作為智能汽車的能量載體，電池的未來到底在哪里？
時間:2020-12-31 11:31來源:AutoLab 作者:張一
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作為2020年汽車行業無法跳過的一個關鍵話題，電池在今年云集了太多的關注目光。作為智能汽車的能量載體，目前聚焦于電池身上的問題主要體現在三點：安全性、容量保持能力，以及在滿足前兩者的基礎上實現高能量密度。
相比起安全性和容量保持能力，電池能量密度的進步其實是比較明顯的，以相對主流的三元鋰離子電池為例，三元鋰離子電池兩條技術路線中以寧德時代為代表的NCM電池，目前已經從NCM523、622、進化到了NCM811。
NCM是指三元鋰電池正極材料中的鎳鈷錳三種元素，其中提升電芯能量密度關鍵是是增加鎳所占的比例，NCM811電池中這三種元素所占比例即是80%：10%：10%。
區別于國內主流的NCM，另一條NCA技術路線主要是日韓電池廠在做，目前已經從18650電池進化到21700電池。NCA電池使用對象幾乎只有特斯拉，其電池正極材料由鎳鈷鋁構成，三種材料通常的配比為80%：15%：5%。
相對NCM811，NCA單體電池能量密度更高一些，比如松下和特斯拉聯合推出的NCA21700，電池單體能量密度已經接近340Wh/kg。
鋰離子電池的“矛盾瓶頸”
但問題在于不管是NCM還是NCA，三元鋰電池中只要鎳含量占比增加，電池的容量保持能力與熱穩定性都會出現下滑，而80%的配比的鎳元素占比已經相當高了。
可以說，高鎳電池讓三元鋰電池的能量密度達到了一個新的高度，但與此同時，三元鋰電池的能量密度也正面臨著一個新的瓶頸。因為一個矛盾點就在于，想要鋰離子能量密度高，穩定性就會越差，天不遂人愿。
作為智能汽車的能量載體，電池肩負重任，安全性、容量保持能力、高能量密度缺一不可，一味的追求電池高能量密度當然不可取，但不可否認的是確實是對高能量密度的追求在引導著我們向前走。
道理很簡單，在充電等基礎設施沒有完備之前，解決電動車里程焦慮這個最大痛點的唯一辦法，就是不斷增加續航里程，而這從根本上只能靠高能量密度的電池來實現。
但是繼續提高能量密度和保持穩定性等其他指標之間似乎成了一個魚和熊掌的關系，下一步該如何走呢？
目前在滿足安全性，容量保持能力的前提下，繼續提高高能量密度，鋰離子電池也有一個解決方案—“摻硅補鋰”，這是由寧德時代和智己汽車共同研發的一條技術路線。
傳統鋰離子電池以石墨負極作為負極材料，而使用硅碳和SiOX（一種硅的氧化物）作為負極材料會大大提高電池整體的能量密度，比如寧德時代NCM811電池，但SiOX作為負極存在一個問題，就是首次放電效率僅有70%，經過多次改進也僅為80%，還沒有全部發揮效用。
而所謂的“摻硅補鋰”主要是在硅碳負極表面預涂一層鋰金屬，灌注電解液后與負極發生反應可以嵌入負極顆粒內部，彌補首次充放電或者循環過程中消耗的鋰離子，而預埋鋰后負極首次放電效率可達85.34％，重要的是循環穩定性也有改善。
據智已汽車稱，采用“摻硅補鋰”技術的電芯，能量密度會較現在行業領先水平高出30%-40%，未來在智己汽車自己的架構寬帶內甚至可以推出約1000km續航車型，而電池20萬公里零衰減。
不過“摻硅補鋰”工藝由于對制造環境的要求非常高，目前還只在研發階段，量產還需待以時日。
且從另一個角度看，“摻硅補鋰”其實也只是對鋰離子電池的一個打補丁式的改進，雖然會有一定效果，但本質上并沒有革命性的變化。
電池的未來在哪里？
作為智能汽車的能量載體，電池的未來在哪里？如果我們把視線從三元鋰電池身上暫時挪開，跳過”摻硅補鋰電芯”的技術路線，可變的思路就廣闊的多了。
比如固態電池，在這一領域豐田親自下場，而大眾、寶馬、福特和現代等一線車企亦有投資。
我們簡單一點介紹，從目前可知的理論上，固態電池幾乎完美解決了鋰離子電池在安全性、容量保持能力，以及高能量密度上無法繼續突破的痛點，還且還順帶附送了體積小重量輕、充電效率更快的優點。
例如大眾投資的QuantumScape，其單體電池能量密度是現在最高能量密度鋰離子電池的4倍，可在15分鐘內充滿80%的電量，而豐田的固態電池可以使用30年以上，并且還能夠保持90%以上的性能。
另外相比鋰離子電池，固態鋰電池最重要的還是不需要使用隔膜和電解液，其固態的電解質柔性更強，不僅從封裝的角度上有更多的延展性，而且還可以針對單一電芯做安全冗余設計，而這些都是鋰離子電池所不具備的條件。
總之，雖然目前固態電池還在實驗室階段，但可以預見的未來，固態電池將有很大機會成為接替鋰離子電池的下一個智能汽車能量載體。
而除了固態電池，還有一種動力源也值得我們關注，那就是氫燃料電池。相比起后起之秀固態電池，氫燃料電池其實很早就出現在我們的視野中，比如豐田mirai，一款很早就在北美開賣的氫燃料電池車型。
而氫燃料電池有點像一個發電站，它并不需要介質來儲存電能，它是通過自帶的氫氣和氧氣進行化學反應可發電的，當然它也會有一個蓄電池，其補能方式就是加氫，一次加氫僅需數分鐘。
氫燃料電池車型在行駛時氫氣通過管道進入堆棧發生化學反應產生電能，而電能通過轉換器根據電力控制單元的輸出到電動機以驅動車輛行駛。
主要是加速時電能要供給到驅動系統，而減速時能量回收則會把電能儲存在蓄電池中，整個系統比較復雜，但氫燃料動力驅動可以說是最環保的一種形式，因為氫氣和氧氣結合并不產生任何污染物。
目前限制氫燃料電池大規模應用的主要還是在成本、適配性、安全等方面。比如氫氣罐的安全性，還有和充電站不同，一座加氫站不僅建造要求更復雜，成本通常也在百萬美金以上。
而以氫燃料電池的特性，未來很有可能也會先在商用車上得到規模化應用，在乘用車上目前看還只是一個未來不太主流的技術路線。當然，除了氫燃料還有一些其他更不太主流的動力能路線，比如石墨烯電池以及未來可能會成為輔助動力的超級電容等，這里就不一一展開了。
但總而言之，說了這么多總結成一段話，其實從“油”到“電”不僅是內燃機轉向電動機，不僅是汽車動力系統邁入了新世界，電的加入，會讓更多的變化體現在，也正逐漸體現在向新四化進軍的汽車之上，這是一個翻天覆地處處是新篇的巨大變革，而我們就正處于變革開始之際。
從長遠一點的角度看，作為智能汽車的一部分，電池肩負重任，高階自動駕駛、智能化等概念的加持，體現在駕駛、座艙以及其他領域的無限拓展和豐富性，其實本質上都離不開電池這個需要提供能量的載體。而這個過程中，電池帶給我們的挑戰必然會越來越多，但有了“電”的賦能，未來智能汽車帶給我們的精彩，也必然是無限可期。
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