来电进化论 电动汽车电池技术变迁与未来

许鸿德

01.全电力驱动车辆的生产成本分析中，电池占整车成本40%～50%，电池可说是电动车最关键的零组件，很大程度上决定电动车的性能高低！

02.车用动力电池经历了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等多种类型的发展和探索之后，锂离子动力电池由于能量密度高、大功率充放电能力强、对环境无污染等优点，已逐渐成为电动汽车动力电池的首选。

电池的巨大商机

以往我们会说，一辆车的心脏是发动机，但对于电动车来说，它的心脏则是包括两部份——马达与电池！

不可否认，2018年堪称中国车市“充满挑战”的一年：中国车市在保持28年持续增长之后首次面临下行。然而在中国车市哀鸿遍野的状况下，新能源车市场却逆风上行，由于参与厂商的高度热情与政策法规的鼓励，中国目前不但是全球最大电动车单一市场，其规模更远远领先其他国家！

而对于电动车不可或缺的能量来源——电池来说呢？拿我们日常生活中常用到的笔记本电脑或手机举例，一辆电动车需搭载可供1000～2000台笔记本电脑使用的锂电池，这意味着只要100万辆电动汽车需求，就能达到目前全球笔记本电脑对锂电池的需求量。目前中国境内的乘用电动车平均电池容量为35kWh，意味着每年这部分的电池需求将近27 GWh（gigawatts：十亿瓦），已超过中国一年售出所有新手机的电池需求量，其市场规模的巨大可见一般。

如今的“锂”由

打从公元1800年意大利科学家亚历山德拉·伏特（Alessandro Volta）发明“伏特电堆（Voltaic piles）”至今，人类使用电池的历史已超过200年，甚至你不知道的是，电动车的发展历史也远早于内燃式汽油发动机车辆（美国人Thomas Davenport在1834年就制造出第一辆直流电机驱动的电动车）。但电动车的发展之所以远远落后于内燃式发动机车辆，主因仍在于输出功率及制造成本在内的性能指标没有竞争力。而车用动力电池经历了铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等多种类型发展和探索之后，目前锂离子动力电池由于能量密度高、大功率充放电能力强、对环境无污染等优点，已逐渐成为电动汽车动力电池的首选。

锂离子电池（Lithium-ion battery）其实泛指所有依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作的充电电池，此种电池使用不同锂化合物作为正极材料，主要常见的有：锂钴氧化物（LiCoO₂）、锰酸锂（LiMn2O₄）、镍酸锂（LiNiO₂）及磷酸锂铁（LiFePO₄）等，经过近30年的发展，目前国际主流锂电池类型为三元锂电池和磷酸铁锂电池。锂离子电池正极材料的价格与原料金属的价格行情一致，其中以钴（Co）最为稀缺，镍（Ni）、锰（Mn）较为便宜，但其价格也大幅制约电动车降低成本以达到普及化的可能性。一度以磷酸铁锂（LiFePO₄）材料作电池正极的锂离子电池被看好最适合电动车使用，原因在于铁砂的价格大大低于其他稀有金属。

三元锂与磷酸铁锂大战

三元锂电池材料中镍、钴、锰的组合由安全性尚可的3：3：3（镍、钴、锰三种金属的用量比例），一步一步地迈向5：2：3、6：2：2、8：1：1比例，随着镍金属用量的增加，在储电容量提高的同时，电池的热失控温度和安全性却也逐步下降，使用热失控温度越低的正极材料，电池的安全性越差。目前Tesla使用的三元锂离子电池其热失控温度已不足200℃，若非聪明可靠的温控管理系统，实在危险！

反观磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固、难以分解，即便在高温或过充时也不会像钴酸锂一样结构崩塌发热或是形成强氧化性物质，因此拥有良好的安全性。此外，磷酸铁锂电池寿命是普通锂电池的4～5倍，还有高于锂电池8～10倍的高放电功率（可瞬间产生大电流），加上同样能量密度下的整体重量较锂电池减少30～50%等特性，让它被视为最合适需要大扭力之电动车辆所使用的二次电池技术。

但磷酸铁锂电池在车用领域却面临最大瓶颈：其重量与容量（密度）比落后三元锂电池30%（意味着相同储电容量下，磷酸铁锂电池的重量增加30%），该劣势在固定不动的场景（家用储能等）问题不大，但却对电动车性能有绝对影响力：电动车的设计在本质上已经与歼15等航母舰载战斗机有着许多共同点，电池容量小则限制续航力，但电池增加也加大车身体积及重量，这一方面又需要更多的能量和更强劲的电机来驱动车体，反而降低了电动车的性能。

正因如此，从2018年開始、比亚迪旗下销售的大多数新能源车型已由磷酸铁锂电池转换为使用NCM三元锂电池，包括e5和秦Pro EV500等纯电动车型。

但没办法，重量、电容量、安全性……这些诉求就是如此矛盾的存在着，非仅中国车厂，海外电动车龙头Tesla也不断挑战锂电池能量密度上限（以降低整车重量）——Model 3的车载电池能量密度在业内名列前茅，且新款电池的钴金属用量也显著降低。与先前车型相比，该厂特别为Model 3设计全新的电池架构（采用体积较大的21700锂电池电芯），并与Panasonic合作在内华达州1号“超级工厂（Gigafactory）”生产该款电池，以替代单颗容量较小（普遍在2～4Ah）的18650电池芯。

01.磷酸铁锂电池的性能及安全性優势明显，但车用领域却面临最大瓶颈：其重量与容量（密度）比落后三元锂电池达到30%。

02.根据高工产研咨询有限公司（GGⅡ）的数据显示，从2018年开始、比亚迪旗下销售的大多数ePV车型中已由磷酸铁锂电池转换为NCM三元锂电池。

03.许多电池业者都积极提升锂电池的能量密度上限，不过对性能的坚持也导致模块设计的复杂性及电池生产速度无法提升。

04.包括宁德时代（CATL）、比亚迪等厂商的电池装机量与Panasonic、三星SDI及LG化学等世界巨头相比已经不遑多让、更有大幅赶超的趋势。

05.近几年新能源汽车的快速发展极大地带动了中国锂电池材料产业的发展，目前中国是全球拥有锂电池生产企业最多的国家。

06.目前中国境内乘用电动车所使用的电池平均每个电池容量为35kWh，意味着每年电池需求将近27 GWh（gigawatts：十亿瓦），已超过中国一年售出所有新手机的电池需求量，未来电池的回收再利用也成为重要课题。

21700电池（直径21mm，长度70mm）的尺寸比18650电池（直径18mm，长度65mm）更大，若仅考虑电池芯单体的密集堆积进行测算，采用30个21700电池芯的模块体积是采用40个18650电池芯的模块体积1.1倍，但重量却仅为后者0.97。在同等能量下，21700电池芯模块所需电池芯数量可减少约1/3，而电池模块内的金属连接件数量减少还可进一步降1氐电池模块重量。一些Model 3车主测试过车内电芯后，宣称其单个电芯容量达到6Ah、整车电池模块的能量密度达到接近300 Wh/kg，这个数据超越同业平均达20%～30%。不过对性能的坚持也导致电池生产速度无法提升、成本无法降低，一些电池模块甚至必须通过手工才能完成！

不同电池能对比表

中国电池产业的优势与劣势

近几年新能源汽车的快速发展，带动了中国锂电池材料产业的发展，2017年中国境内的电池生产企业已超过200家，是全球拥有锂电池生产企业最多的国家。造成这般荣景的主要原因除了市场之外，还在于锂元素来源的稀土，中国年产量占世界稀土产量的90%以上，出口总量占全球80%，未来我国锂电池产业将不会受制于人。

而目前全球动力电池前十大企业当中，中国占了7家。在出货量方面，中国动力电池企业更是雄踞榜首，第一、第三、第四、第六名均是中国企业，分别是宁德时代、比亚迪、沃特玛和国轩高科。面对未来快速的需求成长，它们莫不积极扩充产能，电池装机量与Panasonic、三星SDI及LG化学等世界巨头相比已经不遑多让，更有大幅赶超的趋势。

毋庸讳言，在锂电池材料生产这一环节中，无论是上游的矿产资源，还是各种电池材料，中国均有竞争优势，且部分产品已经处于世界领先地位。但目前在部分高端产品，尤其是事关电池安全性的核心材料和制造工艺上仍有较大差距。希望透过今年新能源车补贴政策的调整，间接促使中国电池产业也进入到质变阶段！