策劃&撰寫(xiě)：家衡
如何你打算購(gòu)買(mǎi)一輛新能源汽車(chē)，你會(huì)問(wèn)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(chē)的電池會(huì)自燃嗎？”
新能源汽車(chē)，考慮續(xù)航與安全性問(wèn)題，都得歸結(jié)到電池上。
現(xiàn)今，主流的電動(dòng)汽車(chē)，包括特斯拉、廣汽傳祺、蔚來(lái)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(huì)有明火產(chǎn)生。
為了解決這個(gè)隱患，今年年初特斯拉宣布國(guó)產(chǎn)Model3采用寧德時(shí)代提供的無(wú)鈷電池。不久，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)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(hào)，搭載自產(chǎn)刀片電池的比亞迪漢正式上市，其用意自然對(duì)標(biāo)特斯拉Model 3。
然而，磷酸鐵鋰電池也不是完美的。
· 磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰電池因?yàn)槌杀镜?、安全性高且壽命長(zhǎng)，所以在2016年之前的新能源汽車(chē)市場(chǎng)，大多數(shù)車(chē)型都采用磷酸鐵鋰電池。
圖 | 磷酸鐵鋰晶體結(jié)構(gòu)
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(shí)，晶體結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生重排。其次由于P-O共價(jià)鍵的鍵能很大，所以穩(wěn)定性很強(qiáng)，共價(jià)鍵另一端的氧原子也很難被氧化釋放，高溫或者過(guò)充都不會(huì)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(méi)有氧分子分離的風(fēng)險(xiǎn)，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(zhǎng)，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(gè)行業(yè)都對(duì)磷酸鐵鋰失去了信心。像比亞迪和寧德時(shí)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(duì)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(kāi)始占領(lǐng)了市場(chǎng)。在2016-2019年的這個(gè)窗口期，采用三元鋰電池的汽車(chē)更有競(jìng)爭(zhēng)力。到了2019年，幾乎所有車(chē)型都采用三元鋰電池。
作為新能源汽車(chē)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(gè)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(huì)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(guò)高會(huì)導(dǎo)致成本較高，性價(jià)比低。錳可以提高材料安全性和穩(wěn)定性，含量過(guò)高則會(huì)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(shí)代的計(jì)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(duì)氧的束縛低，極端情況下氧分子很容易被釋放出來(lái)，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。
三元鋰電池的普及，一定程度是因?yàn)楫?dāng)時(shí)國(guó)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(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動(dòng)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(wú)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(chē)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(wèn)題凸顯了。從2018年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)因?yàn)殡姵厥鹿屎凸收蠠?chē)的事故頻發(fā)，似乎大家已經(jīng)見(jiàn)怪不怪了。
從上圖來(lái)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(chē)廠關(guān)注。
其實(shí)刀片電池只是比亞迪的說(shuō)法，在寧德時(shí)代那里叫CTP（cell to pack）技術(shù)，兩者在思路上其實(shí)并沒(méi)有不同，不過(guò)比亞迪明顯做得更好。
傳統(tǒng)動(dòng)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(jí)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(lái)講CTP技術(shù)就是繞開(kāi)模組，直接用電芯組成電池包，省出來(lái)的體積和重量，可以用來(lái)大幅增加電量、提高續(xù)航。
在比亞迪的設(shè)計(jì)方案里，電芯被設(shè)計(jì)成長(zhǎng)條狀的方形鋁殼；再將電芯通過(guò)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(méi)有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。但刀片電池單個(gè)電芯的長(zhǎng)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(shuō)是從另一個(gè)角度解決了磷酸鐵鋰電池能量密度的問(wèn)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(shí)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(gè)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。
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(shuí)是新能源汽車(chē)的未來(lái)？暫時(shí)沒(méi)有，可能也不會(huì)有結(jié)果——畢竟魚(yú)與熊掌不可兼得。而我們能做的，只是通過(guò)新技術(shù)，彌補(bǔ)兩者的缺點(diǎn)。
由于國(guó)家政策的扶持，中國(guó)的新能源汽車(chē)行業(yè)以極其夸張的速度進(jìn)行擴(kuò)張，如今國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)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(wú)法趕上特斯拉之前，安全性無(wú)疑是國(guó)內(nèi)消費(fèi)者選擇國(guó)產(chǎn)汽車(chē)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(kāi)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(wú)情拋棄之后，2020年的三元鋰電池又因?yàn)槌杀靖摺?span style="font-family: "Microsoft YaHei";font-size: 15px;">安全性差被行業(yè)看衰。
從目前趨勢(shì)來(lái)看，磷酸鐵鋰電池將回歸主流，直到被下一個(gè)技術(shù)所淘汰。
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