中國儲能網(wǎng)訊：電動汽車的歷史比現(xiàn)在最常見的內(nèi)燃機車要早。直流電機之父匈牙利的發(fā)明家、工程師阿紐什·耶德利克最早于 1828 年在實驗室試驗了電磁轉(zhuǎn)動的行動裝置。美國人托馬斯·達文波特于 1834 年制造出第一輛直流電機驅(qū)動的電動汽車。1859 年法國物理學(xué)家、發(fā)明家加斯東·普朗特發(fā)明了可充電的鉛酸電池，隨著蓄電池技術(shù)的發(fā)展，電動汽車19世紀下半葉在歐美得到了較為廣泛的運用，形成了以蒸汽、電動和內(nèi)燃機三分天下的車輛市場。
由于美國德州石油的開發(fā)和內(nèi)燃機技術(shù)的提高，續(xù)航里程孱弱的鉛酸蓄電池汽車在 1920 年之后漸漸地失去了優(yōu)勢，車輛市場逐步被內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車取代，人們幾乎忘記還有電動汽車的存在。
一、初探鋰離子電池
1920 年之后電動汽車的發(fā)展完全停滯，直到 1991 年 6 月，日本索尼公司推出了第一塊商品化鋰離子電池，掀起了電池工業(yè)的第一次革命；由于單位密度容量大，而且工作中的穩(wěn)定性非常好，鋰離子電池迅速革新了消費電子產(chǎn)品的面貌，廣泛應(yīng)用于銷售市場。
此時正值鋰電池野蠻生長的時期，這種能量密度更高、擁有良好循環(huán)性能的電池促使電動汽車行業(yè)開始復(fù)蘇。加上石油資源的日益減少、大氣環(huán)境污染等問題，汽車廠商紛紛著手研究搭載鋰電池的新產(chǎn)品，人們才重新關(guān)注起電動汽車。
1996 年，日產(chǎn)成功研發(fā)世界上第一輛搭載圓柱形鋰離子電池的電動車 Prairie Joy EV。日本國立極地研究所北極觀測中心將其作為支援車，在惡劣的氣候條件下使用了 6 年之久。證明了鋰離子電池在極端條件下的可用性和耐久性。
自此，鋰離子電池汽車正式登上舞臺。
二、三元鋰的勝利
盡管 Prairie Joy EV 獲得了巨大的成功，但是日產(chǎn)依然沒有信心把它投放到消費市場，僅僅限于車隊銷售，從 1997 年起向各個實體出售了大約 30 臺。此后的時間里，汽車廠商似乎陷入了沉默，再也沒有大規(guī)模銷售的電動汽車產(chǎn)品出現(xiàn)。
與此同時，電池行業(yè)開始了高歌猛進的發(fā)展，1995 年，王傳福在深圳龍崗創(chuàng)建比亞迪實業(yè)公司，主要是開發(fā)、生產(chǎn)電動工具使用的電池。
2003 年，比亞迪已經(jīng)成長為全球第二大充電電池生產(chǎn)商，這時王傳福發(fā)現(xiàn)電池產(chǎn)業(yè)很容易做到天花板，于是決定投一個行業(yè)?！爱?dāng)時有兩個選項，一是半導(dǎo)體，二是汽車。但因為手頭只有20億，不可能兩個都投。最終選擇了汽車?！彼f。
于是王傳福一舉收購秦川汽車有限責(zé)任公司，成立了比亞迪汽車有限公司跨界汽車制造，同年，馬丁·艾伯哈德和馬克·塔彭寧創(chuàng)立特斯拉汽車公司，他們開始嘗試以英國蓮花跑車為基礎(chǔ)，研發(fā)第一輛純電動跑車 Tesla Roadster。
由于特斯拉的兩位創(chuàng)始人對電池都沒有獨立研發(fā)和生產(chǎn)的能力，只能去市場上尋找合適的電池產(chǎn)品進行改造，經(jīng)過漫長的篩選，最終他們選擇了已經(jīng)大規(guī)模量產(chǎn)，能量密度高且成本較低的 18650 圓柱型電池。2008 年，Tesla Roadster 問世，該車是首輛使用鋰離子電池的商用汽車，也是第一輛續(xù)航里程超過 390 公里的電動汽車；3.7 秒的恐怖加速能力吸引了大批硅谷新貴，不惜花費 11 萬美元的高價將其收入囊中。
盡管如此，特斯拉每賣出一臺 Roadster 就要倒貼 1 萬美元，它的造價太高了。
據(jù)傳在 Roadster 中，僅電池管理系統(tǒng)的造價就達 2 萬美元。失控的成本嚴重限制了特斯拉的發(fā)展，也帶來了復(fù)雜的財務(wù)問題，兩位創(chuàng)始人先后辭職，特斯拉迎來了第四任 CEO——靈魂人物，伊隆·馬斯克。
“改變行業(yè)的努力幾乎是不可能的。如果沒有馬丁不可或缺的努力，那么特斯拉公司今天就不會在這里。”馬斯克說。他也終于如愿掌舵特斯拉，開始加速世界向可持續(xù)能源轉(zhuǎn)變。
為了實現(xiàn)“為每一個普通消費者提供其消費能力范圍內(nèi)的純電動車輛”的目標，馬斯克迫切地需要找到一家穩(wěn)定低價的電池供應(yīng)商，并通過量產(chǎn)攤平車輛的研發(fā)成本。最終他把目光鎖定在松下生產(chǎn)的 18650 圓柱電池身上，特斯拉團隊內(nèi)部對其的評價是“完全符合要求”；而這時的松下正因押注等離子電視失敗陷入巨虧 40 億美元的泥潭，公司也需要借助新業(yè)務(wù)的擴展恢復(fù)元氣。當(dāng)年，雙方就開始了動力電池的研發(fā)工作。
2010 年，松下以 3000 萬美元入股特斯拉。次年，雙方簽訂了首份合作協(xié)議，約定未來4年，松下為特斯拉供應(yīng) 6.4 億顆 18650 電池。兩年后，雙方續(xù)約，將合作數(shù)量提升到 18 億顆，松下成為特斯拉獨家戰(zhàn)略供應(yīng)商。
截至 2012 年，特斯拉在 31 個國家銷售了超過 2250 輛 Roadster。隨著價格更低的 Model S 車型揭幕上市，特斯拉在汽車行業(yè)逐步站穩(wěn)腳跟。同年，剛剛成立兩年的寧德時代與寶馬集團達成戰(zhàn)略合作，開始為華晨寶馬旗下之諾電動車開發(fā)動力電池。
三、擁抱磷酸鐵鋰
渡過美國金融危機的特斯拉，憑借能量密度更勝一籌的三元材料電池和全新 Model S/X 車型獲得了巨大的成功， 之后更是通過更高效、更快捷的 21700 鋰電池拉低了產(chǎn)品的定價區(qū)間，推出了火爆全球的 Model 3 ，確立了特斯拉全球電動汽車的標桿之位。
相較于18650電池，21700 電池單體容量提升 35%，能量密度提升了 20%，系統(tǒng)售價下降約 9%，這無疑降低了電動汽車的生產(chǎn)門檻。特斯拉和松下這對組合的成功，打消了很多車企的顧慮，越來越多的品牌開始加入電動汽車行列。乘著新能源汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新政策的東風(fēng)，蔚來、理想等新勢力造車品牌相繼成立，寧德時代也站上了這個風(fēng)口，將更多精力放在了三元為正極材料的產(chǎn)品打磨上。
此后的幾年里，硬殼電池包+三元鋰材料的組合一直都是高端電動車的象征，寧德時代更是憑借過硬的產(chǎn)品實力成為了全球出貨量第一的動力電池廠商。而磷酸鐵鋰材料雖然熱穩(wěn)定性更好更安全，但由于能量密度較低且低溫狀態(tài)下掉電過快，只能被用在一些經(jīng)濟低廉的車型上，甚至一度成為騙取新能源補貼的車企獲利的工具。
時間來到 2019 年，超級工廠落戶上海，特斯拉開始了國產(chǎn)化進程。為了進一步降低售價，國產(chǎn)標準版 Model 3 選擇搭載方形磷酸鐵鋰電池，這應(yīng)該是磷酸鐵鋰電池首次攻入 30 萬元級市場。通過幾次 OTA 升級優(yōu)化充電速度和放電能力后，磷酸鐵鋰版 Model 3 開始被市場接受，2020 年全年特斯拉在中國賣出了近 14 萬輛 Model 3，其中大部分都是搭載磷酸鐵鋰電池的入門版本，供應(yīng)商寧德時代的股價也一路水漲船高，突破 400 元大關(guān)。
隨著電池產(chǎn)業(yè)鏈的進化，磷酸鐵鋰電池擁有了幾乎可以與三元電池一較高下的續(xù)航能力，加上新能源補貼開始退坡，原材料價格上漲等因素，認識到磷酸鐵鋰電池性價比優(yōu)勢的車企開始主動研發(fā)、設(shè)計搭載磷酸鐵鋰電池的車型。戴姆勒、大眾、福特已明確表示，會推出磷酸鐵鋰電池車型，特斯拉 CEO 馬斯克更是宣布，未來全球范圍內(nèi)的標準續(xù)航版 Model 3 和 Model Y，都將全部改用磷酸鐵鋰電池。
曾因押注磷酸鐵鋰電池技術(shù)路線而錯過三元鋰電池紅利的比亞迪，終于看到了希望的曙光，刀片電池這一漸變式的創(chuàng)新，將成為反擊的利刃。2021 年 4月，比亞迪宣布旗下全系純電乘用車型都將搭載磷酸鐵鋰刀片電池。比亞迪總裁王傳福對刀片電池很自信，說它可以“倒逼整個新能源汽車行業(yè)做出改變”。
根據(jù)中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟數(shù)據(jù)，2021 年 1~11 月，磷酸鐵鋰電池累計裝機量為 64.8 GWh，占總裝機量的 50.5%，高出三元鋰電池 1.2%。歷時 3 年，磷酸鐵鋰電池全面反超三元電池，重回市場中心，只是這次它已經(jīng)撕掉了低端山寨的標簽。
四、三元鋰的回歸
在上海交通大學(xué)建校125周年活動上，沈南鵬曾提問寧德時代董事長曾毓群：三四年后，三元電池和磷酸鐵鋰電池將會各占多少比例？
曾毓群沒有給出具體數(shù)值，但他表示，隨著充電樁的愈發(fā)普及，未來續(xù)航里程需求降低，磷酸鐵鋰電池的增長速度會非常快，三元鋰電池的占比則會逐步減少，而一些需要長續(xù)航的高端車依然會需要高能量密度的三元鋰，“我們基本上是不能偏科的，全部產(chǎn)業(yè)鏈都做”。
磷酸鐵鋰勢如破竹，并不意味著三元鋰電池會就此沉寂，多位從業(yè)者表示不必擔(dān)心，現(xiàn)在這種情況只是市場選擇的結(jié)果，沒有哪種技術(shù)是可以始終領(lǐng)先的，企業(yè)只會傾向于選擇成本更低，性價比更高的方案。雖然磷酸鐵鋰電池一直努力向更高的價位滲透，但是就目前而言，三元鋰電池依然在續(xù)航里程更高，定位更高端的車型上占據(jù)主導(dǎo)地位。
就在上個月，特斯拉官方推特宣布，位于美國加州的 Fremont 工廠成功下線了第 100 萬顆 4680 電芯，這被視為三元鋰電池領(lǐng)域最讓人期待的技術(shù)創(chuàng)新。其實早在 2020 年，馬斯克在特斯拉電池日發(fā)布這種新技術(shù)的時候，就吊足了大家胃口，甚至有些準車主愿意放棄提車等待搭載新電池的車型上市。
4680 電芯是指直徑 46 mm，高 80 mm 的圓柱型電池，采用激光雕刻的無極耳技術(shù)，去掉了電池主要發(fā)熱部件，內(nèi)阻減少，讓更高密度電芯成為可能。根據(jù)特斯拉 4680 電芯的性能規(guī)劃和體積、重量換算，與現(xiàn)有車型搭載的 21700 電池相比，未來量產(chǎn)的 4680 電芯可以實現(xiàn) 12.39% 的體積能量密度提升，以及 18.67% 的重量能量密度提升。在擊敗燃油車最驕傲的續(xù)航能力上，這種電芯被給予了厚望。
三種規(guī)格電芯對比
近日，松下正式宣布將在日本和歌山縣的工廠建一座新的 4680 電池的生產(chǎn)設(shè)施，該工廠將增建兩條生產(chǎn)線，并在 2023 財年大規(guī)模生產(chǎn)用于電動汽車的 4680 電池。
同時，在美國得克薩斯州的特斯拉超級工廠，首批采用 4680 電池和結(jié)構(gòu)化電池組（CTC）的 Model Y 已經(jīng)開始生產(chǎn)，有望在一季度末向消費者交付。
結(jié)語
當(dāng) 4680 大圓柱電池逐步成熟，配合 CTP、CTC 等技術(shù)，三元鋰電池的單位成本將進一步降低，到那時三元鋰電池是否會重回巔峰，又或者會被鈉離子電池等全新的技術(shù)路線顛覆取代呢？這些，就交給時間來告訴我們答案吧。
參考文獻
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