當(dāng)前我們正在用的二次電池（可充電電池），基本都是鋰離子電池。

　　為什么呢？

　　鋰離子很活潑，非常適合在正極與負(fù)極之間左右橫跳，單位體積與單位重量的鋰離子電池能存儲電的量都遠(yuǎn)高于其他配方。

　　真的不是人類不夠努力，而是研發(fā)電池實在太難了，你花60塊可以買到“充電器 + 4顆5號 + 4顆7號”的GP充電電池，以為只是很普通的商品罷了，其他這已經(jīng)融匯了人類200多年的電池研發(fā)精髓……

　　下表是當(dāng)前主流二次電池的列表，能把人給繞暈，鋰離子電池只是其中一個分類，而它的貢獻是讓電動車有了顛覆燃油車江湖的潛力。

　　在1991年索尼量產(chǎn)鋰離子電池之前，世界上所有配方的汽車動力電池之性能，四舍五入就是完全沒用的工業(yè)垃圾，到頂了只能用作垃圾分類專車使使。

　　經(jīng)過三十年的發(fā)展，我們現(xiàn)在已經(jīng)清楚了鋰離子電池有多難研發(fā)，6大因素互相制衡博弈，讓電池技術(shù)一直無法突破瓶頸：

　　1、成本：最重要的一個環(huán)節(jié)，拋開成本聊電池都是耍流氓。

　　2、能量密度：直接關(guān)系到容量，長續(xù)航車必須用上高能量密度電池。

　　3、功率密度：涉及充電與放電功率，前者對應(yīng)充電速度，后者對應(yīng)性能輸出。

　　4、循環(huán)壽命：電池壽命受到很多因素影響，文后有詳細(xì)鏈接，保證你不想看完……

　　5、安全：鋰離子電池有鋰枝晶，而且喜歡熱失控。

　　6、工作溫度區(qū)間：電池怕熱又怕冷，超級嬌貴。

　　對于消費者而言，成本是一個控制變量，貴就是好，好就是貴（寶沃型狗頭），能量密度（強關(guān)聯(lián)容量）與功率密度（強關(guān)聯(lián)充電速度）則是關(guān)系我們消費者用車體驗的兩大顯性因素，循環(huán)壽命、安全、工作溫度區(qū)間是幾乎不能被消費者左右的隱性因素。

　　因此，今天我們的文章主題就是——同一個價位之下（成本變量已被控制），你選擇大容量長續(xù)航電池，還是高性能快充電池？

　　我們先做一點基礎(chǔ)的科普：

　　A、能量密度指的是在單位重量或單位體積內(nèi)能儲藏能量的多寡，電池的重量能量密度用Wh/kg做單位（常用），電池的空間能量密度用Wh/L做單位（不常用）。

　　B、我們平時不怎么聊單體電芯的能量密度，要聊就是要成組之后的電池整包能量密度，這就包含了各種結(jié)構(gòu)件、冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等配套系統(tǒng)。為什么只聊這個定義呢？國家補貼只看整包密度，沒人想了解單體電芯。

　　C、單體電芯的能量密度越高，我們越容易在更小體積內(nèi)，裝入更低重量的同等容量電池包。但這只是“越容易”，電芯能量密度與整包能量密度并非線性相關(guān)，如果配套系統(tǒng)占比太高，安全性會更高，但續(xù)航就不見漲了。

　　D、“容量”和“能量”是兩回事，平時我們買充電寶看的是容量，比如容量為10000mAh一個，電壓是3.7V，兩者相乘就是370000mWh=370Wh=0.37kWh，也就是0.37度電的能量，所以平時我們說的動力電池容量其實是動力電池能量才對。

　　好了，接下來考慮的是怎么提升電池整包能量密度和電池能量（容量）的問題了，當(dāng)前有幾種主流方法，我沒辦法窮舉，就說一些重點的：

　　當(dāng)前鋰離子電池的研發(fā)方向是減少鈷（22萬/噸，增加層狀結(jié)構(gòu)和循環(huán)壽命）、增加鎳（3萬/噸，增加能量密度）。

　　從下表可知，在NCM三元鋰配方中，NCM811正極用到最少的鈷和最多的鎳。

　　超高鎳正極，意味著配方可能趨向于NCM9/0.5/0.5，可以更環(huán)保、更廉價、更高能量密度，但循環(huán)壽命更短，穩(wěn)定性/安全性會變差，需要更多的輔助技術(shù)去確保電池不會自燃，讓液態(tài)電解質(zhì)固化也是其中一種方案。

　　金屬鋰負(fù)極一直都只能做成一次電池來使用，這么一用已經(jīng)數(shù)十年了，用作二次電池的安全問題依然沒解決。

　　實際上金屬鋰的比容量高達3860mAh/g，用來當(dāng)負(fù)極是很理想的，用作負(fù)極可以大大提升比能量，但鋰枝晶生長的問題一直沒能解決，負(fù)極表面的鋰很容易吸引更多死鋰來構(gòu)成新的鋰枝晶，電池的循環(huán)壽命也非常弱雞。

　　下面有兩項研究可以讀讀，但也僅限于讀一下，我自己還沒有完全參透：

　　韓國漢陽大學(xué)Dongsoo Lee和Ungyu Paik教授在其研究中提出：“通過輥壓將銅箔表面的Cu₃N納米線轉(zhuǎn)移到金屬Li負(fù)極的表面，隨后Cu₃N納米線與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)，生成Li₃N@Cu納米線，而Li₃N具有高離子電導(dǎo)率，較低的電子電導(dǎo)率和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，因此能夠有效的抑制鋰枝晶的生長，同時金屬鋰表面形成的三維立體結(jié)構(gòu)界面，也能夠有效地降低電流密度，使得金屬鋰均勻沉積。”

　　賓夕法尼亞州立大學(xué)機械工程教授兼該項目首席研究員王東海在其研究中提出：“在鋰金屬界面上使用聚合物。該材料是一個多孔海綿，不僅可以讓鋰離子轉(zhuǎn)移，還能抑制鋰離子變質(zhì)，即使在低溫和快速充電的條件下，也可讓金屬鍍層不生長枝晶。”

　　這種“三維交連聚合物海綿”的機理是利用三維結(jié)構(gòu)為鋰離子提供足夠強度的框架結(jié)構(gòu)與足夠的表面積/空間，讓負(fù)極更輕松地容納更多的鋰離子。

　　古迪納夫博士研發(fā)了當(dāng)今鋰離子電池領(lǐng)域的三大正極材料，目前業(yè)界的負(fù)極材料多用碳素材料（好消息是中國石墨儲量占全球70%），非碳負(fù)極材料則有四大系列，包括硅基材料。

　　硅的理論容量超過石墨10倍以上，造成電池的話有望提升大約50%的能量密度。

　　此前的學(xué)者都不知道硅那么好用嗎？都知道，只是解決不了硅基材料體積膨脹的問題。

　　碳素材料（石墨）與非碳材料（硅）的充放電機理不同，石墨是鋰的嵌入和脫嵌，硅則是合金化反應(yīng)，硅的脫嵌鋰反應(yīng)會令其體積膨脹3倍，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞之后，就沒后文了。

　　求同存異可以嗎？還真可以。使用Si/C復(fù)合體系（硅碳負(fù)極），Si硅顆粒這種活性物質(zhì)可大大提升鋰的容量，C碳能改善Si的導(dǎo)電性、緩沖Si充放電體積變化、防止Si顆粒充放電時團聚。

　　類比一下，Si就是脆弱但攻擊力極強的大法師，C就是承受各種物理攻擊/魔法攻擊的肉盾。

　　NIO Day 2020讓固態(tài)電池重回公眾視野，但這次蔚來發(fā)布的“固態(tài)電池”并非真固態(tài)，嚴(yán)謹(jǐn)一點來說是“準(zhǔn)固態(tài)電池”（液態(tài)電解質(zhì)少于50%），依然需要使用電解液和隔膜。

　　什么才是固態(tài)電池（Solid-State Battery，SSB）呢？電極與電解液全是固態(tài)的，不存在任何氣態(tài)和液態(tài)的流體，便是。

　　蔚來“固態(tài)”電池包實際上并未做到全固態(tài)，但在同樣規(guī)格的電池包體積中完成360Wh/kg的整包能量密度和150kWh的整包容量，不得不說“抓得到老鼠的就是好貓”，你管他包裝上寫100%芒果汁還是芒果風(fēng)味飲品。

　　固態(tài)電解質(zhì)電池的主要優(yōu)勢在于：能量密度高，目前實驗室樣品可以達到300-400Wh/kg（這可是整包密度）；可使用金屬鋰負(fù)極，提供高比容量；安全性能更高，不會刺破隔膜造成短路，不會脹包，不會漏液，不會揮發(fā)；碰撞受損后，電池安全性更高；溫度適應(yīng)性好（部分配方），可以在-25℃到60℃之間工作；循環(huán)壽命1000次以上，最多有吹45000次的（很可能是PPT概念）；自放電率很低，靜置虧電速度慢。

　　主要劣勢有：成本過高，技術(shù)不成熟，工藝很復(fù)雜，產(chǎn)業(yè)鏈上下游不完整，暫時不適合大規(guī)模生產(chǎn)；固態(tài)電解質(zhì)的界面接觸性差（固體-固體），電導(dǎo)率偏低，高倍率大電流一來就捉襟見肘了，比較難實現(xiàn)快速充電，功率密度有限；運用金屬鋰負(fù)極的同時會產(chǎn)生死鋰、鋰枝晶生長的問題；氧化物堅硬，制作成電解質(zhì)片容易脆裂。

　　下表我列了很多鋰離子二次電池的尺寸，最出名的要數(shù)18650，因為當(dāng)時已有成熟的產(chǎn)業(yè)鏈（就是筆記本電芯同款），所以特斯拉可以用很短時間把高性能電動汽車造出來，但18650的單體尺寸太小了，所以特斯拉現(xiàn)在采用了21700電池來減少電池包內(nèi)的電芯總數(shù)，精簡電控。

　　在上一年底的特斯拉電池日上，馬斯克宣布了巨型的46800無極耳電池，預(yù)計單體容量能往著20000mAh甚至更高的方向去。

　　未來，圓柱型鋰離子二次電池依然會是動力電池領(lǐng)域的主心骨，單體尺寸會越來越大，這樣子單體的典型容量可以大大增加，能量密度也隨之增加，皮薄餡厚就是這么個簡單的幾何學(xué)道理。

　　改良整包結(jié)構(gòu)有很多方法，磷酸鐵鋰電池當(dāng)前就用上了CTP（Cell to Pack）技術(shù)，直接省去了模組和一大堆控制模塊，把長條形的“刀片電池”（單體Cell）直接安裝到電池包（整包Pack）當(dāng)中，電池包體積利用率可以提升20%左右，整包能量密度與整車?yán)m(xù)航能力也大幅度提升20%-30%。

　　磷酸鐵鋰敢用CTP技術(shù)的前提是單體電池本身的安全性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于三元鋰配方，所以省去了模組級別的結(jié)構(gòu)保護也不會有大問題，不過單體電池本身的框架強度需要加強。

　　此外，我們也可以通過新型的材料或者新技術(shù)進一步集成電池的冷卻系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、電控系統(tǒng)，把配套系統(tǒng)的重量和體積省下來了，整包能量密度自然上升。

　　在設(shè)計之初就將電池完全融入車體當(dāng)中，而不是組裝完車體之后再把另一個獨立零部件“高壓電池包”裝進去車體下方。

　　這種一體化設(shè)計可以大幅度降低配套系統(tǒng)的重量和體積，提升整包能量密度和整包能量。

　　關(guān)于充電速度的知識點，我在此前的文章里面詳細(xì)聊過，在這里點到即止。

　　簡單描述一下關(guān)于提升充電速度的幾個核心方向：

　　電動汽車快充的確也當(dāng)前的城市電網(wǎng)負(fù)載提出了極高的要求，筆者就曾經(jīng)嘗試咨詢小區(qū)物業(yè)如何給我自己的停車位加裝7kW充電樁，物業(yè)給出的結(jié)論是“不愿意”。雖然7kW僅僅相當(dāng)于兩臺空調(diào)，但每個小區(qū)的電網(wǎng)容量是很有限的，如果開放給10戶電動汽車用戶安裝還能勉強支撐，但若增加到30戶，那小區(qū)就會跳閘。

　　加建配電房與各種配電設(shè)備的錢，從誰手里掏？再多思考一步，先安裝的用戶會事后掏錢給后安裝的用戶均攤整體成本嗎？這都是暫時無解的問題。

　　可見，增加電網(wǎng)負(fù)載潛力不僅是技術(shù)問題，還是成本問題，還有一部分是消防安全管理的問題。

　　目前國網(wǎng)在各大快充站基本都鋪上了120kW快充樁，實際充電功率能保持在60kW以上就很不錯了，一樁兩槍的情況下還會被分走很大一部分功率。

　　瑞士ABB在2019年也發(fā)布了350kW直流超級快充，宣稱可以在8分鐘內(nèi)補充200km續(xù)航里程，并可以兼容400V和800V兩套電壓系統(tǒng)，還在能-35℃到50℃之間寬闊的溫度區(qū)間正常工作。

　　問題是，350kW直流超級快充的成本實在太高了，比電動車本身還貴。

　　電池配方是否支持超級快充（比如神乎其技的石墨烯），電控水平能否支持超級快充，散熱能力是否支持超級快充，電池?fù)p耗速度是否在客戶承受范圍之內(nèi)，這些都是必須面對的問題。

　　Bug一樣存在的換電站，其實并非蔚來一家在造，一些運營車輛也在使用，比如北京運營的北汽新能源換電版本的出租車。

　　換電站的邏輯是在電池快充技術(shù)和能量密度無法得到根本突破的時期內(nèi)，轉(zhuǎn)移充電時間和空間，像換彈夾一樣把新的電池包給車子裝上。

　　雖然一直被業(yè)界詬?。ǚ路鸹氖菄娮拥腻X那樣），但不得不承認(rèn)換電是當(dāng)前最快的電動汽車獲取電能之方式。

　　基于上述兩個環(huán)節(jié)的論述，我們可以看到電池能量（容量）的增加與充電速度的加快，都面臨著非常高的門檻。

　　既想大電池長續(xù)航，又想十來分鐘完成前半段SOC的快充，在當(dāng)前成本條件下（而非技術(shù)條件下）完全是奢想。

　　我們必須在成本有限的前提下，思考如何得出最大公約數(shù)，讓用戶使用電動汽車的時候不再遭罪，至少不要遭以前那么多的罪。

　　偏向于高能量密度的電池，充放電性能并不理想。

　　偏向于充放電高性能的電池，能量密度并不理想。

　　面對這一對矛盾，有車企和電池企業(yè)提出了“混合電池”的技術(shù)方案，將高能量密度電池和高功率電池混搭到同一個電池包里面，這又給電控帶來了非常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。大眾集團之前試過了，反正就是沒做成。

　　續(xù)航不是越長越好，電池包的能量（容量）不是越多越好。

　　如果我們使用過多電量用于運輸電池本身，就會造成大量的能源浪費。

　　這就相當(dāng)于一個人出門徒步但背著14天的干糧，還沒到半路就先把自己累死了。

　　最近有個很好的例子就是威馬W6冠軍版，用了250kg的定制版鋰離子電池，可以達到1400kW瞬時放電功率，但只能用來跑01加速，因為放電倍率達到20C，一下子全放完了，且本身能量只有25kWh，根本無暇關(guān)照巡航。

　　只關(guān)注快充的電池就是超級電容而已，但超級電容汽車只適用于固定的商用線路，每站都?？砍潆?，電量足夠用到下一站。

　　如今快充技術(shù)不斷提升，但無法無限制提升，因為我們要考慮到電池的性能均衡，成本有限的前提下很難優(yōu)先照顧充放電性能。

　　當(dāng)前市場，對快充的宣傳不如長續(xù)航的宣傳有效。

　　因為快充的服務(wù)費很高，自家慢充還能利用波谷電價充半價電，自家慢充的價格可以低至公共充電樁快充價格的20%左右。

　　很多用戶寧愿選長續(xù)航，因為這是屬于自己的產(chǎn)品力；而不需要超級快充功能，若是公共快充樁的功率跟不上的話，這個優(yōu)勢等于沒有。

　　同等成本下，電動汽車用戶更愿意選擇長續(xù)航技能，而不是快充技能。

（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂）