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续航1000km,这样的电动车究竟哪一年才能有?

2020年02月22日 10:22:04
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来源:皆电

究竟哪一年才能有1000km续航的电动车?得从这位网友的留言说起:

网友们的挖坑能力真是太强了,随手一挥,就是一个宏大课题。鉴于准确描述清楚也不现实,电哥姑且就以时间轴为顺序,简要梳理一下主流动力电池发展的脉络;虽不能一瞥其全貌,但是能管中窥一下豹也是极好的~

1980年以前的启蒙时代,电动车诞生竟比燃油车还早

为了简化内容突出重点,电哥姑且将1980年以前称之为启蒙时代。

有个著名的冷知识就是电动车诞生时间要远远早于燃油车,并且在诞生初期,纯电动车才是绝对的主流。毕竟电动车最早的概念要追溯到1828年耶德力克搞出的电机“玩具”了,不过这个发明并没有明确的“动力电池”这个概念,因此还算不得真正的纯电动车。

后续若干年,还诞生了诸如第一台直流电机驱动的电动车、第一台电驱马车等等试水型产品,但是这些产品普遍的问题在于不能给电池充电,基本上只能算作一次性玩具。讲个笑话,那个时代发明纯电动车的目的是因为马车成本太高,一般人根本用不起。

转机发生在1859年,加斯东发明了铅酸电池,这可以视作正儿八经的动力电池了。就在这个发明的基础上,第一辆铅酸电池电动车于1881年顺利诞生(就算以这个作为参考,还是要比1886年的第一台燃油车更早)。接着卡米尔又紧锣密鼓的改进了设计,造出了这辆铅酸电池三轮车,车重仅160kg,最高时速为12km/h。或许还没体力旺盛的你跑得快,远远慢于马车。在那个能源形式大发展的时代,电动车、内燃机、蒸汽机呈三足鼎立之势。

就像今天,19世纪后期的电动车同样要比燃油车安静,并且当时的电动车就连可靠性也要远远高于燃油车,只是受制于当时电动车所承载的铅酸电池容量限制,这些大家伙的续航普遍被限制在70公里以内,最高时速也不过30km/h。

不妨总结一下特点,此时的动力电池体积大、质量大,能量密度极低,如此夸张的悬殊以至于当时想要通过堆电池来提升续航都是不可能的,因为电池堆个七八百公斤以后,当时的电机甚至无法驱动这样庞大的身躯。就算是同期镍镉电池等新技术陆续登场,也难以改善本质上的窘境。进入20世纪之后就是内燃机井喷的时代了,电动车的发展陷入阶段性停滞。

1913年福特T型车生产线,这段时间就没电车什么事了

在1976年-1985年,随着第一次石油危机以及愈演愈烈的环境保护问题,如何给汽车进行节能减排这件事重新回归到了人们的视野当中,顺理成章的我们再次记起了电动车。这其中就有斯坦利、约翰、吉野彰三人陆续奠定的锂离子电池框架,锂电池的诞生,使得高电压的可充放电电池逐渐进入人们的生活,从此人类的动力电池科技树就基本是围绕锂电池在做文章了。

为了纪念他们三人对这个世界的贡献,2019年诺贝尔化学奖得主就是这三位哥们。

1980-2000年进入锂时代:钴酸锂、磷酸铁锂等电池登场

进入锂电池时代后,运用何种形式作为车载动力电池并非是一蹴而就的,而是历经一段艰辛的摸索,因此在初期我们所见到的第一批真正意义上的纯电动车,却还在使用一些更为老旧的电池技术。你比如说使用了镍铬电池的油改电标志106,最高时速为90km/h,续航也仅为100km。

1995年的标志106电动版,看着和我们的老头乐差不多

另外还有大名鼎鼎的通用EV1,与标志106不同,通用EV1是绝对的纯电动原生设计,2座双门轿跑一推出就受到了广泛的欢迎,早期的铅酸电池版本电池容量为16.5kWh~18.7kWh,EPA续航126km,后期的镍氢电池版本电池容量上升到了26.4kWh,EPA续航达到228km。关于通用EV1的大起大落就是另一个故事了,感兴趣的话可以看看2006年的纪录片《谁杀死了电动车》。

末代通用EV1

至此,纯电动车历经了淘汰铅酸电池,尝试了更安全镍氢电池之路,但是镍氢电池又面临着能量密度极低的窘境,重量能量密度基本停滞在80Wh/kg以下,想要推出长续航纯电动车,镍氢电池也并不理想。直到吉野彰提出LCO钴酸锂电池,锂离子电池才算是进入了蓬勃发展的时期。

这个时期以LCO钴酸锂、LCO锰酸锂为代表的锂电池获得了积极发展,但是想搞出一套成熟的车载动力电池似乎总是困难重重。前者钴酸锂电池能量密度很高,但从名字来看就知道成本高的可怕,拿来造体积巨大的车规级电池不那么现实;后者锰酸锂成本是降下去了,但是寿命低,能量密度又降下去了。这一轮尝试结果都总是不理想,好在是确认了容量大、循环性能更好的锂离子电池作为车载动力电池发展方向。

钴酸锂LiCoO2部分晶体模型

这次的转机发生在1997年,经过不懈的努力约翰又开发出了LFP磷酸铁锂电池,这下总算是找到了集安全性、低成本、循环寿命高等多种优势于一身的锂电池技术,使得动力锂电池的商业化成为了可能。

2000-2020能量密度大跃进:磷酸铁锂/三元锂之争

进入新世纪之后的故事大家比较熟悉,基本上就是磷酸铁锂电池与三元锂电池两强相争的局面了。

磷酸铁锂电池(LFP)是用磷酸铁锂作正极材料的锂离子电池,三元锂电池则是一种以镍钴元素作为正极材料,以锰盐或铝盐来稳定化学架构的锂电池,主要有NCM(镍钴锰)和NCA(镍钴铝)。受制于化学特性,磷酸铁锂电池的电压平台较低,磷酸铁锂电池的能量密度大概在140Wh/kg左右。而三元锂电池电压高,能量密度基本为240Wh/kg。也就是说,在相同电池重量下,三元锂的能量密度相比磷酸铁锂材料更容易做的更高。

不管是NCM(镍钴锰)电池还是NCA(镍钴铝)电池,两种三元锂电池,在能量密度上相比磷酸铁锂电池都更具优势,并且随着“三元”不同的配比,能量密度还在持续发生着微妙的变化。具体来看,就是根据镍、钴、锰亦或者是镍、钴、铝间不同的配比,求得更高的的能量密度。其中的原理也不复杂,那就是尽可能提高镍的比例就完事儿了。

以NCM(镍钴锰)电池为例,根据三者含量的不同,常见的就有NCM523、NCM622、NCM811(数字代表镍钴锰的比例),目前已经有诸如广汽新能源Aion S、蔚来ES6等车型使用上了NCM811电池,在保持体积不变的前提下,电池能量密度也能获得显著的提升。

广汽新能源Aion S

蔚来ES6

由此可见,高镍三元锂电池已经成为了短期内提升能力密度逃不开的发展方向,通过镍元素含量的提升,三元正极材料的比容量逐渐升高,电芯的能量密度也会随之提高。例如特斯拉大量使用的21700 NCA三元锂电池电芯的能量密度高达260Wh/kg,它的镍钴铝比例为8:1.5:0.5,毫无疑问,它属于“高镍电池。

综合来说,磷酸铁锂电池成本低、循环性能强、安全性强,就是重量能量密度相对较低;而镍钴铝/镍钴锰三元锂电池成本更高、循环性能较强、系统能量密度更容易提高,就是稳定性不太确定(尤其是高镍电池)。因此在传统认知上,三元锂电池是在小型乘用车上应用更为广泛,磷酸铁锂电池在大型商用车上应用更为普遍。

值得注意的,伴随着高镍三元锂电池的高歌猛进,其安全性隐患也在2019年的众多安全性事件当中爆发了出来,使得人们重新审视到在追求高能量密度、长续航的同时,安全性也不应该被忽视。

2020-2025:三元锂电池持续精进,磷酸铁锂或焕发第二春

根据现有技术水平来判断,三元锂电池将保持、乃至于长期保持市场主导地位,动力电池领域能量密度有望从目前的255Wh/kg向300Wh/kg突进,续航将从目前最高600km左右进一步提升。

怎么提升呢?有这么几个办法,我们习惯上按照封装工艺以及形态的不同来进行划分,目前主流可分为三种,那就是圆柱形锂离子电池、软包锂离子电池、方形锂离子电池。自锂离子电池商业化以来,最先广泛应用于3C、消费电子的就是圆柱锂离子电池了,特斯拉就是采用了松下的18650及21700 NCA圆柱锂离子电池,其特点便是卷绕工艺成熟、能量密度较高,但是电控难度相应水涨船高。

软包锂离子电池业发展了也有20余个年头了,LG、SK、AESC等公司均有大量成熟产品广为使用,其最明显的特点就是外壳为铝塑膜,因此装配工艺相对简单,在动力电池领域使用叠片工艺。对应的方形锂离子电池也就明白了,制作工艺上与软包其实大同小异,只是因为装配后铝壳和盖板的封装采用了激光焊接,焊接后留有注液孔进行二次注液,组装工艺自然更为复杂,目前大多使用卷绕成型工艺。

由于方形锂离子电池(国内车型大多采用VDA尺寸)具有电控难度相对较低,且在制作工艺上有安全性上更为突出的双重好处,可以说是成为越来越主流的选择。目前大多数三元锂电池的突破就是在其现有基础上使用叠片工艺,这样就突破了方形叠片最大的难题 - 生产效率,这样带来的好处就非常多了,这或许将是未来数年动力电池的主流发展方向。

不论是软包还是方形铝壳动力电池,受新能源车电池包设计的影响,高度普遍受限,其形态正在向着更长的方向发展。为了顺应这个趋势,传统的卷绕工艺电芯已经不能满足车规级动力电芯的形态要求,取而代之的将是叠片工艺生产出来的电芯。正是由于叠片电芯尺寸灵活,不受卷绕卷针结构的限制,层叠式生产,极片的界面平整度高。

平整度更高了,最直接的变化就是能量密度将提升5%、循环寿命将提升10%,而技术成熟规模化之后成本还能再降低5%。在不改变其他环节工艺、原材料的前提下,仅使用叠片工艺就能提升10%的循环寿命。

因此,未来动力电池也将逐渐摒弃模组化,向专业(车规)化、大型化发展,体积越大,叠片的优势也更加突出,这也是未来动力电池的发展趋势;松下、三星SDI、CATL、比亚迪、蜂巢等行业巨头都有在近期有导入叠片工艺的计划。

当然除了工艺,三元锂电池还将在降钴(降低成本)、新材料探索上下很多功夫,目的与工艺改进大同小异,也就不再赘述。

另外值得注意的就是磷酸铁锂电池,由于工艺同样得到不小幅度的改进,其电池包系统能量密度已经能达到160Wh/kg左右,虽然与目前的高镍电池相比仍有差距,但是显然这样的表现已经足够使用在大型商用车以及部分对续航要求不那么极致的乘用车上,再加上成本、安全性优势,磷酸铁锂电池有望焕发第二春,再次提升装机量。

2025:固态电池初露端倪

只可惜,通过提升工艺、改变三元配比提升工艺来提升锂电池的性能,成长空间注定有限,同时还承受着化学特性更加活泼的代价。有没有立足长远,更有发展前景的电池技术呢?当然是有的,这就是车载动力电池的终极目标,固态电池。

由于固态电池先天具备化学特性上的优势,能量密度将轻松突破400Wh/kg,冲击1000km续航,安全性也将获得质的飞跃。

固态锂电池,顾名思义就是由固态电解质代替隔膜和电解液。固态电池对于车载动力电池性能的提升是革命性的;形象的来说,使用固态电解质的固态电池相比传统锂电池,堪比固态硬盘对机械硬盘的性能提升。

固态电解质带来的好处可是太多了,首当其冲的便是无需传统三元锂电池的石墨负极,直接使用金属锂来做负极,仅此一步,能量密度就能够获得巨幅的提升。其次,固态电解质也允许使用容量更大的正极材料,同样能够叠加提升能量密度,收益更加明显。

更重要的是,固态电解质拥有不可燃、无腐蚀、不漏液、不挥发等一大堆核心优势,以往纯电动车型中所担心的安全问题也将迎刃而解。

解决了续航、安全问题的同时,更不用说固态电池还兼备小体积、寿命长、易回收等诸多优势。因此,在可见的未来,固态电池将作为车载动力电池、甚至是整个电池行业的发展方向。

即便是研发难度巨大、成本高昂,在全行业的需求下,固态电池的未来仍然是明朗的。届时,恐怕满大街跑的电动车续航都超过1000km了。

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