縱觀動力電池發展史，基本上只有兩個發展路線，我把它稱之為“化學手段”和“物理手段”，也就是電池材料與電池裝載技術的進化，兩種手段各有所長，下面我們就詳細說一下各自的特點。固態電池參戰！

 

       隨著電動汽車發展了多年，被消費者常常掛在嘴邊的續航里程，一直以來都是行業車企所要面對的最大挑戰。從150km到300km、500km、700km進步所帶來的成效也越來越明顯，特別是近年來，硅負極、CTP、CTC等關乎動力電池的技術相繼落地，為車輛的續航添加了一份助力，不過，這些技術在平常用戶眼里依然有些陌生。所以本期E說就懂就來為您淺析純電動車型動力電池的發展現況，讓您對于這些技術做一個入門的了解。

 

       縱觀動力電池發展史，基本上只有兩個發展路線，我把它稱之為“化學手段”和“物理手段”，也就是電池材料與電池裝載技術的進化，兩種手段各有所長，下面我們就詳細說一下各自的特點。

 

       “化學手段”——電池材料的演變

 

       目前，我們現在常聽到的動力電池共分為：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）是我們比較常見的。不過，雖然材料元素不同，但是鋰電池的整體內部構造卻是一樣的。一般來說，電池的構造按順序分為正極材料、電解液、隔膜、負極材料。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別的標準，而負極材料則為石墨或者硅。

 

       那么，它的工作原理是什么呢？簡單節說，鋰電池的整個運作過程可以說是一個鋰離子的“遷移”過程。

       當電池的正極材料生成鋰離子后，這些鋰離子從正極"游進"電解液里，通過電解液"穿過"隔膜上彎彎曲曲的小洞，運動到負極也就是嵌鋰，與早就通過外部電路跑到負極的電子結合在一起，以保證正負極的電荷平衡，而這其中外跑的電子就是我們所使用的電能了。因而負極材料石墨由于其形態是多層結構，所以可以在層級縫隙間儲存鋰離子，就好比冰箱的層級能儲存食物一樣。

       一般來說，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準。前面我們提到了現在市面上常見的磷酸鐵鋰與三元鋰電池，而這兩種電池正極材料孰優孰劣呢？我分別從幾個點來一一說明。

       能量密度：磷酸鐵鋰＜三元鋰

 

       磷酸鐵鋰電池全稱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構造成克容量和電壓平臺偏低，且磷酸鐵鋰顆粒的本身不密實，導致其振實密度和壓實密度低。也就是說在同等體積條件下，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，并且決定了電池內部材料的克容量（磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/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擁有較高的電池能量，就好比一個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，材料的循環性能就會變差。

 

       而鈷能夠使鋰離子的脫嵌更加容易，提高材料的導電性并提升放電循環性能，但是鈷的價格比較高特別是今年以來，鈷價已經從每噸50萬元以下上漲到每噸55萬元左右，因此含量過多會導致成本增加，降低性價比。錳則可以提高材料安全性和穩定性，但含量過高則會降低材料克容量。

 

       所以，目前有很多企業正開發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率能低于三元材料4個數量級所有，特別是在-20℃時，磷酸鐵鋰電池的容量只能達到常溫的1/3，并且其中的鋰離子擴散系數較常溫狀態下降兩個數量級，而當溫度繼續下降到-40℃時，磷酸鐵鋰只能保持常溫容量的20%。這主要就是因為磷酸鐵鋰電池其結構中相鄰的FeO6八面體通過共頂點連接，而這種結構導電率非常低，因此材料中的鋰離子擴散速度非常慢，所以充放電效率就受到影響。另外，低溫環境下，材料活性降低，能夠發生移動的鋰離子數量減少，導致其低溫性能差。而三元材料則沒有這個問題，因此在低溫環境下，充放電受到的影響較小。

        不過這里要插一句，影響電池低溫性能的除了正極材料的不同外，另一個原因在于電解液。由于電解液中存在高熔點溶劑，而它當溫度過低的情況下會產生一定的凝固現象，而上面說過，離子電池充放電的過程就是鋰離子通過電解液在電池正負極之間來回移動的過程。所以當低溫條件下電解液開始粘稠凝固，使鋰離子電池在電解液中移動的阻力變大，就好比之前是在盛滿水的泳池中游泳，現在水變成了淤泥了，由此降低鋰離子的移動速度，導致一部分鋰離子甚至無力穿透電池隔膜完成正負極的脫嵌和嵌入，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鍵非常的穩固，難以分解，所以即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質，磷酸鐵鋰分解溫度約在600℃，因此擁有良好的安全性。雖然在過充情況下，出現過燃燒和爆炸，但其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池、三元電池，已大有改善。

 

       而三元鋰材料會在200度左右發生分解。并且化學反應更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，更會發生連鎖反應。而磷酸鐵鋰在700-800度時才會發生分解，不會像三元鋰材料一樣釋放氧分子，燃燒沒那么劇烈。

 

       硅碳負極材料

 

       除了正極材料外，負極材料也是決定電池能量密度大小的另一個標準。目前，我們常見的電池都是采用石墨作為負極材料，這種材料在儲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，成為了改變電動汽車續航的關鍵。所以，在不斷地搜索和查找中，終于發現了硅這個材料。

       而在儲能特性上，硅的儲能容量是石墨的 10倍以上，達到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約30%。

 

       不過，硅這個元素雖然容量大，但是極易膨脹，硅材料在反應中體積變化高達320%，遠大于現有的碳材料12%的體積變化，這不僅僅會導致硅材料顆粒的粉化和破碎，引起SEI膜的破壞和再生長，消耗有限的鋰離子。除此之外，還會破壞負極導電網絡，導致部分活性物質無法參與反應，從而導致含有硅材料的負極的可逆容量快速衰降，所以要將硅運用到電池負極材料，對企業的技術實力是很有考驗的。

 

       固態電池參戰！

 

       現在我們知道，現在新能源車所用的磷酸鐵鋰電池或三元鋰電池因為含有大量的電解液，所以均屬于液態電池。但是由于材質的特性，電解液無法抑制鋰晶枝的形成，安全性能較差，且低溫效果不好，由此全固態電池就孕育而生了。

 

       固態電池與目前主流的傳統鋰離子電池最大的不同在于電解質。固態電池則是使用固體電解質，替代了傳統鋰離子電池的電解液和隔膜，在大電流下工作不會因出現鋰枝晶而刺破隔膜導致短路，不會在高溫下發生副反應，不會因產生氣體而發生燃燒。并且全固態電解質后，電池可以不必使用嵌鋰的石墨負極，而是直接使用金屬鋰來做負極，這樣可以大大減輕負極材料的用量，使得整個電池的能量密度有明顯提高，可達到300－400Wh／kg。另外，固態電解質解決了液態電解質在充放電過程中形成的固體電解質界面膜的問題和鋰枝晶現象，大大提升了鋰電池的循環性和使用壽命，能夠達到45000次循環左右。

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

 

       首先，因為采用了固態電解質，所以其與電極材料之間的是以固態狀態存在聯系的，因而導致電極與電解質之間的有效接觸較弱，離子在固體物質中傳輸動力學低，也就會造成界面阻抗過大的問題。

 

       其次，固態電池對于電解質的選擇也是一個非常棘手的難點。現在已知的發展路線共有四種，分別為：聚合物、薄膜、硫化物和氧化物。其中，對于薄膜固態電池和氧化物固態電池，難以研制大容量動力或儲能電池；聚合物固態電池則受限于現有聚氧化乙烯材料體系，無法在常溫下工作且難以兼容高電壓正極；硫化物固態電池則面臨電解質對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規模化生產技術不成熟等技術難題。

 

       最后就是固態電池的成本問題。首先全固態電池的生產工藝與我們現在常見的液態電池有著天壤之別，所以無法共線生產。因此，要是選擇生產制造固態電池的話需要重新設計建設一組生產線，并且固態電解質的價格也非常昂貴，所以一系列因素導致現階段全固態動力電池的成本仍然偏高，這也就導致了很多電池廠家退而求其次，將液態電池與固態電池混裝在電池包里，形成了價格經濟且能量密度也不差的半固態電池。

 

       不過，可以看出，新能源汽車電池的終極形態應該是固態電池，但是在制作成本與電池技術的制約下無法做大，所以現在依舊靠磷酸鐵鋰與三元鋰來撐場面，而這兩者到如今的技術發展以步入“天花板”狀態，那如何在不改變電池材料的狀態下提高電池的續航電量呢？“物理手段”就這樣出現了。

 

       “物理手段”——電池模組的進化

 

       其實市面上常見的純電動汽車與我們小時候玩的電動玩具車一樣，動力源來自車體下面搭載的電池，只不過純電動車的電池要更大更為復雜一些。早期的電動車型的電池系統是由電芯、模組、電池包組成。首先，先有多個電芯來組成一個電池模組，再由多個電池模組組成一個完整的電池包。這就好比先把袋裝咖啡一袋一袋的裝進包裝盒里，再把多個裝滿袋裝咖啡的包裝盒塞進大包裝箱里發貨一樣。而在這些電池模組中還會分布著一些管路電線，用來起到冷卻和輸電的工作，是不是聽著很復雜？

       不過，這種電池系統由于采用了模組化，所以本身在結構上就造成一些空間的浪費，其管線和模組箱體等占據了容積，讓擁有容電量的電池只占據整體電池包內部空間的50%左右，所以那個時候你看到的純電動車雖然電池包巨大，但是卻只能跑個200km。不過，在當時這也是無奈之舉，因為純電動車才剛剛起步，因此電芯的性能還不穩定，所以為了有效的避免熱失控等問題，不得已采用了模組設計。

 

       由此，隨著電動車型的技術發展，以去掉模組的CTP技術隨即誕生。

 

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

 

       這里您該問了，為何能提高能量密度？不是應該由電芯決定的嗎？

 

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

 

       要實現電池組層面的高能量密度，除了提高電芯的質量外，提升成組效率也是非常重要的。通常的傳統動力電池由三層結構組成，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%。也就是說你買了一套房，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等構件帶來的電能損耗，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，國內某品牌的電芯在單體能量密度突破300Wh/kg，但受限于傳統電池包的成組方式，電池系統層面的能量密度仍處于160Wh/kg左右。所以減少電池包內“不必要”的構件來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械強度、BMS與熱管理能力，這一技術趨勢就叫做去模組化也就是CTP技術。

 

       CTP技術能夠省掉或者減少組裝模組的端板、側板、管線以及用于固定模組的螺釘等緊固件，能提高體積利用率，所以由于電池包內部結構的減少，因此整體的重量也隨之減少，質量能量密度也就提高了起來增加續航。并且由于電池的組裝工藝更為簡單，節省了人力、物力等制造成本，加上零部件的成本減少，電池包的成本也會降低。

       不過，這種電池技術也有一定的局限性。首先，少了模組和一些構件后，電池包整體的支撐強度將面臨重大挑戰，而且少了模組化設計后，其上面配置的預防電芯熱失控系統也一并取消，因此對于電池BMS控制策略的要求也更為嚴格。

 

       還有一點要說的是，CTP技術對電芯一致性會有較高的要求，那這個一致性是什么意思？

 

       首先我們要先了解一個叫“木桶效應”的理論，一只木桶能盛多少水，并不取決于最長的那塊木板，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，單個電芯通過并聯或串聯形成一個電池組。單個電芯的性能與質量再好，若配組后同組內各單個電芯特性不一致或者組合封裝時初始狀態不一致，都會導致各單體電池的性能得不到充分發揮，發生單體電池間的相互“牽制”或者“拖后腿”現象，會造成容量損失、壽命下降和內阻增大等問題，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，有一些車企為了進一步的提高續航，消除“不必要”的電池包構件，又發出全新的CTC技術（Cell To Chassis ）也就是電池底盤一體化技術。這種技術其實可以看做一種“極端”，它基本上連電池包也不需要，將電池直接安放在底盤之上，也就是說車內成員直接坐在動力電池之上。并且CTC技術的電池系統結構強度完全依靠電芯外殼強度與車身強度來保障，所以這對于電芯制作會有著更為苛刻的要求。

 

       綜合看來，無論CTP技術還是CTC技術雖然在電池組的能量密度上會有所提升，但是在安全方面則會有所挑戰，特別是消費者在心理方面，是否能接受這一技術。另外，由于取消模組設計，如果單一電芯出現故障，在修理上只能將整個電池組拆除，所以在維修成本上會更多一些，不過隨著未來的發展，相信在未來會針對這一技術在后期維護上做出系統性的改變。

 

       寫在最后：

 

       現代新能源汽車的發展其實也就是最近二十年的時間，從一個小眾的“配角”走到了如今的“主角”位置，電池技術的發展進步功不可沒。本期內容筆者深入淺出的羅列出現在市場上主流發展的電池技術，但從技術宏觀來看，這些技術還只是鳳毛麟角，鈉離子電池、石墨烯電池等等都陪在后面虎視眈眈，只不過因為現有技術的原因未普及開來，所以筆者就不做過多贅述。但肯定的是，未來動力電池的技術突破或許會在車企百家爭鳴中蓬勃發展，而對于我們消費者來說絕對是一個利好的事情。 之后，EV視界還會普及更多關于新能源汽車的知識，敬請期待。