汽車產(chǎn)業(yè)一直是中國經(jīng)濟重要支柱產(chǎn)業(yè)，最近幾年，新能源汽車的動力電池技術進步明顯，僅從續(xù)航里程來說，每年大約增加100公里，近兩年更超過100公里。僅從續(xù)航里程來說，600公里~700公里已經(jīng)與燃油車處于同一水平，但是因為充電或換電設施不方便，更大程度上是因為電池性能的衰減，在競爭力上仍處下風。從未來趨勢上來說，新能源汽車已經(jīng)占據(jù)發(fā)展先機，這也是蘋果宣布入場新能源汽車，甚至有傳言說微軟也要起而行之的原因所在。
動力電池競爭
2021年初，在特斯拉“開年送喜”大降價之后，蔚來更宣稱到2023年推出續(xù)航里程1000公里的新能源車。如果說，蔚來續(xù)航1000公里的固態(tài)電池仍然是理想中的概念，那么，2020年3月比亞迪通過視頻發(fā)布的刀片電池已經(jīng)在大規(guī)模生產(chǎn)的路上了。
從上可知，動力電池在續(xù)航里程上的競爭已經(jīng)白熱化。特斯拉的大幅降價就得益于此。
而中科院院士歐陽明高在今年1月16日第七屆中國電動汽車百人會論壇上演講時所說的一番話，更說明動力電池的競爭熱度一直未減。他說：如果某一位說，它(指車)既能跑1000公里、又能幾分鐘充完電，而且還特別安全、成本還非常低，那大家不用相信，那是不可能的。
這句針對目前技術現(xiàn)狀的話，被一些人解讀為，那些聲稱能將動力電池做到1000公里者，只能是騙子。說起來，這還是樂視PPT造車效應的過度反應而已。蔚來在未來幾年能否做到這一點，并不能說沒有可能。相反，如果動力電池能保持目前的技術進步速度，在2023年達到1000公里的續(xù)航里程并不是什么困難的事。如果遭遇技術瓶頸，比如，800公里被認為是天花板極限的話，則在近期內是不可能完成的任務。
不管怎么說，被特斯拉這條“大鯰魚”不斷攪動的這片海域，注定風波難息。
在同樣的演講中，歐陽明高院士說得很明白：只有實現(xiàn)新能源汽車大規(guī)模發(fā)展才能實現(xiàn)新能源革命。
這一過程，又注定是艱難的。
從樂視首開PPT造車風氣以來，一些企業(yè)宣稱的技術領先，一直是吸引投資與投資者的“不二法門”。蔚來發(fā)布會后，引發(fā)與固態(tài)電池相關的企業(yè)股價飛漲，而沒有“新概念”的新能源車企股價則應聲下跌，仍讓人覺得資本市場“記吃不記打”。
當然，不用懷疑，市場終歸會回歸理性，一時的喧囂并不能遮蔽技術落地后的起起伏伏。尤其是汽車作為房子以外最大的耐用消費品，其消費者有可能被迷惑一時，但永遠不可能被長期迷惑。
固態(tài)電池與液態(tài)電池之爭
蔚來秉持的固態(tài)電池與目前市場上常用的液態(tài)電解質鋰離子電池，實際上都是鋰電池。其運行原理并無二致，就是利用鋰離子在正負極之間嵌入和脫出的過程，實現(xiàn)電池的充電和放電。
而不同則在于電解質的物理形態(tài)，即固態(tài)和液態(tài)之別。當前所用的鋰電池，其電解質為液態(tài)。那么，很好理解，固態(tài)電池的電解質就為固態(tài)。之所以要改變電解質的形態(tài)，目的就是要追求更高的能量密度。這并沒有什么高深的科學道理，因為從物理形態(tài)上來說，大體上固態(tài)的能量密度要高于液態(tài)的能量密度。當然，實現(xiàn)起來并不簡單，要通過提高正極和負極的比能量來完成。當前的鋰電池，負極為石墨材料(碳)，通過在石墨負極中添加硅原料，可以提高負極的比能量;既然如此，就可以用硅材料完全替換石墨材料。研究發(fā)現(xiàn)，如果用鋰金屬做負極，效果又可以得到大幅提升。但是，如果用鋰金屬做負極，就需要把液態(tài)的電解質替換成固態(tài)。原因在于，鋰金屬屬于極為活躍的金屬，一旦和液體電解質接觸，就如“干柴遇烈火”不易控制，這對安全性要求極高的電動車來說，是不可能忍受的。那么，選擇惰性更強的固態(tài)電解質，就勢成必然。所謂的“固態(tài)電池”，實際上就是目前液態(tài)電池的升級版。
理論上的路線或者說圖上的規(guī)劃路線是清晰的，但付諸實踐并不容易?？梢哉f，固態(tài)電池目前仍在實驗階段。即使如此，也只是部分企業(yè)才能在電池單層疊片層面(比電芯還要小)實現(xiàn)了這樣的高性能，而距離形成可用的電池包以及模組，裝配到車上并通過車規(guī)級的各項測試驗證，恐怕不是一年兩年能夠完成的。
再者說，即使完成了測試驗證，仍需要走過大批量、高效率生產(chǎn)，成本降低到可競爭水平等種種關口。有多少企業(yè)倒在批量投產(chǎn)的前夜，前車之鑒不可謂不沉痛。即便可以批量生產(chǎn)，用上新電池的車輛整體性能是否具備超人一籌的競爭力，仍未可知。
因為，歐洲和日本都曾預期固態(tài)電池在2020年可以走出實驗室，但因為穩(wěn)定性、安全性、成本高等問題，仍在“待字閨中”。
2019年12月10日，曾有媒體報道，特斯拉的固態(tài)電池能量密度已經(jīng)達到了現(xiàn)有鋰離子電池的4倍，15分鐘可以充電80%，但要正式投入生產(chǎn)仍預計在2024年才有可能。從國內零星的消息來說，國軒高科預計是在2021年開始生產(chǎn)，但要到2025年才能生產(chǎn)出車用的高密度固態(tài)電池。另一家公司當升科技只是說其固態(tài)電池材料得到了用戶認可，至于何時能投產(chǎn)并沒有明確消息。
蔚來作為新能源整車企業(yè)真的是在豪賭未來。
刀片電池回歸正道?
2020年3月29日，比亞迪在線上發(fā)布會，首次對外公布了“刀片電池”順利通過“針刺試驗”的完整視頻。業(yè)界認為，“刀片電池”將改變行業(yè)對三元鋰電池的依賴，將動力電池的技術路線引向新的賽道，并重新定義新能源汽車的安全標準。
這里，順便說一句，鋰電池的常用命名方式主要有兩種，一是以電池中正極元素來命名，二是以電池最核心的反應機理和特征來命名(如固態(tài)電池、柔性電池等)。三元鋰電池所采用的就是第一種命名方式，因為其正極材料中包含了鎳、鈷、錳/鋁三種金屬元素，被命名為“三元”。
從中國新能源汽車剛起步時起，動力電池的技術路線就是競爭的焦點。隨著電池技術的開發(fā)，由于三元鋰電池具備更優(yōu)的續(xù)航里程，才逐漸成為新能源乘用車的主流，而磷酸鐵鋰電池則被更多地應用在商用車上。在比亞迪董事長王傳?？磥?，新能源乘用車因為許多企業(yè)過于追求續(xù)駛里程的優(yōu)勢，導致了對動力電池的非理性競爭，也就是對動力電池的能量密度產(chǎn)生了偏執(zhí)追求。這種發(fā)展路線可以說是“誤入歧途”，并使新能源乘用車的安全品質大打折扣。
王傳福強調，刀片電池的方向之一，就是要把動力電池的發(fā)展引回行穩(wěn)致遠的正道，安全尤其是避免電池著火被視為首要問題。當然，對于新能源乘用車來說，更高的能量密度，更高續(xù)航里程仍然是動力電池行業(yè)的追求，甚至被認為是新能源汽車行業(yè)發(fā)展的宿命。
但不可否認，就目前的市場表現(xiàn)來說，磷酸鐵鋰電池的市場份額在不斷下滑。中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟的數(shù)據(jù)顯示，2019年，我國動力電池裝車量累計62.2GWh，同比累計增長9.2%。其中三元鋰電池的裝車量累計40.5GWh，占總裝車量65.2%，同比累計增長22.5%;磷酸鐵鋰電池裝車量累計20.2GWh，占總裝車量32.5%，同比累計下降了9.0%。這也與三元鋰電池的續(xù)航表現(xiàn)優(yōu)于磷酸鐵鋰電池相一致。
盡管刀片電池在安全性上優(yōu)于三元鋰電池，但不應忘記三元鋰電池的安全性提升并非停滯不前。
實際上，動力電池之爭主要是比亞迪與寧德時代的競爭。由此可知，磷酸鐵鋰刀片電池對于比亞迪的市場意義有多重要。
在過去幾年，寧德時代和比亞迪一直是動力電池的前兩位。兩家公司的市場份額，加起來超過7成。
拋開技術優(yōu)劣不談，兩家的市場份額很大程度上是因為產(chǎn)品戰(zhàn)略選擇的原因。比亞迪主要采取的是垂直供應體系，對外供應方面并沒有明顯突破。這可能與比亞迪作為整車公司有很大關系。寧德時代則不同，幾乎完全依靠橫向供應體系，外銷是其主要戰(zhàn)略。好處是絕大多數(shù)車企會選擇與寧德時代合作，尤其是與特斯拉達成向上海工廠供應電池的協(xié)議之后，發(fā)展勢頭更為迅猛。據(jù)統(tǒng)計，2016年之前，比亞迪的市場份額高于寧德時代，從2017年開始，寧德時代就反超了比亞迪。此后，兩家公司的市場份額差距呈拉大趨勢。2019年，寧德時代的裝車量達到了31.46GWh，而比亞迪只有10.75GWh。
同樣，從市場價值評估來看，寧德時代的市值高于比亞迪的市值超過了1/3。那么，比亞迪期望刀片電池能夠撼動三元鋰電池的市場地位。據(jù)比亞迪的消息，“幾乎所有的汽車品牌，都在和我們探討基于‘刀片電池’技術的合作方案。”刀片電池能收獲多少，仍需要市場和時間來檢驗。這也預示著，比亞迪在2017年開始改變銷售策略后，要大干一場，不能總采取守勢，必須主動進攻。2018年，比亞迪就發(fā)布了共享開放的e平臺。當年10月，王傳福曾透露，打算將電池業(yè)務分拆并上市，時間點在2022年之前。這就是2020年3月，比亞迪旗下五家弗迪系公司(弗迪電池有限公司、弗迪視覺有限公司、弗迪科技有限公司、弗迪動力有限公司、弗迪模具有限公司)的成立，宣布刀片電池通過檢測的時間也在3月，王傳福的謀劃怎么看都是意味深長。王傳福自己說得更明白：“弗迪系和比亞迪的關系，就像行星和恒星的關系。弗迪系的每一家公司，既是圍繞比亞迪產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢而生的行星，更是各自領域獨當一面，對外賦能的耀眼的明星?！边@其中，弗迪電池更承擔著巨大使命。由于近兩年新能源補貼政策的調整，比亞迪的盈利能力出現(xiàn)下滑，再加上特斯拉的競爭升級，尤其需要弗迪電池分擔市場壓力。
磷酸鐵鋰刀片電池會是一把利劍嗎?
刀片電池的結構創(chuàng)新
比亞迪動力電池的技術路線與三元鋰電池(各自的正極材料不同)的技術路線是兩個方向。似乎國內大多數(shù)廠家都選擇的是三元鋰電池，但奔馳和豐田這樣的頂尖車企卻選擇與比亞迪合作，國際市場對比亞迪動力電池更為認可。刀片電池技術的進步，更將這種認可推向了新高度。
刀片電池的誕生
刀片電池依舊延續(xù)了磷酸鐵鋰的技術路線，刀片電池改變的只是電芯的形狀，正極材料仍然是磷酸鐵鋰。要知道，在刀片電池這個名字出現(xiàn)之前，這項技術曾被稱為“超級磷酸鐵鋰電池”。只不過現(xiàn)在看來，“刀片電池”這個名字更有想象力和沖擊力罷了。
比亞迪之所以一直執(zhí)著于用磷酸鐵鋰做正極材料，是因為磷酸鐵鋰在安全性上，相比于三元鋰電池具有一定的優(yōu)勢。而三元鋰電池的優(yōu)勢，則在于其續(xù)航里程更長，這是源于三元鋰電池具有更強的導電性，能帶來更高的能量密度。
前面也曾提到，王傳福對于偏執(zhí)追求續(xù)航里程、相對忽略了安全性的做法頗為詬病。但比亞迪并不是一味排斥三元鋰電池，相反使用了一定比例的三元鋰電池。畢竟增加續(xù)航里程，與安全性兼顧是發(fā)展的方向，而刀片電池的應運而生，正是兩種電池優(yōu)勢結合的完美解決方案。
刀片電池的工作原理
依據(jù)刀片的形象，并不難想象刀片電池的模樣，無非是把電芯做得更長、更薄，類似于刀片一樣。
如果說，以前由多個電池組結構成的電池包，是一個個塊狀體或圓柱體電池組成的，那么，刀片電池就是薄如刀片的電芯組合在一起的。
這么做不僅僅是電池形狀的改變，關鍵是電池包內的空間布局得以優(yōu)化，同樣體積的空間能布設更多數(shù)量的電芯，使得電池的能量密度大大提高，達到了增加續(xù)航里程的目的。塊狀體電池堆疊方式的空間利用率只有80%，如果考慮到結構電池包必須的支撐件和散熱件，更多的空間被浪費掉了，結果整體空間利用率只有40%。而刀片電池的結構布置可以比塊狀體更緊密。再加上刀片電池本身可以充當支架，又節(jié)省了一些空間，整體上，刀片電池的空間利用率可以達到60%。也就是說，電池包里的電池數(shù)量顯著增加，這意味著能量密度顯著增加，續(xù)航里程的增加就是自然而然的事情了。
針刺實驗顯示的優(yōu)勢
原本磷酸鐵鋰電池相比于三元鋰電池就有安全方面的優(yōu)勢。如今，塊狀或柱狀磷酸鐵鋰電池改成刀片形狀后，安全性能進一步提高。這是因為，刀片電池比塊狀電池的短路回路更長，表面散熱面積更大，過熱導致的自燃現(xiàn)象大為降低，甚至杜絕了自燃。
針刺測試是國際上通行的檢測電池安全性的試驗。針刺試驗表明，三元鋰電池會產(chǎn)生劇烈燃燒并伴隨爆炸，表面溫度超過500度;磷酸鐵鋰塊狀電池會出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象，但沒有明火和爆炸，溫度在200度與400度之間;刀片電池無明火、無煙，表面溫度只有30度到60度，安全穩(wěn)定性躍升到一個新的量級?？梢哉f，刀片電池完全解決了電池自燃的問題。
刀片電池的優(yōu)勢，就是得益于電池結構的創(chuàng)新。
刀片電池的結構創(chuàng)新
刀片電池通過結構創(chuàng)新，在成組時可以跳過模組來設計刀片電池，相較于有模電池包設計，刀片電池的重量比能量密度可達到180Wh/kg，比有模電池組提升大約9%。
所謂無模組設計，就是將電芯直接集成為電池包(即CTP技術)，將磷酸鐵鋰電芯長度陣列式封裝在“600mm ≤ 第一尺寸 ≤ 2500mm ”的電池包中，將電芯通過陣列方式排布在一起，直接組成電池包，減少了模組結構和單體連接線束，提升了封裝效率，增加了集成化。
依賴刀片電池形狀的特殊性和材料的穩(wěn)定性，密集排布的刀片電池可以充當簡單的結構件，不再需要單獨做支架，空間利用率由40%提升到60%。從而解決了磷酸鐵鋰電池單位體積能量密度過小的缺點，帶電量約增加20%~30%。續(xù)航里程同樣提升20%~30%，可達600公里，而且兼顧了高安全、長壽命，不像三元鋰電池為了遷就續(xù)航里程人為忽略了安全性。
不僅如此，刀片電池還改善了磷酸鐵鋰耐低溫性差的缺點。其更為科學的熱管理系統(tǒng)，讓換熱效率維持在較高水平，即使放在零下20度的嚴寒環(huán)境下，刀片電池的放電能力至少是常溫時的90%，在低溫環(huán)境下仍能保持電池性能的穩(wěn)定，從而較好地改善了磷酸鐵鋰電池低溫續(xù)航衰減難題。
但這并不是說，刀片電池有多么完美，其缺點是被碰撞后的修復更為困難?？梢韵胂?，薄如刀片，又利用每個電芯自身作為支架，失去了支撐結構的保護屏障，在受到外力沖擊下，就無法保證電芯的完整性。
總結來說，刀片電池是一種結構創(chuàng)新，而非材料創(chuàng)新，可以稱之為磷酸鐵鋰電池技術的升級，就如比亞迪最早將其恰如其分地命名為超級磷酸鐵鋰電池一樣。目前的改進，使它與三元鋰電池之間的差距在縮小，再加上磷酸鐵鋰成本低，正好彌補了新能源汽車補貼終止后成本大幅上升的問題。僅就目前來看，刀片電池的充電速度和續(xù)航能力與三元鋰電池仍有差距，最大優(yōu)勢不過是其綜合能力，沒有明顯短板。在突出的安全性之外，尚有電池包強度、續(xù)航能力、使用壽命、充放電功率、低溫性能等方面的綜合優(yōu)勢。
當然，動力電池的結構創(chuàng)新，并非比亞迪一家。從模組來說，就從355模組和590模組，進步到寧德時代的 CTP(無模組)。近期，國軒高科的JTM(Jellyroll To Module，即從卷芯到模組)，也是一種創(chuàng)新，能量和存儲效率都有所提升。
再進一步，刀片電池有可能直接將電池包連在車輛上，或者是單體直連到車輛上，創(chuàng)新仍有空間。
歐陽明高院士站在更高的高度，從未來十年交通智慧能源生態(tài)的角度，提出兩個大有可為的組合：一個是分布式光伏+電池+電動汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈;另一個是集中式遠距離的風電與光伏+氫能儲能及發(fā)電+燃料電池汽車+物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈。
一個是分布式，另一個是集中式智慧能源系統(tǒng)，兩者結合就是未來智慧能源的大系統(tǒng)。
電動車是未來的方向
如果說，幾年前還是少數(shù)人認為電動車是汽車行業(yè)未來的話，那么到今天，這樣認為的人已經(jīng)是呈幾何級數(shù)增加。在這樣的局面下產(chǎn)生出的旺盛需求，更催快了未來變成現(xiàn)實的速度。
對于中國來說，依賴海外石油的程度已經(jīng)達到危險的地步，超過了國際公認的70%供應量紅線。在這樣的關頭，當務之急已不是尋找新的能源來源地，而是找到新的替代能源。中國缺石油，但不缺電動車電池與發(fā)動機必需的鋰和稀土金屬。中國一旦實現(xiàn)汽車完全電動化，對石油的依賴就得以自然緩解。相比于石油要從國外進口，電力完全可以在中國自己廣袤的國土上解決，不論是光伏、水電、風電和核電，中國都不落后，其中光伏與核電還處于世界領先水平，風與水資源也相對充足，關鍵是可循環(huán)再生能源。
實際上，歐洲國家尤其是西歐發(fā)達國家，相比中國更加激進，不少國家早就確定了燃油車完全退出的時間表。
發(fā)展電動車已經(jīng)成為全球共識。
多少年來，中國燃油車完全依賴日歐美技術，理性看待已沒有超越的可能。燃油車發(fā)動機和變速箱的技術堡壘，以及各種技術專利，使我們在技術上很難突破。中國作為世界第一大燃油車消費市場，已經(jīng)被固化在整車組裝環(huán)節(jié)，每生產(chǎn)一輛汽車，就為國外企業(yè)賺一次錢。
發(fā)展電動車則不同，且不說有沒有先天優(yōu)勢，起碼大家處于大致相同的起點，都在奮勇嘗試，就看誰的投入更大。相比較，中國在市場上的優(yōu)勢就突出出來，再加上政府的補貼政策，發(fā)展基礎已經(jīng)具備?，F(xiàn)在完全取消補貼，目的很明確，就是放手讓生產(chǎn)廠家去市場的大海里游泳，要生存就要不斷升級技術，不論是去年比亞迪發(fā)布刀片電池，還是蔚來信誓旦旦2023年準定會推出續(xù)航里程1000公里的固態(tài)電池，創(chuàng)新的氛圍已經(jīng)形成。起碼，在動力電池領域，中國并不落后。展望未來，不論是動力電池，還是電動車、充電樁，勢必生產(chǎn)得越多，成本就越低，競爭能力就越強。
僅以動力電池為例，其價格在十年間，已經(jīng)下降了90%，后續(xù)仍然會延續(xù)這樣的勢頭。這也是在發(fā)展中解決問題的最好例證。
這一點對于歐美日韓也是機會，不惟是中國的機會。但不同的是，對于中國是一個百年難遇的機會，失去了有可能再等一百年。
電動車的技術進步不應也不會局限于動力電池，其最終目的是完全自動駕駛。電驅動的操作方便性與控制輕便性，以及軟件的應用性，同自動駕駛具有天然的適配性，這也是燃油車難以比肩的。
溫俊 江西青蓮新能源汽車服務有限公司CEO
本文發(fā)表于《中國工業(yè)和信息化》雜志2021年1月刊總第31期
（轉載）
