究竟哪一年才能有 1000km 续航的电动车?得从这位网友的留言说起:


为了简化内容突出重点,电哥姑且将 1980 年以前称之为启蒙时代。
有个著名的冷知识就是电动车诞生时间要远远早于燃油车,并且在诞生初期,纯电动车才是绝对的主流。毕竟电动车最早的概念要追溯到 1828 年耶德力克搞出的电机 " 玩具 " 了,不过这个发明并没有明确的 " 动力电池 " 这个概念,因此还算不得真正的纯电动车。

转机发生在 1859 年,加斯东发明了铅酸电池,这可以视作正儿八经的动力电池了。就在这个发明的基础上,第一辆铅酸电池电动车于 1881 年顺利诞生(就算以这个作为参考,还是要比 1886 年的第一台燃油车更早)。接着卡米尔又紧锣密鼓的改进了设计,造出了这辆铅酸电池三轮车,车重仅 160kg,最高时速为 12km/h。或许还没体力旺盛的你跑得快,远远慢于马车。在那个能源形式大发展的时代,电动车、内燃机、蒸汽机呈三足鼎立之势。

不妨总结一下特点,此时的动力电池体积大、质量大,能量密度极低,如此夸张的悬殊以至于当时想要通过堆电池来提升续航都是不可能的,因为电池堆个七八百公斤以后,当时的电机甚至无法驱动这样庞大的身躯。就算是同期镍镉电池等新技术陆续登场,也难以改善本质上的窘境。进入 20 世纪之后就是内燃机井喷的时代了,电动车的发展陷入阶段性停滞。

在 1976 年 -1985 年,随着第一次石油危机以及愈演愈烈的环境保护问题,如何给汽车进行节能减排这件事重新回归到了人们的视野当中,顺理成章的我们再次记起了电动车。这其中就有斯坦利、约翰、吉野彰三人陆续奠定的锂离子电池框架,锂电池的诞生,使得高电压的可充放电电池逐渐进入人们的生活,从此人类的动力电池科技树就基本是围绕锂电池在做文章了。
为了纪念他们三人对这个世界的贡献,2019 年诺贝尔化学奖得主就是这三位哥们。

进入锂电池时代后,运用何种形式作为车载动力电池并非是一蹴而就的,而是历经一段艰辛的摸索,因此在初期我们所见到的第一批真正意义上的纯电动车,却还在使用一些更为老旧的电池技术。你比如说使用了镍铬电池的油改电标志 106,最高时速为 90km/h,续航也仅为 100km。

另外还有大名鼎鼎的通用 EV1,与标志 106 不同,通用 EV1 是绝对的纯电动原生设计,2 座双门轿跑一推出就受到了广泛的欢迎,早期的铅酸电池版本电池容量为 16.5kWh~18.7kWh,EPA 续航 126km,后期的镍氢电池版本电池容量上升到了 26.4kWh,EPA 续航达到 228km。关于通用 EV1 的大起大落就是另一个故事了,感兴趣的话可以看看 2006 年的纪录片《谁杀死了电动车》。

至此,纯电动车历经了淘汰铅酸电池,尝试了更安全镍氢电池之路,但是镍氢电池又面临着能量密度极低的窘境,重量能量密度基本停滞在 80Wh/kg 以下,想要推出长续航纯电动车,镍氢电池也并不理想。直到吉野彰提出 LCO 钴酸锂电池,锂离子电池才算是进入了蓬勃发展的时期。
这个时期以 LCO 钴酸锂、LCO 锰酸锂为代表的锂电池获得了积极发展,但是想搞出一套成熟的车载动力电池似乎总是困难重重。前者钴酸锂电池能量密度很高,但从名字来看就知道成本高的可怕,拿来造体积巨大的车规级电池不那么现实;后者锰酸锂成本是降下去了,但是寿命低,能量密度又降下去了。这一轮尝试结果都总是不理想,好在是确认了容量大、循环性能更好的锂离子电池作为车载动力电池发展方向。

这次的转机发生在 1997 年,经过不懈的努力约翰又开发出了 LFP 磷酸铁锂电池,这下总算是找到了集安全性、低成本、循环寿命高等多种优势于一身的锂电池技术,使得动力锂电池的商业化成为了可能。
2000-2020 能量密度大跃进:磷酸铁锂 / 三元锂之争
进入新世纪之后的故事大家比较熟悉,基本上就是磷酸铁锂电池与三元锂电池两强相争的局面了。
磷酸铁锂电池(LFP)是用磷酸铁锂作正极材料的锂离子电池,三元锂电池则是一种以镍钴元素作为正极材料,以锰盐或铝盐来稳定化学架构的锂电池,主要有 NCM(镍钴锰)和 NCA(镍钴铝)。受制于化学特性,磷酸铁锂电池的电压平台较低,磷酸铁锂电池的能量密度大概在 140Wh/kg 左右。而三元锂电池电压高,能量密度基本为 240Wh/kg。也就是说,在相同电池重量下,三元锂的能量密度相比磷酸铁锂材料更容易做的更高。




由此可见,高镍三元锂电池已经成为了短期内提升能力密度逃不开的发展方向,通过镍元素含量的提升,三元正极材料的比容量逐渐升高,电芯的能量密度也会随之提高。例如特斯拉大量使用的 21700 NCA 三元锂电池电芯的能量密度高达 260Wh/kg,它的镍钴铝比例为 8:1.5:0.5,毫无疑问,它属于 " 高镍电池。

值得注意的,伴随着高镍三元锂电池的高歌猛进,其安全性隐患也在 2019 年的众多安全性事件当中爆发了出来,使得人们重新审视到在追求高能量密度、长续航的同时,安全性也不应该被忽视。

根据现有技术水平来判断,三元锂电池将保持、乃至于长期保持市场主导地位,动力电池领域能量密度有望从目前的 255Wh/kg 向 300Wh/kg 突进,续航将从目前最高 600km 左右进一步提升。
怎么提升呢?有这么几个办法,我们习惯上按照封装工艺以及形态的不同来进行划分,目前主流可分为三种,那就是圆柱形锂离子电池、软包锂离子电池、方形锂离子电池。自锂离子电池商业化以来,最先广泛应用于 3C、消费电子的就是圆柱锂离子电池了,特斯拉就是采用了松下的 18650 及 21700 NCA 圆柱锂离子电池,其特点便是卷绕工艺成熟、能量密度较高,但是电控难度相应水涨船高。


不论是软包还是方形铝壳动力电池,受新能源车电池包设计的影响,高度普遍受限,其形态正在向着更长的方向发展。为了顺应这个趋势,传统的卷绕工艺电芯已经不能满足车规级动力电芯的形态要求,取而代之的将是叠片工艺生产出来的电芯。正是由于叠片电芯尺寸灵活,不受卷绕卷针结构的限制,层叠式生产,极片的界面平整度高。

因此,未来动力电池也将逐渐摒弃模组化,向专业(车规)化、大型化发展,体积越大,叠片的优势也更加突出,这也是未来动力电池的发展趋势;松下、三星 SDI、CATL、比亚迪、蜂巢等行业巨头都有在近期有导入叠片工艺的计划。

另外值得注意的就是磷酸铁锂电池,由于工艺同样得到不小幅度的改进,其电池包系统能量密度已经能达到 160Wh/kg 左右,虽然与目前的高镍电池相比仍有差距,但是显然这样的表现已经足够使用在大型商用车以及部分对续航要求不那么极致的乘用车上,再加上成本、安全性优势,磷酸铁锂电池有望焕发第二春,再次提升装机量。
2025:固态电池初露端倪
只可惜,通过提升工艺、改变三元配比提升工艺来提升锂电池的性能,成长空间注定有限,同时还承受着化学特性更加活泼的代价。有没有立足长远,更有发展前景的电池技术呢?当然是有的,这就是车载动力电池的终极目标,固态电池。
由于固态电池先天具备化学特性上的优势,能量密度将轻松突破 400Wh/kg,冲击 1000km 续航,安全性也将获得质的飞跃。


更重要的是,固态电解质拥有不可燃、无腐蚀、不漏液、不挥发等一大堆核心优势,以往纯电动车型中所担心的安全问题也将迎刃而解。

即便是研发难度巨大、成本高昂,在全行业的需求下,固态电池的未来仍然是明朗的。届时,恐怕满大街跑的电动车续航都超过 1000km 了。