來電進化論　電動汽車電池技術變遷與未來

許鴻德

01.全電力驅動車輛的生產成本分析中，電池占整車成本40%～50%，電池可說是電動車最關鍵的零組件，很大程度上決定電動車的性能高低！

02.車用動力電池經歷了鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等多種類型的發展和探索之后，鋰離子動力電池由于能量密度高、大功率充放電能力強、對環境無污染等優點，已逐漸成為電動汽車動力電池的首選。

電池的巨大商機

以往我們會說，一輛車的心臟是發動機，但對于電動車來說，它的心臟則是包括兩部份——馬達與電池！

不可否認，2018年堪稱中國車市“充滿挑戰”的一年：中國車市在保持28年持續增長之后首次面臨下行。然而在中國車市哀鴻遍野的狀況下，新能源車市場卻逆風上行，由于參與廠商的高度熱情與政策法規的鼓勵，中國目前不但是全球最大電動車單一市場，其規模更遠遠領先其他國家！

而對于電動車不可或缺的能量來源——電池來說呢？拿我們日常生活中常用到的筆記本電腦或手機舉例，一輛電動車需搭載可供1000～2000臺筆記本電腦使用的鋰電池，這意味著只要100萬輛電動汽車需求，就能達到目前全球筆記本電腦對鋰電池的需求量。目前中國境內的乘用電動車平均電池容量為35kWh，意味著每年這部分的電池需求將近27 GWh（gigawatts：十億瓦），已超過中國一年售出所有新手機的電池需求量，其市場規模的巨大可見一般。

如今的“鋰”由

打從公元1800年意大利科學家亞歷山德拉·伏特（Alessandro Volta）發明“伏特電堆（Voltaic piles）”至今，人類使用電池的歷史已超過200年，甚至你不知道的是，電動車的發展歷史也遠早于內燃式汽油發動機車輛（美國人Thomas Davenport在1834年就制造出第一輛直流電機驅動的電動車）。但電動車的發展之所以遠遠落后于內燃式發動機車輛，主因仍在于輸出功率及制造成本在內的性能指標沒有競爭力。而車用動力電池經歷了鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等多種類型發展和探索之后，目前鋰離子動力電池由于能量密度高、大功率充放電能力強、對環境無污染等優點，已逐漸成為電動汽車動力電池的首選。

鋰離子電池（Lithium-ion battery）其實泛指所有依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作的充電電池，此種電池使用不同鋰化合物作為正極材料，主要常見的有：鋰鈷氧化物（LiCoO₂）、錳酸鋰（LiMn2O₄）、鎳酸鋰（LiNiO₂）及磷酸鋰鐵（LiFePO₄）等，經過近30年的發展，目前國際主流鋰電池類型為三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池正極材料的價格與原料金屬的價格行情一致，其中以鈷（Co）最為稀缺，鎳（Ni）、錳（Mn）較為便宜，但其價格也大幅制約電動車降低成本以達到普及化的可能性。一度以磷酸鐵鋰（LiFePO₄）材料作電池正極的鋰離子電池被看好最適合電動車使用，原因在于鐵砂的價格大大低于其他稀有金屬。

三元鋰與磷酸鐵鋰大戰

三元鋰電池材料中鎳、鈷、錳的組合由安全性尚可的3：3：3（鎳、鈷、錳三種金屬的用量比例），一步一步地邁向5：2：3、6：2：2、8：1：1比例，隨著鎳金屬用量的增加，在儲電容量提高的同時，電池的熱失控溫度和安全性卻也逐步下降，使用熱失控溫度越低的正極材料，電池的安全性越差。目前Tesla使用的三元鋰離子電池其熱失控溫度已不足200℃，若非聰明可靠的溫控管理系統，實在危險！

反觀磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固、難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質，因此擁有良好的安全性。此外，磷酸鐵鋰電池壽命是普通鋰電池的4～5倍，還有高于鋰電池8～10倍的高放電功率（可瞬間產生大電流），加上同樣能量密度下的整體重量較鋰電池減少30～50%等特性，讓它被視為最合適需要大扭力之電動車輛所使用的二次電池技術。

但磷酸鐵鋰電池在車用領域卻面臨最大瓶頸：其重量與容量（密度）比落后三元鋰電池30%（意味著相同儲電容量下，磷酸鐵鋰電池的重量增加30%），該劣勢在固定不動的場景（家用儲能等）問題不大，但卻對電動車性能有絕對影響力：電動車的設計在本質上已經與殲15等航母艦載戰斗機有著許多共同點，電池容量小則限制續航力，但電池增加也加大車身體積及重量，這一方面又需要更多的能量和更強勁的電機來驅動車體，反而降低了電動車的性能。

正因如此，從2018年開始、比亞迪旗下銷售的大多數新能源車型已由磷酸鐵鋰電池轉換為使用NCM三元鋰電池，包括e5和秦Pro EV500等純電動車型。

但沒辦法，重量、電容量、安全性……這些訴求就是如此矛盾的存在著，非僅中國車廠，海外電動車龍頭Tesla也不斷挑戰鋰電池能量密度上限（以降低整車重量）——Model 3的車載電池能量密度在業內名列前茅，且新款電池的鈷金屬用量也顯著降低。與先前車型相比，該廠特別為Model 3設計全新的電池架構（采用體積較大的21700鋰電池電芯），并與Panasonic合作在內華達州1號“超級工廠（Gigafactory）”生產該款電池，以替代單顆容量較小（普遍在2～4Ah）的18650電池芯。

01.磷酸鐵鋰電池的性能及安全性優勢明顯，但車用領域卻面臨最大瓶頸：其重量與容量（密度）比落后三元鋰電池達到30%。

02.根據高工產研咨詢有限公司（GGⅡ）的數據顯示，從2018年開始、比亞迪旗下銷售的大多數ePV車型中已由磷酸鐵鋰電池轉換為NCM三元鋰電池。

03.許多電池業者都積極提升鋰電池的能量密度上限，不過對性能的堅持也導致模塊設計的復雜性及電池生產速度無法提升。

04.包括寧德時代（CATL）、比亞迪等廠商的電池裝機量與Panasonic、三星SDI及LG化學等世界巨頭相比已經不遑多讓、更有大幅趕超的趨勢。

05.近幾年新能源汽車的快速發展極大地帶動了中國鋰電池材料產業的發展，目前中國是全球擁有鋰電池生產企業最多的國家。

06.目前中國境內乘用電動車所使用的電池平均每個電池容量為35kWh，意味著每年電池需求將近27 GWh（gigawatts：十億瓦），已超過中國一年售出所有新手機的電池需求量，未來電池的回收再利用也成為重要課題。

21700電池（直徑21mm，長度70mm）的尺寸比18650電池（直徑18mm，長度65mm）更大，若僅考慮電池芯單體的密集堆積進行測算，采用30個21700電池芯的模塊體積是采用40個18650電池芯的模塊體積1.1倍，但重量卻僅為后者0.97。在同等能量下，21700電池芯模塊所需電池芯數量可減少約1/3，而電池模塊內的金屬連接件數量減少還可進一步降1氐電池模塊重量。一些Model 3車主測試過車內電芯后，宣稱其單個電芯容量達到6Ah、整車電池模塊的能量密度達到接近300 Wh/kg，這個數據超越同業平均達20%～30%。不過對性能的堅持也導致電池生產速度無法提升、成本無法降低，一些電池模塊甚至必須通過手工才能完成！

不同電池能對比表

中國電池產業的優勢與劣勢

近幾年新能源汽車的快速發展，帶動了中國鋰電池材料產業的發展，2017年中國境內的電池生產企業已超過200家，是全球擁有鋰電池生產企業最多的國家。造成這般榮景的主要原因除了市場之外，還在于鋰元素來源的稀土，中國年產量占世界稀土產量的90%以上，出口總量占全球80%，未來我國鋰電池產業將不會受制于人。

而目前全球動力電池前十大企業當中，中國占了7家。在出貨量方面，中國動力電池企業更是雄踞榜首，第一、第三、第四、第六名均是中國企業，分別是寧德時代、比亞迪、沃特瑪和國軒高科。面對未來快速的需求成長，它們莫不積極擴充產能，電池裝機量與Panasonic、三星SDI及LG化學等世界巨頭相比已經不遑多讓，更有大幅趕超的趨勢。

毋庸諱言，在鋰電池材料生產這一環節中，無論是上游的礦產資源，還是各種電池材料，中國均有競爭優勢，且部分產品已經處于世界領先地位。但目前在部分高端產品，尤其是事關電池安全性的核心材料和制造工藝上仍有較大差距。希望透過今年新能源車補貼政策的調整，間接促使中國電池產業也進入到質變階段！