作為智能汽車的能量載體，電池的未來到底在哪里？
時(shí)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(yè)無法跳過的一個(gè)關(guān)鍵話題，電池在今年云集了太多的關(guān)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(xiàn)在三點(diǎn)：安全性、容量保持能力，以及在滿足前兩者的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)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(jìn)步其實(shí)是比較明顯的，以相對(duì)主流的三元鋰離子電池為例，三元鋰離子電池兩條技術(shù)路線中以寧德時(shí)代為代表的NCM電池，目前已經(jīng)從NCM523、622、進(jìn)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(guān)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(qū)別于國內(nèi)主流的NCM，另一條NCA技術(shù)路線主要是日韓電池廠在做，目前已經(jīng)從18650電池進(jìn)化到21700電池。NCA電池使用對(duì)象幾乎只有特斯拉，其電池正極材料由鎳鈷鋁構(gòu)成，三種材料通常的配比為80%：15%：5%。
相對(duì)NCM811，NCA單體電池能量密度更高一些，比如松下和特斯拉聯(lián)合推出的NCA21700，電池單體能量密度已經(jīng)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(wěn)定性都會(huì)出現(xiàn)下滑，而80%的配比的鎳元素占比已經(jīng)相當(dāng)高了。
可以說，高鎳電池讓三元鋰電池的能量密度達(dá)到了一個(gè)新的高度，但與此同時(shí)，三元鋰電池的能量密度也正面臨著一個(gè)新的瓶頸。因?yàn)橐粋�(gè)矛盾點(diǎn)就在于，想要鋰離子能量密度高，穩(wěn)定性就會(huì)越差，天不遂人愿。
作為智能汽車的能量載體，電池肩負(fù)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(dāng)然不可取，但不可否認(rèn)的是確實(shí)是對(duì)高能量密度的追求在引導(dǎo)著我們向前走。
道理很簡單，在充電等基礎(chǔ)設(shè)施沒有完備之前，解決電動(dòng)車里程焦慮這個(gè)最大痛點(diǎn)的唯一辦法，就是不斷增加續(xù)航里程，而這從根本上只能靠高能量密度的電池來實(shí)現(xiàn)。
但是繼續(xù)提高能量密度和保持穩(wěn)定性等其他指標(biāo)之間似乎成了一個(gè)魚和熊掌的關(guān)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(xù)提高高能量密度，鋰離子電池也有一個(gè)解決方案—“摻硅補(bǔ)鋰”，這是由寧德時(shí)代和智己汽車共同研發(fā)的一條技術(shù)路線。
傳統(tǒng)鋰離子電池以石墨負(fù)極作為負(fù)極材料，而使用硅碳和SiOX（一種硅的氧化物）作為負(fù)極材料會(huì)大大提高電池整體的能量密度，比如寧德時(shí)代NCM811電池，但SiOX作為負(fù)極存在一個(gè)問題，就是首次放電效率僅有70%，經(jīng)過多次改進(jìn)也僅為80%，還沒有全部發(fā)揮效用。
而所謂的“摻硅補(bǔ)鋰”主要是在硅碳負(fù)極表面預(yù)涂一層鋰金屬，灌注電解液后與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)可以嵌入負(fù)極顆粒內(nèi)部，彌補(bǔ)首次充放電或者循環(huán)過程中消耗的鋰離子，而預(yù)埋鋰后負(fù)極首次放電效率可達(dá)85.34％，重要的是循環(huán)穩(wěn)定性也有改善。
據(jù)智已汽車稱，采用“摻硅補(bǔ)鋰”技術(shù)的電芯，能量密度會(huì)較現(xiàn)在行業(yè)領(lǐng)先水平高出30%-40%，未來在智己汽車自己的架構(gòu)寬帶內(nèi)甚至可以推出約1000km續(xù)航車型，而電池20萬公里零衰減。
不過“摻硅補(bǔ)鋰”工藝由于對(duì)制造環(huán)境的要求非常高，目前還只在研發(fā)階段，量產(chǎn)還需待以時(shí)日。
且從另一個(gè)角度看，“摻硅補(bǔ)鋰”其實(shí)也只是對(duì)鋰離子電池的一個(gè)打補(bǔ)丁式的改進(jìn)，雖然會(huì)有一定效果，但本質(zhì)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(shí)挪開，跳過”摻硅補(bǔ)鋰電芯”的技術(shù)路線，可變的思路就廣闊的多了。
比如固態(tài)電池，在這一領(lǐng)域豐田親自下場，而大眾、寶馬、福特和現(xiàn)代等一線車企亦有投資。
我們簡單一點(diǎn)介紹，從目前可知的理論上，固態(tài)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(xù)突破的痛點(diǎn)，還且還順帶附送了體積小重量輕、充電效率更快的優(yōu)點(diǎn)。
例如大眾投資的QuantumScape，其單體電池能量密度是現(xiàn)在最高能量密度鋰離子電池的4倍，可在15分鐘內(nèi)充滿80%的電量，而豐田的固態(tài)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(tài)鋰電池最重要的還是不需要使用隔膜和電解液，其固態(tài)的電解質(zhì)柔性更強(qiáng)，不僅從封裝的角度上有更多的延展性，而且還可以針對(duì)單一電芯做安全冗余設(shè)計(jì)，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(tài)電池還在實(shí)驗(yàn)室階段，但可以預(yù)見的未來，固態(tài)電池將有很大機(jī)會(huì)成為接替鋰離子電池的下一個(gè)智能汽車能量載體。
而除了固態(tài)電池，還有一種動(dòng)力源也值得我們關(guān)注，那就是氫燃料電池。相比起后起之秀固態(tài)電池，氫燃料電池其實(shí)很早就出現(xiàn)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(diǎn)像一個(gè)發(fā)電站，它并不需要介質(zhì)來儲(chǔ)存電能，它是通過自帶的氫氣和氧氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)可發(fā)電的，當(dāng)然它也會(huì)有一個(gè)蓄電池，其補(bǔ)能方式就是加氫，一次加氫僅需數(shù)分鐘。
氫燃料電池車型在行駛時(shí)氫氣通過管道進(jìn)入堆棧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電能，而電能通過轉(zhuǎn)換器根據(jù)電力控制單元的輸出到電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)車輛行駛。
主要是加速時(shí)電能要供給到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而減速時(shí)能量回收則會(huì)把電能儲(chǔ)存在蓄電池中，整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，但氫燃料動(dòng)力驅(qū)動(dòng)可以說是最環(huán)保的一種形式，因?yàn)闅錃夂脱鯕饨Y(jié)合并不產(chǎn)生任何污染物。
目前限制氫燃料電池大規(guī)模應(yīng)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(fù)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(huì)先在商用車上得到規(guī)模化應(yīng)用，在乘用車上目前看還只是一個(gè)未來不太主流的技術(shù)路線。當(dāng)然，除了氫燃料還有一些其他更不太主流的動(dòng)力能路線，比如石墨烯電池以及未來可能會(huì)成為輔助動(dòng)力的超級(jí)電容等，這里就不一一展開了。
但總而言之，說了這么多總結(jié)成一段話，其實(shí)從“油”到“電”不僅是內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)，不僅是汽車動(dòng)力系統(tǒng)邁入了新世界，電的加入，會(huì)讓更多的變化體現(xiàn)在，也正逐漸體現(xiàn)在向新四化進(jìn)軍的汽車之上，這是一個(gè)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(yuǎn)一點(diǎn)的角度看，作為智能汽車的一部分，電池肩負(fù)重任，高階自動(dòng)駕駛、智能化等概念的加持，體現(xiàn)在駕駛、座艙以及其他領(lǐng)域的無限拓展和豐富性，其實(shí)本質(zhì)上都離不開電池這個(gè)需要提供能量的載體。而這個(gè)過程中，電池帶給我們的挑戰(zhàn)必然會(huì)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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