%。

 

       不過(guò)，硅這個(gè)元素雖然容量大，但是極易膨脹，硅材料在反應(yīng)中體積變化高達(dá)320%，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的碳材料12%的體積變化，這不僅僅會(huì)導(dǎo)致硅材料顆粒的粉化和破碎，引起SEI膜的破壞和再生長(zhǎng)，消耗有限的鋰離子。除此之外，還會(huì)破壞負(fù)極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致部分活性物質(zhì)無(wú)法參與反應(yīng)，從而導(dǎo)致含有硅材料的負(fù)極的可逆容量快速衰降，所以要將硅運(yùn)用到電池負(fù)極材料，對(duì)企業(yè)的技術(shù)實(shí)力是很有考驗(yàn)的。

 

       固態(tài)電池參戰(zhàn)！

 

       現(xiàn)在我們知道，現(xiàn)在新能源車(chē)所用的磷酸鐵鋰電池或三元鋰電池因?yàn)楹�有大量的電解��，所以均屬于液態(tài)電池。但是由于材質(zhì)的特性，電解液無(wú)法抑制鋰晶枝的形成，安全性能較差，且低溫效果不好，由此全固態(tài)電池就孕育而生了。

 

       固態(tài)電池與目前主流的傳統(tǒng)鋰離子電池最大的不同在于電解質(zhì)。固態(tài)電池則是使用固體電解質(zhì)，替代了傳統(tǒng)鋰離子電池的電解液和隔膜，在大電流下工作不會(huì)因出現(xiàn)鋰枝晶而刺破隔膜導(dǎo)致短路，不會(huì)在高溫下發(fā)生副反應(yīng)，不會(huì)因產(chǎn)生氣體而發(fā)生燃燒。并且全固態(tài)電解質(zhì)后，電池可以不必使用嵌鋰的石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰來(lái)做負(fù)極，這樣可以大大減輕負(fù)極材料的用量，使得整個(gè)電池的能量密度有明顯提高，可達(dá)到300－400Wh／kg。另外，固態(tài)電解質(zhì)解決了液態(tài)電解質(zhì)在充放電過(guò)程中形成的固體電解質(zhì)界面膜的問(wèn)題和鋰枝晶現(xiàn)象，大大提升了鋰電池的循環(huán)性和使用壽命，能夠達(dá)到45000次循環(huán)左右。

       但是，凡事總有好壞兩面，固態(tài)電池雖有多樣好處，但是以下幾點(diǎn)卻是制約其發(fā)展的主要原因。

 

       首先，因?yàn)椴捎昧斯虘B(tài)電解質(zhì)，所以其與電極材料之間的是以固態(tài)狀態(tài)存在聯(lián)系的，因而導(dǎo)致電極與電解質(zhì)之間的有效接觸較弱，離子在固體物質(zhì)中傳輸動(dòng)力學(xué)低，也就會(huì)造成界面阻抗過(guò)大的問(wèn)題。

 

       其次，固態(tài)電池對(duì)于電解質(zhì)的選擇也是一個(gè)非常棘手的難點(diǎn)�，F(xiàn)在已知的發(fā)展路線(xiàn)共有四種，分別為：聚合物、薄膜、硫化物和氧化物。其中，對(duì)于薄膜固態(tài)電池和氧化物固態(tài)電池，難以研制大容量動(dòng)力或儲(chǔ)能電池；聚合物固態(tài)電池則受限于現(xiàn)有聚氧化乙烯材料體系，無(wú)法在常溫下工作且難以兼容高電壓正極；硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對(duì)空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)�；�生產(chǎn)技術(shù)不成熟等技術(shù)難題。

 

       最后就是固態(tài)電池的成本問(wèn)題。首先全固態(tài)電池的生產(chǎn)工藝與我們現(xiàn)在常見(jiàn)的液態(tài)電池有著天壤之別，所以無(wú)法共線(xiàn)生產(chǎn)。因此，要是選擇生產(chǎn)制造固態(tài)電池的話(huà)需要重新設(shè)計(jì)建設(shè)一組生產(chǎn)線(xiàn)，并且固態(tài)電解質(zhì)的價(jià)格也非常昂貴，所以一系列因素導(dǎo)致現(xiàn)階段全固態(tài)動(dòng)力電池的成本仍然偏高，這也就導(dǎo)致了很多電池廠(chǎng)家退而求其次，將液態(tài)電池與固態(tài)電池混裝在電池包里，形成了價(jià)格經(jīng)濟(jì)且能量密度也不差的半固態(tài)電池。

 

       不過(guò)，可以看出，新能源汽車(chē)電池的終極形態(tài)應(yīng)該是固態(tài)電池，但是在制作成本與電池技術(shù)的制約下無(wú)法做大，所以現(xiàn)在依舊靠磷酸鐵鋰與三元鋰來(lái)?yè)螆?chǎng)面，而這兩者到如今的技術(shù)發(fā)展以步入“天花板”狀態(tài)，那如何在不改變電池材料的狀態(tài)下提高電池的續(xù)航電量呢？“物理手段”就這樣出現(xiàn)了。

 

       “物理手段”——電池模組的進(jìn)化

 

       其實(shí)市面上常見(jiàn)的純電動(dòng)汽車(chē)與我們小時(shí)候玩的電動(dòng)玩具車(chē)一樣，動(dòng)力源來(lái)自車(chē)體下面搭載的電池，只不過(guò)純電動(dòng)車(chē)的電池要更大更為復(fù)雜一些。早期的電動(dòng)車(chē)型的電池系統(tǒng)是由電芯、模組、電池包組成。首先，先有多個(gè)電芯來(lái)組成一個(gè)電池模組，再由多個(gè)電池模組組成一個(gè)完整的電池包。這就好比先把袋裝咖啡一袋一袋的裝進(jìn)包裝盒里，再把多個(gè)裝滿(mǎn)袋裝咖啡的包裝盒塞進(jìn)大包裝箱里發(fā)貨一樣。而在這些電池模組中還會(huì)分布著一些管路電線(xiàn)，用來(lái)起到冷卻和輸電的工作，是不是聽(tīng)著很復(fù)雜？

       不過(guò)，這種電池系統(tǒng)由于采用了模組化，所以本身在結(jié)構(gòu)上就造成一些空間的浪費(fèi)，其管線(xiàn)和模組箱體等占據(jù)了容積，讓擁有容電量的電池只占據(jù)整體電池包內(nèi)部空間的50%左右，所以那個(gè)時(shí)候你看到的純電動(dòng)車(chē)雖然電池包巨大，但是卻只能跑個(gè)200km。不過(guò)，在當(dāng)時(shí)這也是無(wú)奈之舉，因?yàn)榧冸妱?dòng)車(chē)才剛剛起步，因此電芯的性能還不穩(wěn)定，所以為了有效的避免熱失控等問(wèn)題，不得已采用了模組設(shè)計(jì)。

 

       由此，隨著電動(dòng)車(chē)型的技術(shù)發(fā)展，以去掉模組的CTP技術(shù)隨即誕生。

 

       CTP的全稱(chēng)為cell to pack， 也就是將電芯直接集成到電池包內(nèi)的技術(shù)，就好比上面提到的袋裝咖啡直接放到大包裝箱里。采用這種技術(shù)的電池包取消了電池模組的設(shè)計(jì)，降低電池成本，來(lái)提升電池包的能量密度。

 

       這里您該問(wèn)了，為何能提高能量密度？不是應(yīng)該由電芯決定的嗎？

 

       其實(shí)不然，這里我先列出一個(gè)公式：電池組能量密度 =電芯能量密度×成組效率。

 

       要實(shí)現(xiàn)電池組層面的高能量密度，除了提高電芯的質(zhì)量外，提升成組效率也是非常重要的。通常的傳統(tǒng)動(dòng)力電池由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為電芯模組和電池包，而它們一般情況下的成組效率在60%~70%。也就是說(shuō)你買(mǎi)了一套房，這60%-70%只是你的使用面積，而剩下的為公攤面積。所以如果再加上管線(xiàn)等構(gòu)件帶來(lái)的電能損耗，一整套電池組的能量密度是要低于電芯的單體能量密度。

 

       資料顯示，國(guó)內(nèi)某品牌的電芯在單體能量密度突破300Wh/kg，但受限于傳統(tǒng)電池包的成組方式，電池系統(tǒng)層面的能量密度仍處于160Wh/kg左右。所以減少電池包內(nèi)“不必要”的構(gòu)件來(lái)塞下更多電芯以提升成組效率，并且還要保證電池組層面的框架機(jī)械強(qiáng)度、BMS與熱管理能力，這一技術(shù)趨勢(shì)就叫做去模組化也就是CTP技術(shù)。

 

       CTP技術(shù)能夠省掉或者減少組裝模組的端板、側(cè)板、管線(xiàn)以及用于固定模組的螺釘?shù)染o固件，能提高體積利用率，所以由于電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)的減少，因此整體的重量也隨之減少，質(zhì)量能量密度也就提高了起來(lái)增加續(xù)航。并且由于電池的組裝工藝更為簡(jiǎn)單，節(jié)省了人力、物力等制造成本，加上零部件的成本減少，電池包的成本也會(huì)降低。

       不過(guò)，這種電池技術(shù)也有一定的局限性。首先，少了模組和一些構(gòu)件后，電池包整體的支撐強(qiáng)度將面臨重大挑戰(zhàn)，而且少了模組化設(shè)計(jì)后，其上面配置的預(yù)防電芯熱失控系統(tǒng)也一并取消，因此對(duì)于電池BMS控制策略的要求也更為嚴(yán)格。

 

       還有一點(diǎn)要說(shuō)的是，CTP技術(shù)對(duì)電芯一致性會(huì)有較高的要求，那這個(gè)一致性是什么意思？

 

       首先我們要先了解一個(gè)叫“木桶效應(yīng)”的理論，一只木桶能盛多少水，并不取決于最長(zhǎng)的那塊木板，而是取決于最短的那塊木板。

       電池包也是如此。以早期的模組電池為例，單個(gè)電芯通過(guò)并聯(lián)或串聯(lián)形成一個(gè)電池組。單個(gè)電芯的性能與質(zhì)量再好，若配組后同組內(nèi)各單個(gè)電芯特性不一致或者組合封裝時(shí)初始狀態(tài)不一致，都會(huì)導(dǎo)致各單體電池的性能得不到充分發(fā)揮，發(fā)生單體電池間的相互“牽制”或者“拖后腿”現(xiàn)象，會(huì)造成容量損失、壽命下降和內(nèi)阻增大等問(wèn)題，使電池組整體特性急劇衰退或部分電池加速損壞。

 

       除了CTP技術(shù)，有一些車(chē)企為了進(jìn)一步的提高續(xù)航，消除“不必要”的電池包構(gòu)件，又發(fā)出全新的CTC技術(shù)（Cell To Chassis ）也就是電池底盤(pán)一體化技術(shù)。這種技術(shù)其實(shí)可以看做一種“極端”，它基本上連電池包也不需要，將電池直接安放在底盤(pán)之上，也就是說(shuō)車(chē)內(nèi)成員直接坐在動(dòng)力電池之上。并且CTC技術(shù)的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完全依靠電芯外殼強(qiáng)度與車(chē)身強(qiáng)度來(lái)保障，所以這對(duì)于電芯制作會(huì)有著更為苛刻的要求。

 

       綜合看來(lái)，無(wú)論CTP技術(shù)還是CTC技術(shù)雖然在電池組的能量密度上會(huì)有所提升，但是在安全方面則會(huì)有所挑戰(zhàn)，特別是消費(fèi)者在心理方面，是否能接受這一技術(shù)。另外，由于取消模組設(shè)計(jì)，如果單一電芯出現(xiàn)故障，在修理上只能將整個(gè)電池組拆除，所以在維修成本上會(huì)更多一些，不過(guò)隨著未來(lái)的發(fā)展，相信在未來(lái)會(huì)針對(duì)這一技術(shù)在后期維護(hù)上做出系統(tǒng)性的改變。

 

       寫(xiě)在最后：

 

       現(xiàn)代新能源汽車(chē)的發(fā)展其實(shí)也就是最近二十年的時(shí)間，從一個(gè)小眾的“配角”走到了如今的“主角”位置，電池技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步功不可沒(méi)。本期內(nèi)容筆者深入淺出的羅列出現(xiàn)在市場(chǎng)上主流發(fā)展的電池技術(shù)，但從技術(shù)宏觀(guān)來(lái)看，這些技術(shù)還只是鳳毛麟角，鈉離子電池、石墨烯電池等等都陪在后面虎視眈眈，只不過(guò)因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)的原因未普及開(kāi)來(lái)，所以筆者就不做過(guò)多贅述。但肯定的是，未來(lái)動(dòng)力電池的技術(shù)突破或許會(huì)在車(chē)企百家爭(zhēng)鳴中蓬勃發(fā)展，而對(duì)于我們消費(fèi)者來(lái)說(shuō)絕對(duì)是一個(gè)利好的事情。 之后，EV視界還會(huì)普及更多關(guān)于新能源汽車(chē)的知識(shí)，敬請(qǐng)期待。