比亞迪刀片電池的推出意味著什么？

天下苦電池創新久矣。

在混合動力汽車和純電動車的歷史中，磷酸鐵鋰離子電池一度被廠商認為是最靠譜的選擇。但今朝的家用新能源汽車當中，這個名詞幾乎無人再提及。原由是另一種技術路線逐漸占據上風，即人們今朝聽到最多的三元鋰離子電池。

「行業對三元鋰離子電池過于依靠，導致消費者對新能源汽車的安全打了個一問號。」比亞迪董事長兼總裁王傳福說道。

這一次，比亞迪針對車載動力電池范疇的痛點，推出了「刀片電池」，在電池創新的問題上向前邁進了一步。

什么是刀片電池？一般來說，電動車的電池組由多個電芯組成的模組構成。如特斯拉使用的電芯，就是一個個圓柱型的18650電池。為了讓電芯模組在車內保持穩定，需要用螺栓、橫梁、縱梁等加以固定。刀片電池的不同之處在于，它省去了模組這一步驟，筆直將電芯用陣列方式裝進電池組內，進而提升了內部空間利用率。

刀片電池結構圖|比亞迪

比結構更創新的點在于，刀片電池把人們的目光重新拉回到已經快被家用電動車遺忘的磷酸鐵鋰離子電池。

電池的卷土重來

在新能源乘用車范疇，三元鋰離子電池幾乎快要「一統天下」了。依據動力電池使用分會研究部統計數據顯示，2019年上半年三元鋰離子電池與磷酸鐵鋰離子電池的裝機量占比分別為71.14%和26.97%，差距比2018年同期持續張大。

2018與2019上半年新能源汽車動力電池裝機量|動力電池使用分會研究部

但這并不意味著三元鋰離子電池就能成為唯一選擇。如果把時間線拉長，你就會發現，在電池的技術路線當中，并沒有所謂的「贏家」。

電池技術在一定程度上是引領著電動車發展的。19世紀末期，電動車得到了快速發展。人們使用電動車的理由與今天別無二致：無噪音、無氣味、價格低。

19世紀末到20世紀初，汽車市場甚至形成了「三分天下」的局面：蒸汽、電動和內燃機。不過隨著內燃機發展速度最快，其余兩個最終黯然退出汽車市場。

由于大氣環境污染，和電池技術的崛起，電動車重新被人們關注。早期的電動車市場呈現的是「百家爭鳴」狀態，各類電池技術都搭載上車。

1990年，通用汽車在洛杉磯車展上首次展示了Impact電動概念汽車，行業影響巨大。隨后通用以Impact的核心技術和設計為原型開發出純電動轎車EV1，被視為現代電動車開山之作。

通用汽車Impact電動概念汽車|Wikipedia

隨之而來的是各大汽車廠商投入大量資源開發電動車，唯一的不同點在于，車輛內部的電池都不統一。EV1內部搭載的是鉛酸蓄電池，1992年福特推出搭載鈣硫電池的Ecostar，1996年豐田使用鎳氫電池的混合動力車輛RAV4LEV，1997年豐田下線了混合動力轎車普銳斯prius（同樣搭載鎳氫電池），日產汽車也在同年推出世界上第一輛鋰電池的電動車prairieJoyEV……

商業化速度是檢驗技術發展最緊要的因素之一。自1992年索尼將鋰電池商業化之后，正好碰上電信、信息市場的發展，因為體積比能量和質量比能量最高，鋰電池在商業化進展方面成為了電動車的最佳選擇。其中，最有代表性的，就是磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池。

技術路線之爭

在鋰電池興起之后，能用作新能源汽車上的動力電池，目前也惟有三種類型可以勝任：磷酸鐵鋰離子電池、三元鋰離子電池和鈦酸鋰離子電池。其中最后一種因為普及數量太少，暫時不在討論范圍內。

磷酸鐵鋰離子電池使用磷酸鐵鋰作為正極材料，而三元鋰離子電池的正極材料使用的是鎳鈷錳酸鋰，負極材料為石墨。關于兩者分別的優缺點，這里簡單列舉幾個要點：

成本方面，磷酸鐵鋰離子電池的成本比三元鋰離子電池低很多。前者的特點是不含貴重金屬元素，因此原材料成本相對可以壓縮到很低；而三元鋰離子電池中鈷元素屬于貴重金屬元素，并且鈷的價格在快速上漲，隨著5G等新興事物興起，鈷的供需缺口會進一步張大。

能量密度方面，磷酸鐵鋰離子電池遠不如三元鋰離子電池。僅算磷酸鐵鋰離子電池的重量能量密度惟有120Wh/kg，如果計算整個電堆，包括電池管理系統、散熱等零部件的能量密度就變得更低；三元鋰離子電池的能量密度則能達到200Wh/kg。

安全性方面，磷酸鐵鋰離子電池更勝一籌。磷酸鐵鋰的化學性質穩定，高溫穩定性好，700°C-800°C才會發生分析，且在面對撞擊、針刺、短路等情況時不會萌生劇烈的燃燒，安全性能高；反觀三元鋰離子電池，250-300℃就會發生分析，遇到電池中可燃的電解液、碳材料后會發生燃燒，萌生的熱量進一步加劇正極分析，在極短的時間內就會爆燃。

近年發生的新能源車輛自燃情況，大多都是三元鋰離子電池引起的。沒有發生較大事故的原由在于車輛的電池管理系統做的相對較好，對于搭載三元鋰離子電池的車輛來說，電池管理系統和散熱系統設計都是至關緊要的。

基于安全性的考慮，搭載三元鋰離子電池的新能源客車無法進入工信部的新能源車目錄，但中國對于新能源車輛的政策同時對能量密度有嚴格規定，三元鋰離子電池還是成為了新能源乘用車的主流選擇。

使用壽命上，磷酸鐵鋰離子電池在循環使用率上比三元鋰離子電池更有優點，但磷酸鐵鋰離子電池的低溫性能較差，這是它的「致命傷」。有研究聲明，低溫條件下（氣溫低于-10℃以下），磷酸鋰離子電池經過不到100次充放電循環，電池容量將下降到初始容量的20%。三元鋰離子電池的低溫性能優異，在-30℃條件下可保持正常電池容量，在中國北方低溫地區，顯然磷酸鐵鋰無法達到使用標準。

綜上，三元鋰離子電池依賴高能量密度成功「上位」，而能量密度的筆直表現是高續航里程，可以看到，當下的幾款電動車續航里程已經沖破了700km，這正是車企和消費者們的痛點，因而三元鋰離子電池成為電動車企的主流選擇。而磷酸鐵鋰離子電池暫時偃旗息鼓，因安全性高成為了新能源客車的首選。

但當我們具體分解兩種電池的優劣，就會發現，如果磷酸鐵鋰離子電池的能量密度增加，目前三元鋰離子電池的市場恐怕會受到不小的沖擊。這也是刀片電池引起廣泛討論的緊要原由。

刀片電池能否「突圍」？

據比亞迪方面表示，刀片電池體積能量密度與主流三元鋰離子電池持平，在相同體積下所儲存的電量也相差無幾。

如文章開頭所說，刀片電池相比傳統電池組省去了模組的步驟，采用了CTp（Celltopack，無模組動力電池組）設計思路，將電芯筆直裝到電池組殼體內。這種設計能夠在保持電池組強度的前提下，省去橫梁、縱梁以及螺栓等附件，提升電池組內部空間利用率，實現電池組總容量和能量密度的提升。

據悉，比亞迪通過CTp設計把電池組殼體內部的空間利用率由傳統設計方式的40-50%提升至60-80%。電池組總容量的提升筆直導致的結果是電動車的續航分明提升。刀片電池最先搭載的比亞迪「漢」車型，續航里程達到了605km，基本達到了與搭載三元鋰離子電池車型持平的水準。

但在安全性上，刀片電池的表現要優秀很多。

比亞迪電池試驗室針對磷酸鐵鋰離子電池、刀片電池和三元鋰離子電池進行了一次針刺試驗，即利用鋼針刺穿電池極板，瞬間觸發電池內部短路，從而引發電池熱失控。

針刺試驗是業界公認在所有電池安全探測中最嚴酷、可以模擬極端情況電池內短路狀況。在大眾消費數碼產品如手機、筆記本電腦的電池上是必測項目，在新能源汽車上不被作為強制標準執行。

依據三種電池樣品針刺試驗視頻來看，NCM622（正極材料中的鎳鈷錳三種成分的比例為6:2：2）三元鋰離子電池在被針刺穿的一瞬間就發生了爆燃，相比之下，磷酸鐵鋰離子電池的安全性要略微好一點，在被針刺穿的瞬間，磷酸鐵鋰并沒有發生起火燃燒的現象，但是電池表面的溫度卻高達五六百攝氏度。

刀片電池在被刺穿的時候，并沒有異常表現，結構依舊穩定。溫度傳感器顯示，電池表面的溫度惟有60攝氏度，安全通過針刺試驗。

三種電池針刺試驗對照探測結果|比亞迪電池試驗室

電池安全的確是消費者們最關注的問題之一，刀片電池的處理方案增強了這一點，也讓磷酸鐵鋰離子電池掌握了一些話語權。另外據知道，特斯拉與寧德時代正在進行談判，在中國加工的特斯拉汽車中將使用后者加工的無鈷電池，大概率就是磷酸鐵鋰離子電池。

特斯拉CEO馬斯克在2018年6月曾稱，致力于減少鈷的用量，當時特斯拉采用電池的鈷元素用量為3%左右，在下一代車型中，將鈷元素徹底在原料清單中除掉。

磷酸鐵鋰離子電池能否超越三元鋰離子電池，再次成為車用動力電池的主流？結果還未出現前，誰也說不好。但是在電池范疇的創新，開發一款性價比高的電池，的確是所有企業當下的重點目標。

刀片電池開了一個頭，在車用動力電池創新走向瓶頸期，續航里程向上「爬升」的速度越來越慢，刀片電池回過頭來把快要被人遺忘的電池種類搬上舞臺。如果之后得到廣泛使用，也許會在動力電池的十字路口中，讓主流車企獲得另一種選擇。

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