近期，長壽命電池成為業(yè)內(nèi)的熱門話題。今年，馬斯克表示特斯拉將在2020年推出一款使用壽命達(dá)100萬英里的新電池，隨后通用汽車的執(zhí)行副總裁道格·帕克斯表示，通用正在研發(fā)累計(jì)續(xù)航里程達(dá)100萬英里的電池。而近日寧德時(shí)代的董事長曾毓群表示，準(zhǔn)備生產(chǎn)一款行駛里程達(dá)200萬公里且使用年限為期16年的電池，引起了行業(yè)和消費(fèi)者的高度關(guān)注。
對于這次的技術(shù)突破，我們將主要聚焦和探討兩個(gè)問題：為什么動力電池壽命到目前突然有了技術(shù)突破？目前的技術(shù)突破究竟在哪些方面？是否真正具有可行性？
長壽命電芯能做成嗎？
車企宣布做長壽命電池，總的來說對行業(yè)乃至社會都帶來很高的便利性。從電池原理的角度來看，可能電池企業(yè)會做以下幾大方面的處理：
一、 正極單晶技術(shù)：單晶材料顯著區(qū)別于三元二次球材料，具有更高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，更低的比表面積，更少的表面缺陷和更高的真密度等諸多優(yōu)點(diǎn)。對單晶材料進(jìn)行摻雜包覆等一定的優(yōu)化后，使用單晶材料在提高電壓的同時(shí)依然可以保證材料的循環(huán)性能，可兼顧電芯的能量密度和循環(huán)壽命，這是一個(gè)基本點(diǎn)。
二、負(fù)極表面修飾：開發(fā)了“自修復(fù)”負(fù)極材料，新的負(fù)極材料可以自動修復(fù)使用過產(chǎn)生的少量SEI膜缺陷。
三、電解液的匹配開發(fā)：為了解決日歷壽命的問題，可以努力改善高溫循環(huán)性能，在電解液中加入特殊的正極成膜添加劑；優(yōu)化了電解液的溶劑種類及比例，從而獲得更穩(wěn)定的固液相界面，更高效的離子傳輸，更寬的溫度響應(yīng)區(qū)間等優(yōu)異特性；電芯表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫長循環(huán)性能和低溫放電、功率性能。
圖1 寧德時(shí)代法蘭克福車展上的技術(shù)講解
從目前現(xiàn)有的信息來看，我們可能能看到電池技術(shù)在壽命方向上新分出來一種新的分支，在追求成本和追求能量密度之外追求長壽命電池這種新的品類，目前不確定是否能實(shí)現(xiàn)100萬英里還是200萬公里，我們應(yīng)該能看到電池壽命會比之前10萬英里或者15萬公里有大幅的提高。
長壽命電池為社會帶來減排效應(yīng)
長壽命電池究竟會帶來哪些突破性的變化？長壽命電池如果真的能夠突破了，對于消費(fèi)者來說肯定有很大的便利性。比如對于大部分車主來說，平常上下班一天都在50公里以內(nèi)，極端一些的可能在80公里左右，一年下來在1.5萬-2萬公里，從保有8年來考慮，也就是整個(gè)第一次使用周期會有12萬到16萬公里的里程積累。按照目前國內(nèi)主流標(biāo)準(zhǔn)，動力電池的保修期為8年15萬公里，如果長壽命電池開發(fā)成功的話，可以大大增加電動汽車的殘值（是指在一項(xiàng)資產(chǎn)使用期滿時(shí)預(yù)計(jì)能夠回收到的殘余價(jià)值），特別是動力總成對應(yīng)的殘值。
電動汽車本身是和電網(wǎng)高度依存的，電動汽車每天需要從電網(wǎng)上使用電能作為驅(qū)動的窄體，而純電動車輛與電網(wǎng)的互動，實(shí)現(xiàn)高效的雙向傳輸、控制負(fù)荷，以及規(guī)模車隊(duì)的管理是關(guān)鍵。電池的壽命瓶頸能夠解決，就可以為電網(wǎng)的優(yōu)化其可再生能源的利用。電網(wǎng)是有峰谷之分，也就是白天可能是用電高峰，而凌晨可能是用電低谷。電動汽車的大量電池，可以滿足電網(wǎng)削峰平谷的需求，也能有效的降低用電成本，對整個(gè)社會效益和環(huán)境來說是非常友好的。
從更長遠(yuǎn)的角度來看，如果電池能夠長壽命，那么未來大量公用的車輛，電動巴士、出租車和網(wǎng)約車甚至是未來的自動駕駛的車輛，就可以不拘束的使用，能夠?yàn)樯鐣?chuàng)造出更多的減排效益。
圖2電池壽命的感受幾個(gè)階段
還有一個(gè)重要點(diǎn)：動力電池的壽命限制在哪里？從技術(shù)的角度來說，我們正常在使用電芯中往往會觀察到三個(gè)階段：
第一階段是初始容量的增加：電池的容量是一個(gè)重要的參數(shù)，其值由正極材料容量、負(fù)極材料容量、負(fù)極-正極容量比，負(fù)極一般會比正極在幾何尺寸上拉長一些。實(shí)際上電池企業(yè)也會在這個(gè)上面把額定容量的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定幅度的調(diào)整，以匹配實(shí)際的出廠容量的公差范圍。所以一般都能觀察到初期的容量，是高于額定容量，并持續(xù)一段時(shí)間。
第二階段是電池的線性容量損失：電池不管是放在那里還是循環(huán)使用，電芯內(nèi)部都會出現(xiàn)老化。如下圖所示，從微觀尺度角度來看，電池的主要材料由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等材料所組成。為什么能量會不停的衰減？實(shí)際上電池本事是電化學(xué)儲能，容量衰減的機(jī)理主要是在內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了很多不可逆的負(fù)反應(yīng)。
圖3 電芯的壽命衰減的機(jī)理
容量衰減跟正極、負(fù)極、電解液都有關(guān)系，從材料還有物理化學(xué)的角度分來看：
正極材料，在循環(huán)過程中會有不可逆的相變，還有金屬離子溶出；正極材料顆粒破碎，粘結(jié)劑分解和正極材料晶體結(jié)構(gòu)改變等因素，會導(dǎo)致一部分正極活性物質(zhì)失去嵌鋰等能力；負(fù)極材料中會有活性物質(zhì)脫落，粘結(jié)劑分解等因素，都會導(dǎo)致部分負(fù)極活性物質(zhì)顆粒失去與導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電連接，從而使其無法嵌鋰，造成鋰離子電池容量損失。
經(jīng)歷了第二個(gè)階段后期會迎來電池壽命的終點(diǎn)快速蛻變：這個(gè)一般是崩壞的過程，最好這個(gè)時(shí)候拆解一下電芯，并記錄一下崩壞之前的各項(xiàng)參數(shù)特性。這是一個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，也是車輛從相對健康到很難使用的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
實(shí)際上，動力電池在和電動汽車設(shè)計(jì)中，容量衰減預(yù)測和分析，是非常重要的。工程師們通過考慮不同的影響因子，包括環(huán)境溫度、不同使用電池放電深度和使用工況構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，對整個(gè)電池的可用性要做出大量的驗(yàn)證工作。如下圖所示，實(shí)際上電池的衰減也是呈現(xiàn)出一定的離散型，在16萬公里質(zhì)保期內(nèi)努力設(shè)計(jì)成不會快速跳變的狀態(tài)。
圖4 特斯拉之前的電池所呈現(xiàn)出來的離散型
總的來說，動力電池的壽命限制主要還是在電芯材料和電芯設(shè)計(jì)層面，主要是電池內(nèi)部副反應(yīng)的微觀層面的變化日積月累導(dǎo)致了電池的衰減。如今車企和電池企業(yè)按照長壽命電芯的設(shè)計(jì)預(yù)期，對于消費(fèi)者來說是大好事，對于整個(gè)產(chǎn)業(yè)來說有了更多的可能性。當(dāng)然這種技術(shù)突破是否真正能夠兌現(xiàn)200萬公里和16年，并且成本上只上升10%這樣的豪言壯語，是否帶來其他的性能折中，我們還是持有謹(jǐn)慎態(tài)度，對電池的后續(xù)開發(fā)成果拭目以待。
