八因素浅析动力电池

  在特斯拉公司去年大肆宣传的电池日活动上，首席执行官埃隆·马斯克为自己设定了一个雄心勃勃的目标：到2023年生产一辆价值25000美元的电动汽车，比该公司目前最便宜的车型便宜约15000美元，这一目标被视为是真正成为大众市场产品的关键，而且实现这一目标意味着要在不降低安全性的前提下，在技术上找到新的节约手段——核心关键是：电池只占整车成本的三分之一。除了马斯克，包括丰田汽车公司和大众汽车公司在内的传统汽车制造巨头也正在向这场竞赛中投入数百亿美元。

  要回答这样的一个问题，我们主要分析电池里有什么。电动汽车使用与笔记本电脑或手机中相同的可充电锂离子电池，只是它们大得多，通过将电池组合成类似于大行李箱的电池组，使它们可提供更多的能量。而每个电池单元中最昂贵的部件是阴极，它是储存和释放电能的两个电极之一。阴极中用于储存更多能量的材料通常很昂贵，如：钴、镍、锂和锰等金属。它们需要被开采、加工并转化为高纯度化合物。

  按照目前的费率和电池组尺寸，典型电动汽车的平均电池成本约为6300美元（折合人民币约40700元）。根据美国媒体彭博社NEF的数据，电池组的价格已经下降了很多，在过去的十年里已经下降了89%。但每千瓦时137美元的行业平均价格（2010年约为1191美元）仍高于对应内燃机汽车每单位100美元的门槛，预计这个差距不会快速拉近，尽管内燃机汽车原材料价格持续上涨也不会起到很大帮助作用。尽管如此，根据彭博社NEF的预测，到2024年，锂离子电池组有望降至92美元/千瓦时，到2030年将降至58美元/千瓦时。

  昂贵的材料是对于制造商最主要关注点，尤其是钴。一种选择是用镍代替金属，因为镍更便宜，而且能储存更多的能量，然而，这样做有必要进行安全调整，因为钴的优点是不会过热或容易着火。而另一个举措则是使用完全不含钴的替代品，如低成本的磷酸铁锂电池（该电池曾因性能较差而受到嘲笑），但随着设计的改进而获得重新的青睐。新的简化电池组设计的具体方案，为一系列车辆使用标准化产品，而不是为每种车型定制电池组，也将带来额外的节约。

  现在常用的锂离子电池，无论是用于商业储能设备，汽车还是智能手机等设备，如果生产的全部过程出现质量缺陷，在事故中损坏或运行其软件设计不当，都有几率存在起火风险。尽管事故发生率不高，但这在全球处于发展中的电动汽车产业仍是一个巨大的挑战与公众质疑。从特斯拉多出自燃闹剧，再到蔚来近期最新ES8起火事件，这正正凸显了问题的严重性。但是特斯拉坚称，这是与电池组设计模型缺陷的事故是被故意过度关注。因为据外媒报告数据显示，从2012年到2020年，特斯拉每行驶2.05亿英里（3.3亿公里）就会发生一次火灾，而传统内燃机汽车每行驶1900万英里（3058万公里）就会发生一次火灾。

  亚洲主导着锂离子电池的制造地位，占现有全球产能的80%以上。我国的动力电池头部制造企业--宁德时代（CATL）在2020年的出货量最高，占据了近四分之一的市场占有率。截至今年9月，该公司已将一马当先的优势扩大至30%，其次是韩国LG Energy Solution和日本松下公司。特斯拉和松下的合资企业是美国最大的电池生产商。而新兴的生产商包括瑞典的Northvolt AB（由前特斯拉高管创建）和国轩高科。

  从组成部分看都一样：两个电极--一个阴极和一个正极，以及一个负责传递电荷的电解质。但是从使用的材料看却有极大不同，这是电池所能容纳能量多少的关键。一般商用存储系统或短距离行驶的车辆能够正常的使用更便宜、功能更弱的阴极化学物质（结合了锂、铁和磷酸盐）。但对于更高性能的汽车，汽车制造商更青睐能量密集型材料，如锂镍锰钴氧化物或锂镍钴铝氧化物。进一步寻求改进提高续航能力（车辆在单次充电可以行驶更远）以及充电速度。

  这是一个肯定的答案，而且几乎涵盖各方面。在将锂、钴和其他原材料转化为电池原料的化学精炼过程中，约80%由我国负责，尽管金属本身主要在澳大利亚、刚果民主共和国和智利开采。彭博社NEF的多个方面数据显示，我国在四个关键电池组件（阴极、阳极、电解液和隔膜）的加工能力方面也占据主导地位，每一个组件的生产能力都占世界总产能的一半以上。

  最令人热切期待的便是固态电池的出现，它通过用陶瓷、玻璃或聚合物取代易燃液体来实现性能的巨大提升。由微软创办人比尔.盖茨投资的QuantumScape Corp.表示，该公司在该领域已有创新突破，可将汽车的续航能力提高50%，该技术最快可在2026年实现应用。除此以外，另一个行业焦点是使用石墨制造，以添加更多的硅，或使用锂金属修改电池阳极。这一改进甚至有可能使小型载人飞机的动力变得更强。而在我国，宁德时代和其他公司也在制定计划，以替代锂，或将其与价格实惠公道得多的钠离子技术相结合，用于某些特定的应用领域。

  在全球气候日益严峻，和各国以及各大汽车制造品牌的新能源发展规划大背景中。可再生，高效能，广泛应已成为电池诞生200多年来的一个新使命。