密度不輸三元材料？比亞迪下代電池技術(shù)鎖定磷酸鐵錳鋰

在8月3日湖南韶山召開的由中科招商投資管理集團(tuán)有限公司主辦的中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)三基工程會(huì)議上，比亞迪股份有限公司總裁王傳福接受了媒體專訪，他認(rèn)為，比亞迪秦這款車市場(chǎng)預(yù)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他們的預(yù)估，給產(chǎn)能帶來很大壓力；在新的電池技術(shù)上，比亞迪一直在進(jìn)行新電池、新材料的研發(fā)。

在新能源車的產(chǎn)能上比亞迪是如何安排的，能不能適應(yīng)市場(chǎng)的需要？比亞迪現(xiàn)在使用的是磷酸鐵鋰技術(shù)路線，下一步其它技術(shù)路線如何選擇？

王傳福回答說，比亞迪現(xiàn)在正在遇到產(chǎn)能的瓶頸，因?yàn)閷?duì)市場(chǎng)的預(yù)估有些小心謹(jǐn)慎，沒有判斷出比亞迪秦這款車市場(chǎng)如此的火爆，所以，現(xiàn)在的產(chǎn)能遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上供應(yīng)。

現(xiàn)在比亞迪秦已銷售了6000余輛，現(xiàn)在每個(gè)月的產(chǎn)能是1000輛，但每個(gè)月的訂單數(shù)量在3000至4000輛左右，超出了產(chǎn)能的3至4倍，這就出現(xiàn)了比亞迪秦市場(chǎng)供應(yīng)的嚴(yán)重短缺。這也說明新能源車的市場(chǎng)拐點(diǎn)已經(jīng)到來了?，F(xiàn)在比亞迪也在積極布局，應(yīng)對(duì)這樣的市場(chǎng)狀況，至少在明年早些時(shí)候能夠解決市場(chǎng)供應(yīng)的問題。

說到電池材料技術(shù)路線問題，比亞迪現(xiàn)在是磷酸鐵鋰的方向，未來也會(huì)研究其它的技術(shù)。我們現(xiàn)在研究的就是在磷酸鐵鋰路線下的改進(jìn)型，叫磷酸鐵錳鋰，就是在材料里面添加錳元素。這種電池的能量密度已經(jīng)達(dá)到了三元材料的密度。另外，我們考慮電池的技術(shù)路線，也是從材料的礦物質(zhì)多少出發(fā)的。三元材料中的鈷是相對(duì)稀有的金屬，地球上儲(chǔ)藏量有限，這就造成有這個(gè)元素的電池價(jià)格會(huì)下不來。而我們選擇的磷酸鐵錳鋰，這些元素在地球上很富有，不會(huì)存在枯竭的那一天，所以，我們從經(jīng)濟(jì)性上來考慮，就選擇了這個(gè)路線。當(dāng)然，隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展，我們也有可能選擇其它技術(shù)路線。

鋰電池劣化風(fēng)險(xiǎn)特斯拉是否會(huì)放棄18650？

埃隆·馬斯克（ElonMusk）被譽(yù)為超越史蒂夫·喬布斯的天才企業(yè)家。他創(chuàng)辦了受全球關(guān)注的純電動(dòng)汽車（EV）風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)—特斯拉汽車。特斯拉的轎車款EV“ModelS”的2013年的銷量超過了2萬輛，2014年計(jì)劃擴(kuò)大至3.5萬輛以上。SUV款EV“ModelX”也將在2014年內(nèi)投產(chǎn)。

“這樣會(huì)發(fā)生特斯拉危機(jī)的”，最近經(jīng)常能聽到這種夸張的說法，意思是說快速增長的EV風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)將迎來危機(jī)。引發(fā)危機(jī)的罪魁禍?zhǔn)姿坪跏荅V的核心部件—二次電池。特斯拉采用的是“18650”（直徑18mm×長65mm）圓柱型小型鋰電池。這種電池已被廣泛用于消費(fèi)類產(chǎn)品，可通過量產(chǎn)效應(yīng)削減成本。

不過，特斯拉采用18650的戰(zhàn)略也有可能成為引發(fā)危機(jī)的導(dǎo)火索。18650原本是索尼公司內(nèi)部使用的規(guī)格名稱，其基本構(gòu)造已經(jīng)20多年沒有變化。正如某電池技術(shù)人員所說，“18650始終是一款壽命只有幾年的消費(fèi)類產(chǎn)品用電池”。

造成鋰電池劣化的主要原因是水和熱。從結(jié)構(gòu)上來說，18650抗水和抗熱性能不強(qiáng)。雖然采取了一些措施，例如對(duì)設(shè)置在圓筒和蓋板之間的密封墊進(jìn)行了改進(jìn)等，但18650的水蒸氣阻隔性能“依然不及采用復(fù)合薄膜的袋式（Pouch）電池”（另一位電池技術(shù)人員）。關(guān)于熱，18650的單元內(nèi)部幾乎沒有空隙，因此散熱性較差。當(dāng)然，特斯拉定會(huì)采取一些應(yīng)對(duì)措施，但供貨量越大，電池劣化導(dǎo)致重大缺陷和事故的可能性就越大。

由于存在這一問題，電池行業(yè)人士之間出現(xiàn)了這樣的傳言：“特斯拉或許會(huì)放棄自己的堅(jiān)持?！币馑际钦f其EV的電池將由18650單元改為大型車載電池。以安心、安全為大前提的汽車如果事故頻發(fā)，定會(huì)名譽(yù)掃地。而且，目前日產(chǎn)、三菱等其他EV推進(jìn)派失去了往日的勁頭，特斯拉成了引領(lǐng)EV行業(yè)的標(biāo)桿。一家風(fēng)險(xiǎn)企業(yè)的失敗將會(huì)給整個(gè)EV部件市場(chǎng)帶來影響。特斯拉小小肩膀擔(dān)負(fù)的期待和責(zé)任十分重大。

特斯拉首次向市場(chǎng)投放EV是在2008年，當(dāng)時(shí)限量推出了2500輛雙座車型“Roadster”。有意思的是，該車幾乎沒有用戶投訴，盡管其舒適性較差，有時(shí)也會(huì)出故障。這估計(jì)是因?yàn)橘徺I者并沒有將Roadster當(dāng)成一輛車，而是把它當(dāng)成了一款先進(jìn)且具有挑戰(zhàn)性的玩具。但今后恐怕不會(huì)這么簡單。對(duì)于瞄準(zhǔn)大眾消費(fèi)市場(chǎng)的特斯拉EV，消費(fèi)者會(huì)將其作為汽車來嚴(yán)格要求。特斯拉能否消除風(fēng)險(xiǎn)？這將取決于被譽(yù)為天才的馬斯克的決斷。

Tesla為什么采用18650電池？

1、首先做一個(gè)概念上的厘清：層疊式電池vs.聚合物電池vs.袋裝電池

問題里提到了“層疊式（聚合物）鋰離子電池”，請(qǐng)注意層疊式(Laminated)電池與聚合物(Polymer)電池是兩個(gè)不同的概念。所謂聚合物電池是指內(nèi)部含有聚合物或膠體電解質(zhì)的電池，而傳統(tǒng)的鋰離子電池的電解質(zhì)是溶解在液態(tài)電解液中的。所謂層疊式電池是指內(nèi)部電極片與隔膜是一層一層堆疊起來的，與之相對(duì)應(yīng)的是卷繞式電池的卷繞電芯（18650電池就是卷繞式電池）。一般聚合物電池都采用層疊式結(jié)構(gòu)，因此也可稱為層疊式電池。但是，由于層疊式電池也可以采用液態(tài)電解液，因此層疊式鋰離子電池也可能不是聚合物鋰離子電池。實(shí)際上，大部分電動(dòng)汽車用的層疊式動(dòng)力電池（NissanLEAF，GMVolt等）都是液態(tài)電解液。之所以會(huì)產(chǎn)生這種混淆，大概是因?yàn)閷盈B式電池與聚合物電池一般都是用鋁塑膜封裝的，我們也稱之為“袋裝”（Pouch）電池。不過，袋裝電池內(nèi)部也有可能是卷繞式電芯。

聚合物電池現(xiàn)在似乎還沒有應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，我猜測(cè)主要原因可能是膠體電解質(zhì)的導(dǎo)電性不太好，因此內(nèi)阻較大。

2.Tesla為什么采用18650電池？

我在問題Tesla的電池管理系統(tǒng)(BMS)相比其他電動(dòng)汽車有哪些優(yōu)勢(shì)？中提到過幾個(gè)原因，在此展開論述。

a.一致性

18650電池是最早、最成熟、最穩(wěn)定的鋰離子電池，廣泛應(yīng)用在電子產(chǎn)品中，每年的出貨量大約有幾十億節(jié)。多年來，日本廠商在18650電池的生產(chǎn)工藝上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達(dá)到了非常高的水準(zhǔn)。

在與美國一位電池界教授交流的過程中，他半戲謔地說過一番話：如果你從日本某廠商直接購買了同一批次的電池，然后用你的電池充放電測(cè)試儀器去同時(shí)測(cè)試它們，如果發(fā)現(xiàn)不同通道測(cè)出的放電曲線不一樣，你應(yīng)該懷疑你的設(shè)備而不是電池的一致性。

相比之下，層疊式鋰離子電池遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有成熟（參見為什么電動(dòng)車行業(yè)不推行標(biāo)準(zhǔn)化電池？），甚至連尺寸、大小、極耳位置等都不統(tǒng)一，電池廠商所具備的經(jīng)驗(yàn)也很不足，電池的一致性達(dá)不到18650電池的水準(zhǔn)。如果電池的一致性達(dá)不到要求，大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理將是一場(chǎng)夢(mèng)魘。

總結(jié)來說，18650電池的單體容量小（一般不會(huì)超過3Ah），所需的單體數(shù)量會(huì)很多（Roadster有6831節(jié)），但是一致性很好；層疊式電池的容量可以做得較大（30Ah甚至40Ah），單體數(shù)量可以降低，但是一致性差。

Tesla不是一家電池廠商，它在電池生產(chǎn)技術(shù)方面不會(huì)有太多的積累，現(xiàn)階段也很難投入大量的人力物力與電池供應(yīng)商一起去改善層疊式電池的生產(chǎn)工藝。因此，在研發(fā)Roadster和ModelS的時(shí)候，Tesla的唯一選擇是從市場(chǎng)上去購買電池，自行開發(fā)電池系統(tǒng)。開發(fā)一套管理6000多節(jié)單體一致性很好的電池系統(tǒng)與開發(fā)一套200多節(jié)一致性很差的電池系統(tǒng)，相比之下，前者的技術(shù)難度應(yīng)該更低一些。即使單體電池?cái)?shù)目增多，但是如果這些電池的性能是可靠的，管理起來還是容易一些。

對(duì)比另一款很成功的純電動(dòng)汽車，日產(chǎn)的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因?yàn)槿债a(chǎn)與NEC合作多年，在電池技術(shù)方面積累很深厚，在品質(zhì)控制方面應(yīng)該有相當(dāng)?shù)墓αΑEAF的電池來自AESC，日產(chǎn)與NEC的合資公司。

對(duì)比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開發(fā)電動(dòng)汽車時(shí)與電池廠商的合縱連橫是一件非常有意思的事情。

b.成本

Tesla采用18650電池，就可以利用日本松下等廠商之前的生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。在消費(fèi)類電子產(chǎn)品所用18650電池競(jìng)爭日趨激烈的情況下，我想松下等廠商是非常樂意與Tesla合作升級(jí)產(chǎn)品，將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動(dòng)力電池。

另外，工業(yè)生產(chǎn)有一個(gè)規(guī)模效應(yīng)，當(dāng)生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達(dá)到一個(gè)量級(jí)之后，成本會(huì)大大降低。一輛Tesla就需要上千節(jié)18650電池，因此單體的采購價(jià)格應(yīng)該可以壓得比較低。

c.散熱能力

層疊式電池的厚度薄、表面大，均熱、散熱能力都不錯(cuò)，因此日產(chǎn)的LEAF很大膽地采用了被動(dòng)式熱管理系統(tǒng)（其實(shí)就是不管理?。煽諝獾淖匀粚?duì)流將熱量帶走。LEAF的單體電池是這個(gè)樣子的：

由四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊是這個(gè)樣子的：

由48個(gè)電池模塊串聯(lián)組成的電池組是這個(gè)樣子的：

可以看到，電池組上沒有任何的風(fēng)扇、冷卻液管道等熱管理系統(tǒng)。大概這就是無招勝有招。

反過來看Tesla，18650電池的個(gè)頭比較小，在正常充放電時(shí)單體電池內(nèi)部的溫差也不會(huì)太大。但是，6000多個(gè)單體電池的溫度也應(yīng)當(dāng)保持在不超過5°C的范圍內(nèi)，這是一件非常困難的事情。但是，Tesla做到了。

總結(jié)來說，由于采用了小容量的18650電池，Tesla的熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜度是大大增加了的。也就是說，如果從散熱能力方面考慮，使用小容量的18650電池不是最優(yōu)選。

d.能量密度

談到能量密度，就必須區(qū)分單體電池的能量密度與電池組的能量密度。

就單體電池的能量密度來看，18650電池是要高于層疊式鋰離子電池。我這里查到的日產(chǎn)LEAF所用的33Ah鋰離子電池的能量密度是157Wh/kg，GMVolt所用的層疊式電池的能量密度約為150Wh/kg；而Roadster所用的18650電池的能量密度約為211Wh/kg。（注：Roadster和Volt都沒有查到原裝電池?cái)?shù)據(jù)，我是根據(jù)相同電池廠商生產(chǎn)的相同容量的電池的數(shù)據(jù)計(jì)算得到的）

但是，18650電池的管理系統(tǒng)更加復(fù)雜，由此額外增加的重量會(huì)使得電池組的能量密度遠(yuǎn)低于單體的能量密度。Roadster的電池組重量是450kg，能量密度是118Wh/kg，而LEAF電池組的重量是225kg，能量密度是107Wh/kg。在電池組層次，兩者的能量密度已經(jīng)不相上下。

ModelS的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)比Roadster優(yōu)秀得多，但是這方面的資料我還沒有收集到太多，現(xiàn)在還沒有辦法做分析。

e.安全性

前面提到層疊式鋰離子電池的各種優(yōu)點(diǎn)，但它也有一些缺點(diǎn)。由于層疊式鋰離子電池一般是采用鋁塑膜封裝的，而鋁塑膜的厚度薄，機(jī)械強(qiáng)度差，在汽車發(fā)生碰撞等極端情況下，鋁塑膜很容易發(fā)生破損導(dǎo)致安全事故產(chǎn)生。這也就解釋了為什么日產(chǎn)要在4個(gè)單體組成的電池模塊外面再加一個(gè)鋁殼。

18650電池一般是鋼殼，安全性更好；而且前面也提到隨著18650電池生產(chǎn)工藝水平的的不斷提高，安全性也在不斷提高。

Tesla在應(yīng)對(duì)這些18650電池可能出現(xiàn)的安全事故上，也傾注了很多心血。如果一個(gè)單體電池出現(xiàn)溫度過高等異常情況，根據(jù)異常情況的惡劣程度，這枚電池或其所在的模組會(huì)斷電以防止事故的蔓延。由于單體容量小，只要不發(fā)生蔓延，事故的嚴(yán)重程度將是較低的。

我認(rèn)為，Tesla當(dāng)時(shí)采用18650電池，的確是最優(yōu)選擇。但是，隨著Tesla在電池領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)不斷積累，他們應(yīng)該會(huì)嘗試其他構(gòu)型的電池。

聚合物電池的優(yōu)點(diǎn)也就是形狀可定制性高，“更輕便.壽命更長，更安全”這三個(gè)優(yōu)點(diǎn)完全是樓主YY出來的吧？山寨的18650移動(dòng)電源因?yàn)槌浞烹娍刂齐娐焚|(zhì)量低劣，比起自帶充放電控制的聚合物移動(dòng)電源要好，但是特斯拉擁有幾乎世界最強(qiáng)的18650電池矩陣管理技術(shù)，比普通聚合物移動(dòng)電源不知道高到哪里去了。18650電池能量密度大，壽命長，產(chǎn)量高，放電性能好，用在特斯拉上不是理所當(dāng)然么。

其實(shí)影響電池安全性的最主要性質(zhì)還是正極材料，特斯拉使用的鈷酸鋰確實(shí)比其他正極材料安全性差一些，但是他先進(jìn)的管理技術(shù)和防火墻模塊足以保證汽車的安全性了。而其他安全性高一些的正極材料能量密度大大低于鈷酸鋰，售價(jià)更高，會(huì)大大縮短續(xù)航里程，明顯得不償失。

特斯拉的電池技術(shù)總監(jiān)庫爾特·科蒂（KurtKelty）表示，“我們也嘗試了板型和方型電池，結(jié)果還是18650的能量密度更高”，此次采用的18650“電池單元的能量密度大約比Roadster高3成。而且，單元的排列方式對(duì)于安全性影響也頗大，另外還把18650電池單元之間的間隔也給做小了”。

特斯拉堅(jiān)持不使用大容量電池單元，而是使用了小容量的18650。在該公司看來，這樣不僅成本低，而且安全性好，一旦電池單元出現(xiàn)熱失控，因?yàn)槿萘啃。蝗菀子绊懙街車碾姵貑卧?。科蒂說道：“其實(shí)，18650有五個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但我們不想讓其他企業(yè)知道，所以不便詳談?！绷硗猓脑捴羞€透露出了該公司也在嘗試其他方式，但目前還不打算更換的意思。