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　　新能源汽車動(dòng)力電池還會(huì)有革命性的突破么

　　去年國內(nèi)車市不景氣，哀鴻遍野，滿地涼涼，一向成績優(yōu)秀的合資企業(yè)不少也是由漲轉(zhuǎn)跌。然而在這樣慘淡的大環(huán)境下，新能源汽車依舊逆勢(shì)大漲，產(chǎn)銷破百萬，成為市場(chǎng)最耀眼的明星。

　　新能源汽車的快速發(fā)展很大程度得益于動(dòng)力電池性能的大幅提升。自2008年鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)汽車已經(jīng)10年，實(shí)際裝車產(chǎn)品的能量密度提高了2.5倍，實(shí)現(xiàn)了蓄電池領(lǐng)域百年來革命性的突破。對(duì)比2017年、2018年上市新能源車型的能量密度，短短一年間提升巨大，平均數(shù)從103.3Wh/kg增長到142.4Wh/kg。

　　性能提升推動(dòng)動(dòng)力電池價(jià)格大幅下降。過去十年間，日韓電池龍頭價(jià)格已從2010年的600-800美元/KWh降至目前150-200美元/kWh，國內(nèi)龍頭廠商在2016年底也降至300美元/kWh左右，目前已進(jìn)入到200-250美元/kWh。據(jù)報(bào)道，國內(nèi)電池巨頭比亞迪電池成本可以做到0.9元/wh。

　　目前，我國新能源汽車市場(chǎng)上的純電動(dòng)汽車所搭載的動(dòng)力電池，大多數(shù)為三元鋰材料和磷酸鐵鋰材料電池。盡管相比鉛酸和鎳氫電池，能量密度已經(jīng)有了極大的提高，但是依然難以打消消費(fèi)者的里程焦慮。毫無疑問，動(dòng)力電池技術(shù)瓶頸在很長一段時(shí)間內(nèi)，阻礙了新能源汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。那么，鋰離子電池密度究竟還能不能再提高了?新能源汽車電池還會(huì)有革命性的突破嗎?

　　想解答這個(gè)問題，首先得從電池的能量密度說起。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度越大，單位體積、或重量內(nèi)存儲(chǔ)的電量越多。

　　對(duì)于電動(dòng)汽車來說，電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的概念，一個(gè)是單體電芯的能量密度，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度。電芯是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元。以軒逸純電為例，8個(gè)電芯組成一個(gè)模組，24個(gè)模組組成一個(gè)電池包，這是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。

　　單體電芯能量密度，顧名思義是單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度。系統(tǒng)能量密度系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個(gè)電池系統(tǒng)的電量比整個(gè)電池系統(tǒng)的重量或體積。因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間，因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。

　　要提高動(dòng)力電池包能量密度，一是提高成組效率，二是采用更高能量密度的電芯。成組技術(shù)可以通過改善電池包設(shè)計(jì)以及采用碳纖維的輕型材料，不過提升空間不大，只能看作是零敲碎打。

　　提高單體電芯能量密度才是解決問題的核心。限制鋰電池的能量密度提升的原因是電池背后的化學(xué)體系。一般而言，鋰電池分為五大部分：正、負(fù)電極，電解質(zhì)，膈膜，外殼體。正負(fù)極是儲(chǔ)能放電的主戰(zhàn)場(chǎng)，所以絕大部分電池的研發(fā)都集中在正負(fù)極材料的擴(kuò)展。

　　電池的能量密度受制于由電池的正負(fù)極。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料。舉例來說，我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是因?yàn)檎龢O材料磷酸鐵鋰?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

　　三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族，我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。鎳的含量越高，意味著電芯的比容量就越高。目前公認(rèn)的下一代811電池就是高鎳電池。

　　當(dāng)然，電池負(fù)極材料也有很大提升空間。目前，用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式，已是業(yè)界公認(rèn)的鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負(fù)極。硅基負(fù)極材料的比容量可以達(dá)到4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極理論比容量的372mAh/g，因此成為石墨負(fù)極的有力替代者。

　　不過這種提升也是有天花板的，想要有突破性進(jìn)展，還得在電池結(jié)構(gòu)上另辟蹊徑。

　　基于上述思想，固態(tài)電池逐漸進(jìn)入科學(xué)家視野。固態(tài)電池的原理與傳統(tǒng)的液態(tài)鋰電池相同，只不過其電解質(zhì)為固態(tài)，具有的密度以及結(jié)構(gòu)可以讓更多帶電離子聚集在一端，傳導(dǎo)更大的電流，進(jìn)而提升電池容量。因此，同樣的電量，固態(tài)電池體積將變得更小。不僅如此，固態(tài)電池中由于沒有電解液，封存將會(huì)變得更加容易，在汽車等大型設(shè)備上使用時(shí)，也不需要再額外增加冷卻管、電子控件等，不僅節(jié)約了成本，還能有效減輕重量。

　　不僅如此，全固態(tài)鋰電池也具有極高的安全性，其固態(tài)電解質(zhì)不可燃、無腐蝕、不揮發(fā)、不漏液，同時(shí)也克服了鋰枝晶現(xiàn)象，搭載全固態(tài)鋰電池的汽車的自燃概率會(huì)大大降低。

　　固態(tài)鋰電池當(dāng)前能量密度約400Wh/Kg，預(yù)估最大潛力值達(dá)900Wh/Kg，有超過100%的提升空間。固態(tài)鋰電池正是大眾期待的變革性產(chǎn)品。不過，全固態(tài)電池大規(guī)模商業(yè)化估計(jì)在2025-2030年(再往后)才會(huì)真正實(shí)現(xiàn)，還需要業(yè)界持續(xù)的努力。

　　基本上可以這樣預(yù)測(cè)，鋰電池未來發(fā)展之路將經(jīng)過以下階段：2020年前采用高鎳正極+準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)+硅碳負(fù)極實(shí)現(xiàn)300Wh/Kg，2025年前采用富鋰正極+全固態(tài)電解質(zhì)+硅碳/鋰金屬負(fù)極電池實(shí)現(xiàn)400Wh/Kg，2030年前燃料/鋰硫/空氣電池實(shí)現(xiàn)500Wh/Kg。

　　最后，必須要指出的是，電池的能量密度并不是越高越好，電池是一個(gè)綜合性產(chǎn)品，提高能量密度同時(shí)也會(huì)提升電池安全風(fēng)險(xiǎn)，必須綜合考慮。對(duì)于新能源汽車來說，續(xù)航也不會(huì)無限制的提升，隨著充電樁密集程度的提升，未來的主流續(xù)航里程將縮短到300公里左右。