電池技術決定電動車行業的未來

決定電動汽車（BEV）產業發展的關鍵

在于降低電池成本。

未來技術的突破，

例如鋰硫電池或鋰空氣電池的應用，

將起到決定作用。

當前，我們必須改進現有的電池組生產方式，針對特定的市場，

提供有競爭力的產品和設計。

“電動汽車”這個詞所指的車輛有混合動力汽車、純電池動力汽車（BEV），還有使用燃料電池的電動汽車。這三種汽車的分類依據大不相同，特別在區分目標市場和滿足技術要求方面差別巨大。盡管電池動力汽車為經濟和社會帶來深遠影響，但它目前面臨的技術挑戰十分艱巨：電池技術還需要大幅改進才能讓電池動力汽車能夠與內燃機引擎（ICE）汽車相匹敵，甚至超越后者。本文重點介紹和討論BEV電池技術，并對其面臨的關鍵挑戰提出解決方案和思路，進而提出改進BEV電池技術的觀點。

當前BEV電池技術的發展階段

多數BEV都使用鋰離子（Li-ion）電池技術。現在使用的五種主要的鋰離子電池技術從組成成分可區別為：二氧化錳鋰（LMO）、磷酸鋰鐵（LFP）、鋰鎳鈷錳氧化物（NMC）、鋰鎳鈷鋁（NCA）和鈦酸鋰（LTO）。可是，如果考慮所有的需求（安全性、比容量、成本、使用壽命和性能），五種技術中的任何一種都無法在下列五大指標中全部達到令人滿意的程度。

首先，對于BEV電池來說，安全性是最重要的一個判斷標準。安全方面的主要考慮是要避免熱失控。從2013年10月發生的特斯拉（Tesla）起火事件可以看出，電動汽車電池著火會很快改變公眾對BEV的態度，也會嚴重影響BEV制造商的財務狀況。嚴格地講，考慮到其化學成分，當前所有的鋰電池本質都是不安全的。由于犧牲了比容量，一些特定的鋰電池技術會相對安全。比容量是決定行駛里程的關鍵因素。為了避免熱失控，不同的BEV制造商對電池技術和電池組的設計有自己的偏好。然而它們都需要堅固的保護包裝、高效的冷卻系統，也需要電池管理系統來準確地監控和平衡電池的狀態。所有這些附加的組件大幅增加了電池組的重量，進而削弱了比容量。

第二，只有在評價電極本身的內在屬性時，材料層面的比容量（只計算電極材料本身的質量）才有意義。電池組裝完成后，由于加上了集流體、電解質、隔膜和電池單元外殼等組件，電池單元層面的比容量就會顯著降低。截至目前，電池單元層面的比容量是由松下公司（Panasonic Corporation）實現的，最高為236 Whkg-1，特斯拉使用了這種技術。把數百（乃至數千）個單獨的電池單元組合起來，構成BEV的電池組后，比容量就會進一步下降。例如，特斯拉使用的電池組，包裝后的比容量約為120 Wh kg-1；而美國還有另外兩個主要的BEV品牌，日產LEAF和雪佛蘭沃藍達（Chevy Volt），它們電池組層面的比容量分別為90-110 Wh kg-1，以及80-90 Wh kg-1。電池組層面的比容量有限，這是延長單次充電行駛里程的重大瓶頸。

第三，成本是另一個決定BEV未來的因素。目前，電池用化學品生產商和大多數BEV制造商之間有兩層中介，一是電池單元制造商，二是電池組制造商。由于兩個層級的存在，電池的最終價值中又增加了額外的成本，之后這些成本又會轉嫁給消費者。波士頓咨詢公司（Boston Consulting Group）的分析顯示，當前BEV制造商需要承擔的電池組成本約為每千瓦時900美元至1220美元，零售價格還要再高出40%。需要指出的是，制造電池并不是勞動密集型產業，因此勞動力成本在各地區之間的差異并不顯著。例如，在美國制造電池組的成本只比中國的成本高14%。

第四，表1中顯示的最后兩個指標，使用壽命和性能的技術挑戰沒那么大。目前多數鋰電池技術的周期穩定性和總體壽命都很不錯。此外，BEV制造商可以利用容量比所需電量更大的電池組，補償電池的自然老化，也可以使用容量較小的電池組，并在幾年后通過保修服務進行更換。BEV電池的性能需要在許多不同的氣候條件下進行衡量，因此評價標準與BEV針對的特定地區緊密相關。要改進電動汽車在不同氣候下的運動性能，就需要增添加熱和隔熱等附加組件。而這又會降低電池的比容量，進而影響汽車的行駛里程。

改進BEV電池技術

改進BEV的電池技術可從上述幾個重要指標入手。

首先，只要繼續使用可燃的液態電解質，鋰電池內在的安全性就難以根本改進。站在科學的角度，改善安全性的唯一方案就是研發固態電解質。研究人員正在對兩種固態電極開展緊密的研究：高分子電解質和陶瓷電解質。一方面，高分子電解質機械彈性更強，化學上也更穩定。然而鋰離子在高分子電解質中的導電性，比正常電池運行所需導電性至少要低兩個數量級。另一方面，某些陶瓷電解質雖然具有充足的導電性，但在鋰電池很寬的電壓范圍內卻并不穩定。所有這些缺陷都來源于其內在的化學屬性。化學學科需要有根本性的突破，才能使固態電解質成為現實。由于上述兩者都不可能在近期取得進展，BEV制造商仍需要依賴工程設計來改進現有技術的安全性。

第二，改善電池組層面的比容量是另一個艱巨的挑戰。比容量可以通過更高效地封裝電池、使用更輕質的材料來提高，但這種改進是有限的。因此我們應當關注于研發新的電池化學成分。從最近的發展來看，常規的電極需要由鋰離子容量更高的“普適（drop-in）”型新電解質材料所取代。“普適”型電極的另一個優勢是它們可以輕松置入到現有的電池裝配線上，無需對基礎設施進行改造。硅（Si）是最富有前景的負極材料，理論上容量比石墨高十倍。盡管近年來全球付出了極大的努力來研究硅電極，但這種材料仍未完全商業化。對于正極，研究人員正在對若干種高容量材料開展研究，如典型分子式為 xLi₂MnO₃ .（1-x）LiMO₂ 或 xLi₂MnO₃.（1-x）LiM₂O₄的放氧材料，以及硅酸鹽等雙鋰材料（Li₂MSiO₄）。

第三，容量更高的新型鋰離子電池系統可望成為一種新選擇。例如鋰硫（Li-S）電池和鋰空氣電池。如果能夠解決充放電周期不穩定的問題，鋰硫電池就可以商業化。我們的團隊最近開發了一種全新的鋰硫電池系統，顯示出了前所未有的鋰離子容量和周期穩定性。從理論上看，鋰空氣電池在所有可重復充電的電池中具備最高的容量，因此許多研究人員認為鋰空氣電池是BEV電池技術的終極方案。然而鋰空氣電池技術面臨著許許多多的技術挑戰。盡管理想的鋰空氣電池或許永不會成為現實，但我們相信，經過認真的研發努力，通過適當調整或改進的鋰空氣電池系統是可以進行商業化開發的。

第四，必須大幅降低BEV電池技術的成本。這可以通過在化學品生產商、電池單元制造商、電池組生產商與電動汽車生產企業之間引入聯盟合作的方式來實現。更好的方法是，BEV生產商建立自有的電池單元、電池組生產部門。比亞迪汽車有限公司就是一個很好的例子，它是從比亞迪股份有限公司拆分出來的企業，后者是全球范圍內一家重要的鋰電池制造商。特斯拉最近也提出要在美國建設自有的電池制造廠，這將成為世界上最大的電池生產工廠。基于對石油價格波動趨勢的預期，我們必須降低BEV電池成本，進而增強BEV同ICE類汽車同場競技的實力。從長遠來看，至少在20年的時間里，這都將是一個非常嚴峻的挑戰。

中國BEV產業的發展現狀

毫無疑問BEV技術正在成為經濟發展中一個極為重要的環節。尤為重要的是，中國已成為世界上增長最迅速的汽車市場。中國的BEV企業，如比亞迪，需要在中國市場以及全球市場上，與國外BEV企業開展競爭。然而，中國較為低廉的勞動力成本，在BEV領域并不是一個顯著的優勢。因此，中國BEV制造企業必須針對中國市場，制定專門的戰略。例如，中國市場上的BEV可能并不需要與美國市場一樣遠的行駛里程。因此，比容量相對較小但安全性能更好的電池可以用于中國市場的BEV上。短期來看，降低成本并研發“普適”型的電極，是BEV制造商的重要課題；長期來看，BEV電池技術領域取得的突破將成為未來電動汽車的推動力。

在中國，必須發揮政策的重要作用，促進新型充電池技術的研發。美國目前在這一領域處于主導地位。要想在這個領域提高競爭力，中國必須加強對大學和小型企業的研發投資力度，為BEV制造商和消費者提供激勵政策。此外，還需要在政府各部門以及產業界合作伙伴之間組建聯盟，形成合力。