新能源汽车动力电池还会有革命性的突破吗？

去年国内车市不景气，哀鸿遍野，满地凉凉，一向成绩优秀的合资企业不少也是由涨转跌。然而在这样惨淡的大环境下，新能源汽车依旧逆势大涨，产销破百万，成为市场最耀眼的明星。

图一 新能源汽车动力总成

新能源汽车的快速发展很大程度得益于动力电池性能的大幅提升。自2008年锂离子动力电池应用于电动汽车已经10年，实际装车产品的能量密度提高了2.5倍，实现了蓄电池领域百年来革命性的突破。对比2017年、2018年上市新能源车型的能量密度，短短一年间提升巨大，平均数从103.3Wh/kg 增长到 142.4Wh/kg。

性能提升推动动力电池价格大幅下降。过去十年间，日韩电池龙头价格已从 2010 年的 600-800 美元/KWh 降至目前 150-200 美元/kWh，国内龙头厂商在 2016 年底也降至 300 美元/kWh左右，目前已进入到 200-250 美元/kWh。据报道，国内电池巨头比亚迪电池成本可以做到0.9元/wh。

目前，我国新能源汽车市场上的纯电动汽车所搭载的动力电池，大多数为三元锂材料和磷酸铁锂材料电池。尽管相比铅酸和镍氢电池，能量密度已经有了极大的提高，但是依然难以打消消费者的里程焦虑。毫无疑问，动力电池技术瓶颈在很长一段时间内，阻碍了新能源汽车产业化进程。那么，锂离子电池密度究竟还能不能再提高了？新能源汽车电池还会有革命性的突破吗？

图二 不同类型的锂离子电池

想解答这个问题，首先得从电池的能量密度说起。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。

对于电动汽车来说，电池的能量密度常常指向两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统的能量密度。电芯是一个电池系统的最小单元。以轩逸纯电为例，8个电芯组成一个模组，24个模组组成一个电池包，这是车用动力电池的基本结构。

单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。系统能量密度系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

要提高动力电池包能量密度，一是提高成组效率，二是采用更高能量密度的电芯。成组技术可以通过改善电池包设计以及采用碳纤维的轻型材料，不过提升空间不大，只能看作是零敲碎打。

提高单体电芯能量密度才是解决问题的核心。限制锂电池的能量密度提升的原因是电池背后的化学体系。一般而言，锂电池分为五大部分：正、负电极，电解质，膈膜，外壳体。正负极是储能放电的主战场，所以绝大部分电池的研发都集中在正负极材料的扩展。

图三 典型锂离子电池的构造

电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料。举例来说，我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是因为正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰（NCM）约为200mAh/g。

三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族，我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。镍的含量越高，意味着电芯的比容量就越高。目前公认的下一代811电池就是高镍电池。

图四 不同元素比列对电芯比容量的影响

当然，电池负极材料也有很大提升空间。目前，用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式，已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model3就采用了硅碳负极。硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g，远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g，因此成为石墨负极的有力替代者。

图五 电池负极的发展路线

不过这种提升也是有天花板的，想要有突破性进展，还得在电池结构上另辟蹊径。

基于上述思想，固态电池逐渐进入科学家视野。固态电池的原理与传统的液态锂电池相同，只不过其电解质为固态，具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升电池容量。因此，同样的电量，固态电池体积将变得更小。不仅如此，固态电池中由于没有电解液，封存将会变得更加容易，在汽车等大型设备上使用时，也不需要再额外增加冷却管、电子控件等，不仅节约了成本，还能有效减轻重量。

图六 固体电池的结构模拟图

不仅如此，全固态锂电池也具有极高的安全性，其固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液，同时也克服了锂枝晶现象，搭载全固态锂电池的汽车的自燃概率会大大降低。

固态锂电池当前能量密度约400Wh/Kg，预估最大潜力值达900Wh/Kg，有超过100%的提升空间。固态锂电池正是大众期待的变革性产品。不过，全固态电池大规模商业化估计在2025-2030年（再往后）才会真正实现，还需要业界持续的努力。

基本上可以这样预测，锂电池未来发展之路将经过以下阶段：2020年前采用高镍正极+准固态电解质+硅碳负极实现300Wh/Kg，2025年前采用富锂正极+全固态电解质+硅碳/锂金属负极电池实现400Wh/Kg，2030年前燃料/锂硫/空气电池实现500Wh/Kg。

图七 德国一家公司展示的固态电池样品

最后，必须要指出的是，电池的能量密度并不是越高越好，电池是一个综合性产品，提高能量密度同时也会提升电池安全风险，必须综合考虑。对于新能源汽车来说，续航也不会无限制的提升，随着充电桩密集程度的提升，未来的主流续航里程将缩短到300公里左右。