焉知汽車見聞

近日，特斯拉因芯片減配又上了熱搜，但其CEO的話也不無道理：反正消費者也沒有買與芯片搭配的功能，還這麼叫真兒幹嘛！其實，即使買全了功能，芯片也達標，你也未必敢在高速上大撒把。

不過，對純電動汽車來說，有一件事傷了消費者可是實錘，那就是續航里程。剛剛過去寒冷的冬季，北京的85路純電動公交車因回程時電池電量不足，無法供暖的情形仍記憶猶新；新能源乘用車電池衰竭快，續航里程縮水嚴重，標註的充滿電續航里程360公里卻只跑了290公里的抱怨曾不絕於耳。炎熱的夏天又已為期不遠，使用空調和暖風一樣也是影響續航里程的一大原因。

純電動汽車最怕冬天堵車

無論是目前在售電動車電池採用的三元聚合物鋰電池（Li（NiCoMn）），還是磷酸鐵鋰電池（LFP）技術，在低溫環境下都會出現性能可見的衰減。這主要是電池活性下降導致充放電性能打折所致。

磷酸鐵鋰成馬兒回頭草

3月初，一則中國電動車製造商紛紛轉向磷酸鐵鋰電池的新聞躍然網上，當然還有下半句“以大幅降低成本”，我理解這才是本意，後面的“同時滿足大城市中短途駕駛需求”，莫不是虛晃一槍？

據中國電動汽車產業技術創新戰略聯盟的數據，2019年我國動力電池裝車量為62.2GWh，同比增長9.2%。全年動力電池累計銷量為75.6GWh，其中三元鋰電池累計銷量53GWh，佔總銷量的70%；磷酸鐵鋰電池累計銷量為20.6GWh，佔總銷量27.2%。目前市場上80%以上的磷酸鐵鋰電池都用在客車和商用車上，因為有地方放。

三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池累計銷量

去年年中，中國政府開始減少旨在鼓勵續航里程更長、電池能量密度更高的新能源汽車（使用三元鋰電池）補貼，“人造三元風”告一段落；有因為三元鋰電池汽車燃燒事故頻發不斷，市場重燃對磷酸鐵鋰電池的興趣。

碰撞起火後的三元鋰電池

此前，政府的大額補貼，的確刺激了更昂貴、續航里程更長的三元鋰電池的使用。由於材料含鎳和鈷等稀有金屬，成本很高，當然其能量密度更高，這對決定電動汽車一次充電能行駛多遠至關重要，有助於化解車主的“拋錨焦慮”。

早在2018年，因為純電動汽車自燃事故頻發，中國工程院院士楊裕生就呼籲叫停三元鋰電池，結果是叫而不停。作為電動汽車的動力來源，車廠更看中電池性能的好壞，特別是電池決定的續駛里程的長短，而安全和可靠性似乎倒在其次。

中國工程院楊裕生院士曾呼籲叫停三元鋰電池

這次舊事重提事出有因，源於中國的電動汽車行業正遭遇大規模銷量下滑的空前寒冬，新型冠狀病毒疫情更是雪上加霜，短時間內難以復甦。此時此刻，啟用成本更低的磷酸鐵鋰電池也就不足為奇了。

數據表明，磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池便宜20%左右，且化學元素更便宜，合成簡單，使用的材料成本也低，而使用鎳、錳、鋁和鈷等類型的電池較為複雜，金屬價格波動較大。這是磷酸鐵鋰電池成為馬兒回頭草的重要理由，同時它在中國這個全球最大新能源汽車市場的復甦表明，各國政府和全球汽車製造商實現汽車電氣化的道路是曲折的，作為決定純電動汽車未來的動力電池技術的發展還有很長的路要走。

特斯拉也要入鄉隨俗？

在中國市場混，哪有不計成本的？特斯拉採購寧德時代的磷酸鐵鋰電池應該是一個大概率事件。據報道，特斯拉將從寧德時代採購的無鈷電池並不是所謂的新型電池，而是“合適和有競爭力的解決方案”，用以替代國產特斯拉此前採用的韓國LG的三元鋰電池

但令人瞠目的是，在磷酸鐵鋰電池技術方面深耕多年的中國汽車和動力電池生產商比亞迪旗下的車型都在大規模使用三元鋰電池，為什麼此前沒有使用自己的強項電池產品呢？還是因為續航能力！這幾年，續航能力已成為一種競爭力。即使是比亞迪，為了讓自己的純電動汽車擁有更高的續航能力，也不得不“捨近求遠”。當然，比亞迪最近也表示，其最新款無鈷電池將使用在一款全新漢SUV上，據說每充電一次可行駛600多公里，與鎳鈷電池的續航里程差不多。這款電池還沒有成本優勢尚不得而知。

正所謂時勢造英雄，雖然磷酸鐵鋰電池的單位儲存電量能力仍不能和三元鋰電池相比，但成本低加上更安全（電池組刺穿也不易發生電池短路和火災）的優勢讓這碗“冷飯”得以重炒。難怪特斯拉也低下了高貴的頭，續航能力不提也罷。

目前，磷酸鐵鋰電池能量密度的最高上線為200WH/kg，而三元鋰電池能量密度提升空間更大，最高可達350WH/kg。對於乘用車來說，續航里程越長，對動力電池的能量密度要求就越高，這意味著如果安裝達到長續航里程的磷酸鐵鋰電池，就需要車輛有足夠的空間。電池既大又重，又等於削減了續航里程，而三元鋰電池的最大優勢恰恰是里程和能量密度。

儘管市場對磷酸鐵鋰電池興趣重燃，但可能不會長久。如果像摩根士丹利分析的那樣：磷酸鐵鋰電池中期需求將會上升，但隨著鎳鈷電池變得更加先進，預計未來3年成本將下降20%，贏家還是三元鋰電池。究竟重啟磷酸鐵鋰電池是車廠無奈之舉，還是市場的成功拐點，仍需時間來檢驗。

儘管楊裕生院士認為，既安全又節能減排的車才有前途，並提出長里程純電動車不節能減排。追求長曆程純電動就要多裝電池，浪費能源，增加排放，加大廢電池處置量。因為在電網的電能主要來自於燃煤的情況下，長曆程純電動車耗電高不能夠減少排放。其實，楊裕生院士並不是反對長里程，通過提升電池性能，減少電池數量，從而延長續航里程的做法何樂而不為。

探索正極材料是關鍵

國內現在普遍選擇磷酸鐵鋰作為動力型鋰電池的正極材料，將其作為動力型鋰電池的發展方向。但是，磷酸鐵鋰也存在不容忽視的根本性缺陷，包括：燒結過程中，磷酸鐵鋰的氧化鐵在高溫還原性氣氛下可能被還原成單質鐵，會引起電池的微短路；振實密度與壓實密度很低，導致鋰電池的能量密度較低，低溫性能較差；材料製備與電池製造成本較高，電池成品率低，產品一致性差。這些都是磷酸鐵鋰作為動力型鋰電池的正極材料獲得廣泛應用的侷限性。

最近，韓國科學技術研究院儲能研究中心（KIST）的Hun-Gi Jung博士和他的研究團隊開發出一種硅正極材料，可以將電池容量相比石墨正極材料提高四倍。當應用於電動汽車電池時，這種新材料的續航里程預計將增加一倍以上。

硅、紅薯澱粉、水和玉米油組合的正極材料

Jung博士表示，目前安裝在量產電動汽車上的電池使用石墨正極材料，但其低容量導致電動汽車的續航里程比燃油車短。因此，比石墨大10倍儲能能力的下一代正極材料硅在發展遠程電動汽車方面引起了人們的關注。然而，由於硅材料在充放電過程中體積迅速膨脹，存儲容量會顯著下降，限制了硅材料的商業化。人們提出了許多提高硅作為正極材料穩定性的方法，但這些方法的成本和複雜性使硅無法取代石墨。

為了增強硅的穩定性，Jung博士和他的團隊使用日常生活中常見的材料，如水、油和澱粉，將澱粉和硅分別溶解在水和玉米油中，然後將它們混合並加熱製備碳硅複合材料。採用一種簡單的油炸食品的熱處理工藝，使碳和硅固定牢固，防止硅正極材料在充放電循環中膨脹。

該研究小組開發的複合材料的容量是石墨正極材料（360mAh/g-1530mAh/g）的四倍，且在500次充電後仍保持穩定。研究還發現，這種材料能讓電池在5分鐘內充電到80%以上的容量。碳球可阻止硅通常的體積膨脹，從而提高了硅材料的穩定性。此外，高導電碳的使用和硅結構的重新排列有助於實現高產量。

複合材料的循環次數與庫侖效率、比容量的關係

Jung博士解釋說，石墨是目前商業上用於鋰離子電池的正極材料，硅作為石墨的替代材料具有巨大的潛力，因為它具有優異的容量和合理的工作電位。他提出的是一種低成本、可擴展的製備高能鋰離子電池用高性能硅碳（Si-C）雜化複合陽極的方法。採用可伸縮微乳液法，以廉價澱粉為原料，通過選擇硅納米粒子在C3H6氣氛下進行熱處理，製備硅碳複合材料。這就產生了一種獨特的納米/微結構硅碳雜化複合材料，它由嵌入在由玉米澱粉製成的微米級無定形碳球中的硅納米顆粒組成，該無定形碳球由薄石墨碳層包裹。這種雙碳基體緊密地包裹著硅納米顆粒，在多次鋰化-脫鋰過程中，硅納米顆粒提供了高導電性，並顯著降低了材料的絕對應力/應變。硅碳混合複合陽極具有1800mAh/g的高容量，在500次循環中可保持80%的容量，並具有12分鐘的快速充放電能力，與商用鋰陰極組裝的硅碳複合陽極在實際鋰離子電池中具有良好的可接受性。

500次循環後硅納米粒子的掃描電鏡圖像

Jung博士說：“我們能夠使用普通的日常材料，經過簡單的混合和熱處理過程，無需反應堆開發出碳硅複合材料。”他接著說：“我們採用的簡單工藝和我們開發的具有優異性能的複合材料極有可能商業化和批量生產。該複合材料可應用於電動汽車和儲能系統（ESS）的鋰電池。”

據悉，這一重大科學技術研究項目是在韓國科學和信息和通信技術部支持下進行的，也是一個應對氣候變化的發展項目。

其實，行業對動力電池正極材料探索的腳步一直沒有停歇過，近幾年發佈的關於鋰電池陽極的研究成果就不少：新一代陽極鋰離子電池的改進（2016）；由硅納米顆粒製成的全固態鋰電池的高性能陽極（2019）；提高鋰離子電池容量的新型陽極材料（2016）；研究人員用硅陽極和保護陰極的氧化鋁塗層對電池進行測試（2020）；自愈技術提高含硅電池陽極的充電性能（2017）……看來，研發動力電池正極材料是提升電池性能的當務之急。

最新物理學研究新聞網站phys.org顯示的正極材料相關研究成果

動力電池行業，包括新能源車企無不在期待這樣的研究成果能夠儘快實現商用，讓電池容量提升，補齊續航里程的短板。退一步講，果真不需要那麼長的續航里程，不是還可以減少電池重量，讓車更輕，還是跑得更遠嗎？另外，電池效率高了，動力系統的設計也會變得更加容易，何樂而不為？！

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