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如何你打算購買一輛新能源汽車，你會問什么？
“續(xù)航多久？”
“冬天耐不耐用？充電快不快？”
但關注的重點最后都落向了安全性：“這車的電池會自燃嗎？”
新能源汽車廠商的較量
新能源汽車，考慮續(xù)航與安全性問題，都得歸結到電池上。
現(xiàn)今，主流的電動汽車，包括特斯拉、廣汽傳祺、蔚來等采用的都是三元鋰電池，而這款電池最大的缺點便是穩(wěn)定性差，如果內部短路或是正極材料遇水，都會有明火產生。
為了解決這個隱患，今年年初特斯拉宣布國產 Model3 采用寧德時代提供的無鈷電池。不久，國內新能源汽車代表——比亞迪也推出了自家的刀片電池。
這兩款電池本質都是磷酸鐵鋰電池。
就在本月 12 號，搭載自產刀片電池的比亞迪漢正式上市，其用意自然對標特斯拉 Model 3。
然而，磷酸鐵鋰電池也不是完美的。
磷酸鐵鋰VS 三元鋰
?磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰電池因為成本低、安全性高且壽命長，所以在 2016 年之前的新能源汽車市場，大多數(shù)車型都采用磷酸鐵鋰電池。
圖 |?磷酸鐵鋰晶體結構
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磷酸鐵鋰的晶體結構由原子直徑較大的鐵、磷、氧組成，鋰離子則游離在其中，當鋰離子脫離時，晶體結構幾乎不發(fā)生重排。其次由于 P-O 共價鍵的鍵能很大，所以穩(wěn)定性很強，共價鍵另一端的氧原子也很難被氧化釋放，高溫或者過充都不會使其結構崩塌。
這種結構穩(wěn)定性讓磷酸鐵鋰有很好的耐高溫性，電熱峰值可達 500℃左右，由于沒有氧分子分離的風險，受到外力發(fā)生自燃的概率也低很多。所以磷酸鐵鋰電池不僅壽命長，而且安全系數(shù)十分高。
但磷酸鐵鋰電池也有它的缺點，由于其特殊的晶體結構，鋰離子擴散速度慢，導致其導電率低，充放電效率也很低，這種現(xiàn)象在低溫環(huán)境下更為明顯。其次磷酸鐵鋰顆粒本身不密實，所以能量密度遠不如三元鋰電池，在續(xù)航上的表現(xiàn)讓令消費者很難滿意。
此前業(yè)內普遍認為磷酸鐵鋰電池的能量密度已經到了理論值的天花板，但即便是已經到了所謂的理論極限，磷酸鐵鋰電池依舊難堪大任，于是整個行業(yè)都對磷酸鐵鋰失去了信心。像比亞迪和寧德時代這種磷酸鐵鋰電池生產大戶，都逐步轉向生產三元鋰材料電池。
三元材料電池
隨著技術的發(fā)展和消費者對續(xù)航的硬性需求，低溫性能更優(yōu)、能量密度更高的三元鋰電池開始占領了市場。在 2016-2019 年的這個窗口期，采用三元鋰電池的汽車更有競爭力。到了 2019 年，幾乎所有車型都采用三元鋰電池。
作為新能源汽車領域的巨頭，特斯拉采用的是松下的鎳鈷鋁酸鋰三元鋰電池，也就是所謂的 NCA，其中 Model S 和 Model X 采用的是松下 18650 電池組，而最新的 Model 3 則采用了更大容量的 21700 圓柱體電池組。
三元正極材料一般是以鎳鹽、鈷鹽、錳鹽為原料，每個元素由于自身特點制約著電池性能，所以里面鎳鈷錳的比例可以根據實際需要調整。
圖 | 三元材料晶體結構
鎳可以提高材料的可逆容量，但是如果鎳含量太高，材料的循環(huán)性能就會變差。鈷能夠使加速鋰離子的脫嵌，提高導電能力，但是鈷含量過高會導致成本較高，性價比低。錳可以提高材料安全性和穩(wěn)定性，含量過高則會降低材料克容量。
由于三元材料結構十分緊湊，所以單體電芯能量密度高，同等電池的體積下，可以比磷酸鐵鋰電池有更大的容量。根據寧德時代的計劃，三元材料電池將在 2020 年實現(xiàn)單體能量密度 300Wh/kg，這幾乎是磷酸鐵鋰電池容量的一倍。
此外，三元材料電池在冬季低溫條件下的衰減程度也更低，大部分三元鋰電池低溫衰減率約為 15%，而磷酸鋰電池的低溫衰減率甚至可以高達到 50%。
但三元材料的缺點十分明顯，在安全方面遠遠不及磷酸鐵鋰電池。由于其元素本身不耐高溫，對氧的束縛低，極端情況下氧分子很容易被釋放出來，所以一旦發(fā)生碰撞擠壓或是高溫影響，就容易出現(xiàn)電池自燃現(xiàn)象。
刀片電池，目前的最優(yōu)解
三元鋰電池的普及，一定程度是因為當時國家政策的指導性。
2017 年 3 月 1 日，中央四部委印發(fā)了《促進汽車動力電池產業(yè)發(fā)展行動方案》通知，明確指出“將提高電池比能量作為今后的重點發(fā)展目標之一”。
于是續(xù)航能力強且潛力無限的三元鋰電池很快取代了磷酸鐵鋰電池，強大的續(xù)航能力也為新能源汽車的推廣和普及做了很大的努力。
但當續(xù)航解決之后，安全性較差的問題凸顯了。從 2018 年開始，國內新能源汽車因為電池事故和故障燒車的事故頻發(fā)，似乎大家已經見怪不怪了。
從上圖來看，絕大多數(shù)電池自燃都與三元鋰電池有關。磷酸鐵鋰電池的安全性再次被各大車廠關注。
其實刀片電池只是比亞迪的說法，在寧德時代那里叫 CTP（cell to pack）技術，兩者在思路上其實并沒有不同，不過比亞迪明顯做得更好。
傳統(tǒng)動力電池的發(fā)展思路，是把電芯（Cell）組裝成為模組（Module），再將模組安裝在電池包（Pack）里，形成“電芯 - 模組 - 電池包”的三級裝配模式，但模組自身也有體積和重量。
圖 | 刀片電池結構
通俗來講 CTP 技術就是繞開模組，直接用電芯組成電池包，省出來的體積和重量，可以用來大幅增加電量、提高續(xù)航。
在比亞迪的設計方案里，電芯被設計成長條狀的方形鋁殼；再將電芯通過堆棧式擺放，像“刀片”一樣插入到電池包，從而使得電池空間利用率達到 60%。
刀片電池本身作為磷酸鐵鋰電池，其能量密度并沒有實質性的進步。但刀片電池單個電芯的長度可以達到 2.1 米，是傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的十倍以上，也可以說是從另一個角度解決了磷酸鐵鋰電池能量密度的問題。
值得一提的是，CTP 技術不僅可以用在磷酸鐵鋰電池上，在寧德時代的設想里，該技術也能用在三元鋰電池上。
所以 CTP 技術只是一個新的解題思路，但并不一定是最終的“正確答案”，畢竟三元鋰電池的潛力遠比磷酸鐵鋰電池大。
誰才是新能源汽車的未來
三元鋰和磷酸鐵鋰，這兩種電芯作為互補的存在，各自都有優(yōu)缺點。
誰是新能源汽車的未來？暫時沒有，可能也不會有結果——畢竟魚與熊掌不可兼得。而我們能做的，只是通過新技術，彌補兩者的缺點。
由于國家政策的扶持，中國的新能源汽車行業(yè)以極其夸張的速度進行擴張，如今國內新能源汽車在續(xù)航上已經可以比肩特斯拉，但保證續(xù)航的前提是保證安全性。
在技術層面無法趕上特斯拉之前，安全性無疑是國內消費者選擇國產汽車最重要的原因之一。
所以刀片電池推出之后，很多企業(yè)重新開始重視起磷酸鐵鋰電池的研發(fā)。
三十年河東，三十年河西。在 2018 年磷酸鐵鋰電池被行業(yè)無情拋棄之后，2020 年的三元鋰電池又因為成本高、安全性差被行業(yè)看衰。
從目前趨勢來看，磷酸鐵鋰電池將回歸主流，直到被下一個技術所淘汰。
