从电瓶到三元锂，汽车电池材料为什么越来越危险？
从电瓶到三元锂，汽车电池材料为什么越来越危险？
随着电动汽车的普及，汽车电池技术的发展日新月异。从早期的铅酸电池到如今的三元锂电池和磷酸铁锂电池，汽车电池材料经历了怎样的演变？为什么现代汽车电池似乎越来越危险？本文将为您详细解析汽车电池技术的发展历程及其背后的原因。
铅酸电池：早期电动汽车的主要动力来源
铅酸电池是最早应用于电动汽车的动力电池之一，其历史可以追溯至19世纪。在20世纪初，铅酸电池逐渐被内燃机取代。然而，到了90年代，随着环保概念的兴起和环保政策的出台，美国刮起了电动车热潮，铅酸电池再次被用于一些早期电动汽车产品中，如福特的Ranger EV、雪佛兰的S-10和通用的EV1。
其中最具代表性的是通用的EV1，虽然这款车型拥有先进的风阻设计和电驱系统，一度受到美国人热捧。然而，铅酸电池却成为EV1的阿喀琉斯之踵，续航只有100公里，充满却要15个小时，纳智捷看了都得汗颜。
在一篇采访EV1车主的文章中，作者用“Range Anxiety”来形容车主的担忧，后来这个词被广泛用来形成电车车主的顾虑，翻译过来就是里程焦虑。
镍氢电池：混动汽车的过渡选择
铅酸电池的缺点明显，35Wh/kg的能量密度低，使用寿命短，污染环境、自放电率高，时间一长，满电也会变没电。
为了让汽车续航更远，解决里程焦虑，研究人员找到了性能更好的镍氢电池。采用铅酸电池的通用EV1最终只生成了六百多辆，在第二代改用镍氢电池。
镍氢电池多是用于混动汽车的动力电池，像丰田普锐斯、本田因赛特第一代，甚至，在最新款汉兰达混动，2023款凯美瑞双擎上，丰田依然采用的镍氢电池。
与铅酸电池比，镍氢电池能量密度显著提高，能达到70Wh/kg。镍氢电池也存在自放电率高的缺点，而且电压低，输出功率和充电速度都无法满足需要。因此，镍氢电池在汽车低负荷时运转，在混动汽车的动力组合中起到辅助作用，主要输出动力的还是燃油发动机。
锂电池：解决里程焦虑的关键技术
要想解决电车用户的里程焦虑，能量密度高、自放电率低、输出功率高、充电速度快的锂电池才是更好的技术方案。锂适合电池电极因为它活泼性强，但也是因为锂活泼性强，锂电池安全性不如其他电池。这就好比一把刀，刀越锋利，砍瓜切菜越容易，但也越危险。
关于锂电池的发展过程，老狐之前在手机电池的文章中已经介绍了，大家感兴趣可以去阅读。锂电池第一次用在数码产品是1991年，被用在汽车中要到1998年，日产生产的Altra是世界上第一款采用锂电池且量产的电动汽车，不过它的续航里程只有190km。
对电动汽车发展有里程碑意义的汽车是2006年正式亮相的特斯拉Roadster，这款基于路特斯Elise，由特斯拉重新设计和开发的车型，通过锂电池供电将续航提升至390公里。2008年，比亚迪发布了第一款插电式混动车型F3DM。值得一提的是在F3DM上使用的是磷酸铁锂电池，而特斯拉后来在Model S上开始使用三元锂电池。
汽车动力电池技术路线如今分为三元锂电池和磷酸铁锂电池，二者代表性的企业分别是宁德时代和比亚迪。不过宁德时代并非只生产三元锂电池，比如在续航里程较短的特斯拉Model 3后轮驱动版上面，用的就是宁德时代的磷酸铁锂电池。
汽车锂电池正极材料
手机电池的文章，介绍了锂电池的负极材料，这里正好要介绍锂电池的正极材料。汽车锂电池正极材料通常是磷酸铁锂或三元锂电池，这个三元锂包括镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）。
关于磷酸铁锂和三元锂电池的优缺点，网上已经讨论了好几轮，本篇文章不再细聊。简单来说就是磷酸铁锂安全性更高，充电循环次数高，寿命长，含有铁、磷等常见元素，成本也更低。
相对的，三元锂在低温下性能表现更好，更重要的是，三元锂电池能量密度更高，能更好地解决电车的里程焦虑。普通三元锂（NCM）电池的能量密度在180-230Wh/kg，而磷酸铁锂的能量密度通常在140-160Wh/kg。
三元锂电极还可以通过改变镍钴锰的摩尔比例来提升电池的能量密度。普通三元锂（NCM）镍钴锰的摩尔比例是1:1:1，被称为NCM111。镍含量影响电池能量密度，钴含量影响电池可逆比容量，也就是循环寿命，锰含量影响结构稳定性。
想要提升电池能量密度，就要提高镍含量，降低钴含量恰好又能降低材料成本。研究人员又开发出NCM424、NCM523、NCM622和NCM811，这些电池又被称为富镍三元锂电池。
富镍三元锂电池中NCM811目前比较受关注，原因还是能量密度高，而且降低了钴金属的使用，待到工艺成熟，有望降低电池成本。比如特斯拉的4680电池，就是富镍电池中的NCM811，加上硅碳负极，电芯能量密度达到300Wh/kg。
但其实NCM811材料也有明显的短板，因为提高了镍含量，钴和锰的含量进一步降低，安全性比不上其他的富镍电池。这好比我们玩输出英雄，10个装备栏，8个用来买进攻装备，剩余两件装备，一件肉装、一件回复装，输出高但也脆。
为什么NCM811短板明显还受到关注，因为它的性能接近富镍材料的极限，而安全性低的问题，可以通过更先进的电池管理系统，也就是俗称的BMS，来保证电池安全运行。
没有人会嫌弃刀太锋利，只要有更好的剑鞘就行了。当然了，汽车应该使用哪种方案的电池，还得结合场景，根据实际需要做出选择，比如对成本控制比较严格的低端车，通常用磷酸铁锂电池，高端车则多用三元锂电池。
电池包结构：从CTM到CTB的技术演进
除了电芯，提升电车续航的办法还有对电池包结构进行改造，也就是我们会听到的宁德时代CTP、比亚迪CTB，大家想过没有，这个到底是什么意思？
汽车锂电池按照封装形式，分为圆柱电池、方块电池和软包电池，早期汽车电池是多个电芯通过封装变成一个电池模组，电池模组再封装成电池包，电池包安装在电动车底盘。这样的电池包结构叫CTM（Cell to Module）。不过，CTM结构中每个电池模组都得封装、固定、再加上散热空间、电池管理系统，电池的空间利用率比较低，只有40%。
于是，宁德时代在2019年推出了CTP（Cell To Pack），让电池包实行“扁平化”管理，通过减少电池模组，提升空间利用率，比如本来电池包有12个电池模组，现在减少到4个。宁德时代最新的CTP3.0技术，已经把电池的空间利用率提升至70%。
到CTP，在电池本身的空间优化已经很到位了，还想要大幅提升只能在汽车底盘上想办法主意，就有了CTC（Cell To C）和CTB（Cell To Body）。CTC就是将电池和底盘集成在一起，用电池上盖代替驾驶舱地板，进一步节省零部件数量，提高结构效率，将空间利用率提升至70%以上。
CTC技术由特斯拉于2020年首次发布。2022年，比亚迪发布了CTB，CTC与CTB技术相似，都是把电池融入车身底部，电池上盖代替驾驶舱地板，CTB保留了车身横梁，车身拥有更好的扭转刚度。
800V高压充电：解决里程焦虑的新方案
无论是手机还是电车，为了解决续航焦虑或里程焦虑，方法是相同的，一边提高电池能量，一边提升充电功率，于是，800V就成了许多车企发布会上常见的一个数字。不过这个800V也有不少门道。
严格来说，800V不是一个确切的数值，而是一个范围，目前行业内是将额定电压范围在550-930V之间的车型统称为800V，所以，有一些电车的额定电压550V也被称为800V。
*图片来自小鹏社区用户
除此之外，这个800V额定电压也分为覆盖了整车电气系统的全域800V平台，只有三电甚至只有动力电池支持800V的非全域800V。全域800V带来的优势除了充电速度快，性能更强，还有就是整车发热量更少。根据高中物理知识：W=（U*U）T/R，整车电气系统的电阻不变，电压升高，产生的发热就更少，电网的高压直流运输也是这个原理。只不过全域800V，要对整车电气系统进行升级，因此造车成本更高。
随着800V电压平台的电车越来越多，形容充电速度的又多了一个名词——充电倍率。就在前段时间，传出宁德时代和比亚迪即将推出充电倍率6C动力电池，没过多久，另一家国产电池厂商亿纬锂能就发布6C快充大圆柱电池。
充电倍率常用6C、5C、4C表示，充电倍率的计算公式如下：
充电倍率=充电电流/电池额定容量
比如充电电流是200A，电池容量是100Ah，充电倍率就是2C，表示电池半小时内充满，6C的话则是10分钟内就可以充满。不过6C一般是充电功率峰值，实际充满要高于10分钟。虽然充电倍率6C的车还没有，但5C的车已经在今年陆续上市了，比如理想Mega、极氪009、极氪001四驱版。要知道去年上市高端机型还是4C充电倍率，而明年如果6C充电倍率车型上市，充电5分钟，行驶两小时，将有可能变成现实。
对手机而言，高容量电池、高功率充电确实解决了续航焦虑。在汽车领域，更大能量的电池、6C甚至未来10C的充电速度会解决大家对电车的里程焦虑吗？
参考资料
- TOPSPEED：Nine Early Electric Cars From The 1990s That We Forgot About
- RoadTrack：From Lead-Acid To Lithium: A History of the Automotive Battery
- 锂离子电池三元正极材料的研究进展，邹邦坤, 丁楚雄, 陈春华，中国科学院能量转换重点实验室&苏州纳米科技协同创新中心
- 富镍锂离子电池三元材料 NCM 的研究进展，肖忠良，周乘风，宋刘斌，曹忠，蒋鹏，长沙理工大学化学与食品工程学院
- 萝卜报告：各家都在吹的 CTP、CTC、CTB 都是啥？
- 汽车洋葱圈：都叫 800V，但车企挖的这些“坑”你得小心！
- 维基百科、懂车帝
- 部分图片来自网络