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有限公司主辦的中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)三基工程會議上，比亞迪股份有限公司總裁王傳福接受了媒體專訪，他認為，比亞迪秦這款車市場預(yù)期遠遠超出了他們的預(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?；卮鹫f，比亞迪現(xiàn)在正在遇到產(chǎn)能的瓶頸，因為對市場的預(yù)估有些小心謹慎，沒有判斷出比亞迪秦這款車市場如此的火爆，所以，現(xiàn)在的產(chǎn)能遠遠跟不上供應(yīng)。

現(xiàn)在比亞迪秦已銷售了6000余輛，現(xiàn)在每個月的產(chǎn)能是1000輛，但每個月的訂單數(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)了比亞迪秦市場供應(yīng)的嚴重短缺。這也說明新能源車的市場拐點已經(jīng)到來了?，F(xiàn)在比亞迪也在積極布局，應(yīng)對這樣的市場狀況，至少在明年早些時候能夠解決市場供應(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稀有的金屬，地球上儲藏量有限，這就造成有這個元素的電池價格會下不來。而我們選擇的磷酸鐵錳鋰，這些元素在地球上很富有，不會存在枯竭的那一天，所以，我們從經(jīng)濟性上來考慮，就選擇了這個路線。當然，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)險特斯拉是否會放棄18650？

埃隆·馬斯克（ElonMusk）被譽為超越史蒂夫·喬布斯的天才企業(yè)家。他創(chuàng)辦了受全球關(guān)注的純電動汽車（EV）風(fēng)險企業(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年計劃擴大至3.5萬輛以上。SUV款EV“ModelX”也將在2014年內(nèi)投產(chǎn)。

“這樣會發(fā)生特斯拉危機的”，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)險企業(yè)將迎來危機。引發(fā)危機的罪魁禍首似乎是EV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。雖然采取了一些措施，例如對設(shè)置在圓筒和蓋板之間的密封墊進行了改進等，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。當然，特斯拉定會采取一些應(yīng)對措施，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：“特斯拉或許會放棄自己的堅持?！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)，定會名譽掃地。而且，目前日產(chǎn)、三菱等其他EV推進派失去了往日的勁頭，特斯拉成了引領(lǐng)EV行業(yè)的標桿。一家風(fēng)險企業(yè)的失敗將會給整個EV部件市場帶來影響。特斯拉小小肩膀擔負的期待和責任十分重大。

特斯拉首次向市場投放EV是在2008年，當時限量推出了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，有時也會出故障。這估計是因為購買者并沒有將Roadster當成一輛車，而是把它當成了一款先進且具有挑戰(zhàn)性的玩具。但今后恐怕不會這么簡單。對于瞄準大眾消費市場的特斯拉EV，消費者會將其作為汽車來嚴格要求。特斯拉能否消除風(fēng)險？這將取決于被譽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”，請注意層疊式(Laminated)電池與聚合物(Polymer)電池是兩個不同的概念。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。實際上，大部分電動汽車用的層疊式動力電池（NissanLEAF，GMVolt等）都是液態(tài)電解液。之所以會產(chǎn)生這種混淆，大概是因為層疊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)用在電動汽車上，我猜測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)相比其他電動汽車有哪些優(yōu)勢？中提到過幾個原因，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，使得產(chǎn)出的18650電池的一致性、安全性都達到了非常高的水準。

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試儀器去同時測試它們，如果發(fā)現(xiàn)不同通道測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遠沒有成熟（參見為什么電動車行業(yè)不推行標準化電池？），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)驗也很不足，電池的一致性達不到18650電池的水準。如果電池的一致性達不到要求，大量電池串、并聯(lián)形成的電池組的管理將是一場夢魘。

總結(jié)來說，18650電池的單體容量?。ㄒ话悴粫^3Ah），所需的單體數(shù)量會很多（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的時候，Tesla的唯一選擇是從市場上去購買電池，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。即使單體電池數(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。

對比另一款很成功的純電動汽車，日產(chǎn)的LEAF，它采用的是層疊式鋰離子電池。這是因為日產(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?shù)墓α?。LEAF的電池來自AESC，日產(chǎn)與NEC的合資公司。

對比下美、日、中等不同地區(qū)的汽車廠商在開發(fā)電動汽車時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)線進行生產(chǎn)。在消費類電子產(chǎn)品所用18650電池競爭日趨激烈的情況下，我想松下等廠商是非常樂意與Tesla合作升級產(chǎn)品，將原有的生產(chǎn)線改良后用于生產(chǎn)動力電池。

另外，工業(yè)生產(chǎn)有一個規(guī)模效應(yīng)，當生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模達到一個量級之后，成本會大大降低。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，因此日產(chǎn)的LEAF很大膽地采用了被動式熱管理系統(tǒng)（其實就是不管理?。?，由空氣的自然對流將熱量帶走。LEAF的單體電池是這個樣子的：

由四節(jié)單體電池兩并兩串組成的電池模塊是這個樣子的：

由48個電池模塊串聯(lián)組成的電池組是這個樣子的：

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電池的個頭比較小，在正常充放電時單體電池內(nèi)部的溫差也不會太大。但是，6000多個單體電池的溫度也應(yīng)當保持在不超過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數(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使得電池組的能量密度遠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)計應(yīng)當比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，但它也有一些缺點。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，機械強度差，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個單體組成的電池模塊外面再加一個鋁殼。

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，事故的嚴重程度將是較低的。

我認為，Tesla當時采用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)驗不斷積累，他們應(yīng)該會嘗試其他構(gòu)型的電池。

聚合物電池的優(yōu)點也就是形狀可定制性高，“更輕便.壽命更長，更安全”這三個優(yōu)點完全是樓主YY出來的吧？山寨的18650移動電源因為充放電控制電路質(zhì)量低劣，比起自帶充放電控制的聚合物移動電源要好，但是特斯拉擁有幾乎世界最強的18650電池矩陣管理技術(shù)，比普通聚合物移動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然么。

其實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比其他正極材料安全性差一些，但是他先進的管理技術(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，售價更高，會大大縮短續(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，因為容量小，不容易影響到周圍的電池單元?？频僬f道：“其實，18650有五個優(yōu)點。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。