纯电动汽车续航里程短板靠啥补齐？三元，铁锂，还是另辟蹊径？

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近日，特斯拉因芯片减配又上了热搜，但其CEO的话也不无道理：反正消费者也没有买与芯片搭配的功能，还这么叫真儿干嘛！其实，即使买全了功能，芯片也达标，你也未必敢在高速上大撒把。

不过，对纯电动汽车来说，有一件事伤了消费者可是实锤，那就是续航里程。刚刚过去寒冷的冬季，北京的85路纯电动公交车因回程时电池电量不足，无法供暖的情形仍记忆犹新；新能源乘用车电池衰竭快，续航里程缩水严重，标注的充满电续航里程360公里却只跑了290公里的抱怨曾不绝于耳。炎热的夏天又已为期不远，使用空调和暖风一样也是影响续航里程的一大原因。 

纯电动汽车最怕冬天堵车

无论是目前在售电动车电池采用的三元聚合物锂电池（Li（NiCoMn）），还是磷酸铁锂电池（LFP）技术，在低温环境下都会出现性能可见的衰减。这主要是电池活性下降导致充放电性能打折所致。

  磷酸铁锂成马儿回头草

3月初，一则中国电动车制造商纷纷转向磷酸铁锂电池的新闻跃然网上，当然还有下半句“以大幅降低成本”，我理解这才是本意，后面的“同时满足大城市中短途驾驶需求”，莫不是虚晃一枪？

据中国电动汽车产业技术创新战略联盟的数据，2019年我国动力电池装车量为62.2GWh，同比增长9.2%。全年动力电池累计销量为75.6GWh，其中三元锂电池累计销量53GWh，占总销量的70%；磷酸铁锂电池累计销量为20.6GWh，占总销量27.2%。目前市场上80%以上的磷酸铁锂电池都用在客车和商用车上，因为有地方放。

三元锂电池和磷酸铁锂电池累计销量

去年年中，中国政府开始减少旨在鼓励续航里程更长、电池能量密度更高的新能源汽车（使用三元锂电池）补贴，“人造三元风”告一段落；有因为三元锂电池汽车燃烧事故频发不断，市场重燃对磷酸铁锂电池的兴趣。 

碰撞起火后的三元锂电池

此前，政府的大额补贴，的确刺激了更昂贵、续航里程更长的三元锂电池的使用。由于材料含镍和钴等稀有金属，成本很高，当然其能量密度更高，这对决定电动汽车一次充电能行驶多远至关重要，有助于化解车主的“抛锚焦虑”。

早在2018年，因为纯电动汽车自燃事故频发，中国工程院院士杨裕生就呼吁叫停三元锂电池，结果是叫而不停。作为电动汽车的动力来源，车厂更看中电池性能的好坏，特别是电池决定的续驶里程的长短，而安全和可靠性似乎倒在其次。

中国工程院杨裕生院士曾呼吁叫停三元锂电池

这次旧事重提事出有因，源于中国的电动汽车行业正遭遇大规模销量下滑的空前寒冬，新型冠状病毒疫情更是雪上加霜，短时间内难以复苏。此时此刻，启用成本更低的磷酸铁锂电池也就不足为奇了。

数据表明，磷酸铁锂电池比三元锂电池便宜20%左右，且化学元素更便宜，合成简单，使用的材料成本也低，而使用镍、锰、铝和钴等类型的电池较为复杂，金属价格波动较大。这是磷酸铁锂电池成为马儿回头草的重要理由，同时它在中国这个全球最大新能源汽车市场的复苏表明，各国政府和全球汽车制造商实现汽车电气化的道路是曲折的，作为决定纯电动汽车未来的动力电池技术的发展还有很长的路要走。

  特斯拉也要入乡随俗？

在中国市场混，哪有不计成本的？特斯拉采购宁德时代的磷酸铁锂电池应该是一个大概率事件。据报道，特斯拉将从宁德时代采购的无钴电池并不是所谓的新型电池，而是“合适和有竞争力的解决方案”，用以替代国产特斯拉此前采用的韩国LG的三元锂电池。不过，在工信部网站日前发布的2020年第三批《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中，特斯拉有望国产的Model3长续航版本赫然在列。该版本续航里程达668公里，比此前进口版还多4公里，当然用的是三元锂电池。这反证了增加车辆的续航里程仍是车厂的竞争力，也是消费者的重要诉求。有业内人士认为，对于北京、上海等大城市的人来说，电动车150公里的续航里程就足够了，消费者怎么看？

但令人瞠目的是，在磷酸铁锂电池技术方面深耕多年的中国汽车和动力电池生产商比亚迪旗下的车型都在大规模使用三元锂电池，为什么此前没有使用自己的强项电池产品呢？还是因为续航能力！这几年，续航能力已成为一种竞争力。即使是比亚迪，为了让自己的纯电动汽车拥有更高的续航能力，也不得不“舍近求远”。当然，比亚迪最近也表示，其最新款无钴电池将使用在一款全新汉SUV上，据说每充电一次可行驶600多公里，与镍钴电池的续航里程差不多。这款电池还没有成本优势尚不得而知。

正所谓时势造英雄，虽然磷酸铁锂电池的单位储存电量能力仍不能和三元锂电池相比，但成本低加上更安全（电池组刺穿也不易发生电池短路和火灾）的优势让这碗“冷饭”得以重炒。难怪特斯拉也低下了高贵的头，续航能力不提也罢。

目前，磷酸铁锂电池能量密度的最高上线为200WH/kg，而三元锂电池能量密度提升空间更大，最高可达350WH/kg。对于乘用车来说，续航里程越长，对动力电池的能量密度要求就越高，这意味着如果安装达到长续航里程的磷酸铁锂电池，就需要车辆有足够的空间。电池既大又重，又等于削减了续航里程，而三元锂电池的最大优势恰恰是里程和能量密度。

尽管市场对磷酸铁锂电池兴趣重燃，但可能不会长久。如果像摩根士丹利分析的那样：磷酸铁锂电池中期需求将会上升，但随着镍钴电池变得更加先进，预计未来3年成本将下降20%，赢家还是三元锂电池。究竟重启磷酸铁锂电池是车厂无奈之举，还是市场的成功拐点，仍需时间来检验。尽管杨裕生院士认为，既安全又节能减排的车才有前途，并提出长里程纯电动车不节能减排。追求长历程纯电动就要多装电池，浪费能源，增加排放，加大废电池处置量。因为在电网的电能主要来自于燃煤的情况下，长历程纯电动车耗电高不能够减少排放。其实，杨裕生院士并不是反对长里程，通过提升电池性能，减少电池数量，从而延长续航里程的做法何乐而不为。

  探索正极材料是关键

国内现在普遍选择磷酸铁锂作为动力型锂电池的正极材料，将其作为动力型锂电池的发展方向。但是，磷酸铁锂也存在不容忽视的根本性缺陷，包括：烧结过程中，磷酸铁锂的氧化铁在高温还原性气氛下可能被还原成单质铁，会引起电池的微短路；振实密度与压实密度很低，导致锂电池的能量密度较低，低温性能较差；材料制备与电池制造成本较高，电池成品率低，产品一致性差。这些都是磷酸铁锂作为动力型锂电池的正极材料获得广泛应用的局限性。

最近，韩国科学技术研究院储能研究中心（KIST）的Hun-Gi Jung博士和他的研究团队开发出一种硅正极材料，可以将电池容量相比石墨正极材料提高四倍。当应用于电动汽车电池时，这种新材料的续航里程预计将增加一倍以上。

硅、红薯淀粉、水和玉米油组合的正极材料

Jung博士表示，目前安装在量产电动汽车上的电池使用石墨正极材料，但其低容量导致电动汽车的续航里程比燃油车短。因此，比石墨大10倍储能能力的下一代正极材料硅在发展远程电动汽车方面引起了人们的关注。然而，由于硅材料在充放电过程中体积迅速膨胀，存储容量会显著下降，限制了硅材料的商业化。人们提出了许多提高硅作为正极材料稳定性的方法，但这些方法的成本和复杂性使硅无法取代石墨。

为了增强硅的稳定性，Jung博士和他的团队使用日常生活中常见的材料，如水、油和淀粉，将淀粉和硅分别溶解在水和玉米油中，然后将它们混合并加热制备碳硅复合材料。采用一种简单的油炸食品的热处理工艺，使碳和硅固定牢固，防止硅正极材料在充放电循环中膨胀。

该研究小组开发的复合材料的容量是石墨正极材料（360mAh/g-1530mAh/g）的四倍，且在500次充电后仍保持稳定。研究还发现，这种材料能让电池在5分钟内充电到80%以上的容量。碳球可阻止硅通常的体积膨胀，从而提高了硅材料的稳定性。此外，高导电碳的使用和硅结构的重新排列有助于实现高产量。 

复合材料的循环次数与库仑效率、比容量的关系

Jung博士解释说，石墨是目前商业上用于锂离子电池的正极材料，硅作为石墨的替代材料具有巨大的潜力，因为它具有优异的容量和合理的工作电位。他提出的是一种低成本、可扩展的制备高能锂离子电池用高性能硅碳（Si-C）杂化复合阳极的方法。采用可伸缩微乳液法，以廉价淀粉为原料，通过选择硅纳米粒子在C3H6气氛下进行热处理，制备硅碳复合材料。这就产生了一种独特的纳米/微结构硅碳杂化复合材料，它由嵌入在由玉米淀粉制成的微米级无定形碳球中的硅纳米颗粒组成，该无定形碳球由薄石墨碳层包裹。这种双碳基体紧密地包裹着硅纳米颗粒，在多次锂化-脱锂过程中，硅纳米颗粒提供了高导电性，并显著降低了材料的绝对应力/应变。硅碳混合复合阳极具有1800mAh/g的高容量，在500次循环中可保持80%的容量，并具有12分钟的快速充放电能力，与商用锂阴极组装的硅碳复合阳极在实际锂离子电池中具有良好的可接受性。

500次循环后硅纳米粒子的扫描电镜图像

Jung博士说：“我们能够使用普通的日常材料，经过简单的混合和热处理过程，无需反应堆开发出碳硅复合材料。”他接着说：“我们采用的简单工艺和我们开发的具有优异性能的复合材料极有可能商业化和批量生产。该复合材料可应用于电动汽车和储能系统（ESS）的锂电池。”

据悉，这一重大科学技术研究项目是在韩国科学和信息和通信技术部支持下进行的，也是一个应对气候变化的发展项目。

其实，行业对动力电池正极材料探索的脚步一直没有停歇过，近几年发布的关于锂电池阳极的研究成果就不少：新一代阳极锂离子电池的改进（2016）；由硅纳米颗粒制成的全固态锂电池的高性能阳极（2019）；提高锂离子电池容量的新型阳极材料（2016）；研究人员用硅阳极和保护阴极的氧化铝涂层对电池进行测试（2020）；自愈技术提高含硅电池阳极的充电性能（2017）……看来，研发动力电池正极材料是提升电池性能的当务之急。

最新物理学研究新闻网站phys.org显示的正极材料相关研究成果

动力电池行业，包括新能源车企无不在期待这样的研究成果能够尽快实现商用，让电池容量提升，补齐续航里程的短板。退一步讲，果真不需要那么长的续航里程，不是还可以减少电池重量，让车更轻，还是跑得更远吗？另外，电池效率高了，动力系统的设计也会变得更加容易，何乐而不为？！

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