天下苦電池創(chuàng)新久矣。

在混合動(dòng)力汽車(chē)和純電動(dòng)汽車(chē)的歷史中，磷酸鐵鋰電池一度被廠商認(rèn)為是最靠譜的選擇。但現(xiàn)在的家用新能源汽車(chē)當(dāng)中，這個(gè)名詞幾乎無(wú)人再提及。原因是另一種技術(shù)路線(xiàn)逐漸占據(jù)上風(fēng)，即人們現(xiàn)在聽(tīng)到最多的三元鋰電池。

「行業(yè)對(duì)三元鋰電池過(guò)于依賴(lài)，導(dǎo)致消費(fèi)者對(duì)新能源汽車(chē)的安全打了個(gè)一問(wèn)號(hào)?！贡葋喌隙麻L(zhǎng)兼總裁王傳福說(shuō)道。

這一次，比亞迪針對(duì)車(chē)載動(dòng)力電池領(lǐng)域的痛點(diǎn)，推出了「刀片電池」，在電池創(chuàng)新的問(wèn)題上向前邁進(jìn)了一步。

什么是刀片電池？一般來(lái)說(shuō)，電動(dòng)汽車(chē)的電池包由多個(gè)電芯組成的模組構(gòu)成。如特斯拉使用的電芯，就是一個(gè)個(gè)圓柱型的 18650 電池。為了讓電芯模組在車(chē)內(nèi)保持穩(wěn)定，需要用螺栓、橫梁、縱梁等加以固定。刀片電池的不同之處在于，它省去了模組這一步驟，直接將電芯用陣列方式裝進(jìn)電池包內(nèi)，進(jìn)而提升了內(nèi)部空間利用率。

刀片電池結(jié)構(gòu)圖 | 比亞迪

比結(jié)構(gòu)更創(chuàng)新的點(diǎn)在于，刀片電池把人們的目光重新拉回到已經(jīng)快被家用電動(dòng)汽車(chē)遺忘的磷酸鐵鋰電池。

電池的卷土重來(lái)

在新能源乘用車(chē)領(lǐng)域，三元鋰電池幾乎快要「一統(tǒng)天下」了。根據(jù)動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)研究部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2019 年上半年三元鋰電池與磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量占比分別為 71.14% 和 26.97%，差距比 2018 年同期繼續(xù)擴(kuò)大。

2018 與 2019 上半年新能源汽車(chē)動(dòng)力電池裝機(jī)量 | 動(dòng)力電池應(yīng)用分會(huì)研究部

但這并不意味著三元鋰電池就能成為唯一選擇。如果把時(shí)間線(xiàn)拉長(zhǎng)，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，在電池的技術(shù)路線(xiàn)當(dāng)中，并沒(méi)有所謂的「贏家」。

電池技術(shù)在一定程度上是引領(lǐng)著電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的。19 世紀(jì)末期，電動(dòng)汽車(chē)得到了快速發(fā)展。人們使用電動(dòng)汽車(chē)的理由與今天別無(wú)二致：無(wú)噪音、無(wú)氣味、價(jià)格低。

19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初，汽車(chē)市場(chǎng)甚至形成了「三分天下」的局面：蒸汽、電動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)。不過(guò)隨著內(nèi)燃機(jī)發(fā)展速度最快，其余兩個(gè)最終黯然退出汽車(chē)市場(chǎng)。

由于大氣環(huán)境污染，和電池技術(shù)的崛起，電動(dòng)汽車(chē)重新被人們關(guān)注。早期的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)呈現(xiàn)的是「百家爭(zhēng)鳴」?fàn)顟B(tài)，各類(lèi)電池技術(shù)都搭載上車(chē)。

1990 年，通用汽車(chē)在洛杉磯車(chē)展上首次展示了 Impact 電動(dòng)概念汽車(chē)，行業(yè)影響巨大。隨后通用以 Impact 的核心技術(shù)和設(shè)計(jì)為原型開(kāi)發(fā)出純電動(dòng)轎車(chē) EV1，被視為現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)山之作。

通用汽車(chē) Impact 電動(dòng)概念汽車(chē) | Wikipedia

隨之而來(lái)的是各大汽車(chē)廠商投入大量資源開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)，唯一的不同點(diǎn)在于，車(chē)輛內(nèi)部的電池都不統(tǒng)一。EV1 內(nèi)部搭載的是鉛酸電池，1992 年福特推出搭載鈣硫電池的 Ecostar，1996 年豐田使用鎳氫電池的混合動(dòng)力車(chē)輛 RAV4LEV，1997 年豐田下線(xiàn)了混合動(dòng)力轎車(chē)普銳斯 Prius（同樣搭載鎳氫電池），日產(chǎn)汽車(chē)也在同年推出世界上第一輛鋰離子電池的電動(dòng)車(chē) Prairie Joy EV……

商業(yè)化速度是檢驗(yàn)技術(shù)發(fā)展最重要的因素之一。自 1992 年索尼將鋰離子電池商業(yè)化之后，正好碰上電信、信息市場(chǎng)的發(fā)展，因?yàn)轶w積比能量和質(zhì)量比能量最高，鋰離子電池在商業(yè)化進(jìn)展方面成為了電動(dòng)汽車(chē)的最佳選擇。其中，最有代表性的，就是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

技術(shù)路線(xiàn)之爭(zhēng)

在鋰離子電池興起之后，能用作新能源汽車(chē)上的動(dòng)力電池，目前也只有三種類(lèi)型可以勝任：磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈦酸鋰電池。其中最后一種因?yàn)槠占皵?shù)量太少，暫時(shí)不在討論范圍內(nèi)。

磷酸鐵鋰電池使用磷酸鐵鋰作為正極材料，而三元鋰電池的正極材料使用的是鎳鈷錳酸鋰，負(fù)極材料為石墨。關(guān)于兩者分別的優(yōu)缺點(diǎn)，這里簡(jiǎn)單列舉幾個(gè)要點(diǎn)：

成本方面，磷酸鐵鋰電池的成本比三元鋰電池低很多。前者的特點(diǎn)是不含貴重金屬元素，因此原材料成本相對(duì)可以壓縮到很低；而三元鋰電池中鈷元素屬于貴重金屬元素，并且鈷的價(jià)格在快速上漲，隨著 5G 等新興事物興起，鈷的供需缺口會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

能量密度方面，磷酸鐵鋰電池遠(yuǎn)不如三元鋰電池。僅算磷酸鐵鋰電池的重量能量密度只有 120Wh/kg，如果計(jì)算整個(gè)電堆，包括電池管理系統(tǒng)、散熱等零部件的能量密度就變得更低；三元鋰電池的能量密度則能達(dá)到 200Wh/kg。

安全性方面，磷酸鐵鋰電池更勝一籌。磷酸鐵鋰的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，高溫穩(wěn)定性好，700°C-800°C 才會(huì)發(fā)生分解，且在面對(duì)撞擊、針刺、短路等情況時(shí)不會(huì)產(chǎn)生劇烈的燃燒，安全性能高；反觀三元鋰電池，250-300℃就會(huì)發(fā)生分解，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后會(huì)發(fā)生燃燒，產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加劇正極分解，在極短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)爆燃。

近年發(fā)生的新能源車(chē)輛自燃情況，大多都是三元鋰電池引起的。沒(méi)有發(fā)生較大事故的原因在于車(chē)輛的電池管理系統(tǒng)做的相對(duì)較好，對(duì)于搭載三元鋰電池的車(chē)輛來(lái)說(shuō)，電池管理系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)都是至關(guān)重要的。

基于安全性的考慮，搭載三元鋰電池的新能源客車(chē)無(wú)法進(jìn)入工信部的新能源車(chē)目錄，但中國(guó)對(duì)于新能源車(chē)輛的政策同時(shí)對(duì)能量密度有嚴(yán)格規(guī)定，三元鋰電池還是成為了新能源乘用車(chē)的主流選擇。

使用壽命上，磷酸鐵鋰電池在循環(huán)使用率上比三元鋰電池更有優(yōu)勢(shì)，但磷酸鐵鋰電池的低溫性能較差，這是它的「致命傷」。有研究表明，低溫條件下（氣溫低于-10℃以下），磷酸鋰電池經(jīng)過(guò)不到 100 次充放電循環(huán)，電池容量將下降到初始容量的 20%。三元鋰電池的低溫性能優(yōu)異，在-30℃條件下可保持正常電池容量，在中國(guó)北方低溫地區(qū)，顯然磷酸鐵鋰無(wú)法達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn)。

綜上，三元鋰電池依靠高能量密度成功「上位」，而能量密度的直接表現(xiàn)是高續(xù)航里程，可以看到，當(dāng)下的幾款電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程已經(jīng)突破了 700km，這正是車(chē)企和消費(fèi)者們的痛點(diǎn)，因而三元鋰電池成為電動(dòng)車(chē)企的主流選擇。而磷酸鐵鋰電池暫時(shí)偃旗息鼓，因安全性高成為了新能源客車(chē)的首選。

但當(dāng)我們?cè)敿?xì)分析兩種電池的優(yōu)劣，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果磷酸鐵鋰電池的能量密度增加，目前三元鋰電池的市場(chǎng)恐怕會(huì)受到不小的沖擊。這也是刀片電池引起廣泛討論的重要原因。

刀片電池能否「突圍」？

據(jù)比亞迪方面表示，刀片電池體積能量密度與主流三元鋰電池持平，在相同體積下所儲(chǔ)存的電量也相差無(wú)幾。

如文章開(kāi)頭所說(shuō)，刀片電池相比傳統(tǒng)電池包省去了模組的步驟，采用了 CTP（Cell to Pack，無(wú)模組動(dòng)力電池包）設(shè)計(jì)思路，將電芯直接裝到電池包殼體內(nèi)。這種設(shè)計(jì)能夠在保持電池包強(qiáng)度的前提下，省去橫梁、縱梁以及螺栓等附件，提升電池包內(nèi)部空間利用率，實(shí)現(xiàn)電池包總?cè)萘亢湍芰棵芏鹊奶嵘?/p>

據(jù)悉，比亞迪通過(guò) CTP 設(shè)計(jì)把電池包殼體內(nèi)部的空間利用率由傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式的 40-50% 提升至 60-80%。電池包總?cè)萘康奶嵘苯訉?dǎo)致的結(jié)果是電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航明顯提升。刀片電池最先搭載的比亞迪「漢」車(chē)型，續(xù)航里程達(dá)到了 605km，基本達(dá)到了與搭載三元鋰電池車(chē)型持平的水準(zhǔn)。

但在安全性上，刀片電池的表現(xiàn)要優(yōu)秀很多。

比亞迪電池實(shí)驗(yàn)室針對(duì)磷酸鐵鋰電池、刀片電池和三元鋰電池進(jìn)行了一次針刺實(shí)驗(yàn)，即利用鋼針刺穿電池極板，瞬間觸發(fā)電池內(nèi)部短路，從而引發(fā)電池?zé)崾Э亍?/p>

針刺實(shí)驗(yàn)是業(yè)界公認(rèn)在所有電池安全測(cè)試中最嚴(yán)酷、可以模擬極端情況電池內(nèi)短路狀況。在大眾消費(fèi)數(shù)碼產(chǎn)品如手機(jī)、筆記本電腦的電池上是必測(cè)項(xiàng)目，在新能源汽車(chē)上不被作為強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

根據(jù)三種電池樣品針刺實(shí)驗(yàn)視頻來(lái)看，NCM622（正極材料中的鎳鈷錳三種成分的比例為 6:2：2）三元鋰電池在被針刺穿的一瞬間就發(fā)生了爆燃，相比之下，磷酸鐵鋰電池的安全性要稍微好一點(diǎn)，在被針刺穿的瞬間，磷酸鐵鋰并沒(méi)有發(fā)生起火燃燒的現(xiàn)象，但是電池表面的溫度卻高達(dá)五六百攝氏度。

刀片電池在被刺穿的時(shí)候，并沒(méi)有異常表現(xiàn)，結(jié)構(gòu)依舊穩(wěn)定。溫度傳感器顯示，電池表面的溫度只有 60 攝氏度，安全通過(guò)針刺實(shí)驗(yàn)。

三種電池針刺實(shí)驗(yàn)對(duì)照測(cè)試結(jié)果 | 比亞迪電池實(shí)驗(yàn)室

電池安全的確是消費(fèi)者們最關(guān)注的問(wèn)題之一，刀片電池的解決方案加強(qiáng)了這一點(diǎn)，也讓磷酸鐵鋰電池掌握了一些話(huà)語(yǔ)權(quán)。另外據(jù)了解，特斯拉與寧德時(shí)代正在進(jìn)行談判，在中國(guó)生產(chǎn)的特斯拉汽車(chē)中將使用后者生產(chǎn)的無(wú)鈷電池，大概率就是磷酸鐵鋰電池。

特斯拉 CEO 馬斯克在 2018 年 6 月曾稱(chēng)，致力于減少鈷的用量，當(dāng)時(shí)特斯拉采用電池的鈷元素用量為 3% 左右，在下一代車(chē)型中，將鈷元素徹底在原料清單中除掉。

磷酸鐵鋰電池能否超越三元鋰電池，再次成為車(chē)用動(dòng)力電池的主流？結(jié)果還未出現(xiàn)前，誰(shuí)也說(shuō)不好。但是在電池領(lǐng)域的創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)一款性?xún)r(jià)比高的電池，的確是所有企業(yè)當(dāng)下的重點(diǎn)目標(biāo)。

刀片電池開(kāi)了一個(gè)頭，在車(chē)用動(dòng)力電池創(chuàng)新走向瓶頸期，續(xù)航里程向上「爬升」的速度越來(lái)越慢，刀片電池回過(guò)頭來(lái)把快要被人遺忘的電池種類(lèi)搬上舞臺(tái)。如果之后得到廣泛應(yīng)用，也許會(huì)在動(dòng)力電池的十字路口中，讓主流車(chē)企獲得另一種選擇。
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