1991年，當(dāng)索尼將鈷酸鋰與石墨組成的小電池裝入攝像機(jī)時(shí)，鋰電池商業(yè)化的歷史大幕就此拉開(kāi)。
此后十幾年，鋰電池和消費(fèi)電子行業(yè)比翼齊飛，直到2008年，當(dāng)特斯拉將裝有6831顆鈷酸鋰電池的Roadster推向市場(chǎng)并且大獲成功后，原本作為便攜式能源的鋰電池又被賦予了一個(gè)全新的歷史使命：整車動(dòng)力核心。
發(fā)明鈷酸鋰的John Goodenough當(dāng)初怎么也沒(méi)想到，自己的發(fā)明竟然意外開(kāi)啟了一場(chǎng)前所未有的電動(dòng)車革命，也讓動(dòng)力電池行業(yè)此后走出了一條“性能暴力拉升，成本急劇下探”的摩爾曲線。
陡峭的曲線讓電動(dòng)車從奢侈品降格為日用品，逐漸走入尋常百姓家，這種平權(quán)化的背后是動(dòng)力電池在材料、結(jié)構(gòu)和工藝層面持續(xù)不斷的創(chuàng)新。
從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰和三元鋰，從鈉電池到固態(tài)電池，從18650的小圓柱到4680大圓柱，從模組方案到電池車身一體化，每一次的技術(shù)迭代都伴隨著科學(xué)家和工程師對(duì)于“完美電池”的不懈追求。
但現(xiàn)實(shí)告訴我們，動(dòng)力電池沒(méi)有絕對(duì)的“完美”，這并非技術(shù)桎梏，而是材料特性、物理化學(xué)規(guī)律與工程實(shí)現(xiàn)之間的天然矛盾。
從能量密度與安全性的博弈，到成本控制與低溫性能的取舍，每一項(xiàng)技術(shù)突破都伴隨著權(quán)衡與妥協(xié)。
然而，消費(fèi)者對(duì)“更高續(xù)航、更快充電、更低成本”的多元訴求從未停止，這種“既要、又要、還要”的期待，本質(zhì)上驅(qū)動(dòng)著行業(yè)在看似對(duì)立的需求中尋找到最佳平衡。
解決低溫性能，刻不容緩
如果把動(dòng)力電池比作是一輛車，那么能量密度就像油箱容量，循環(huán)次數(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)壽命，快充能力好比百公里加速，成本則是價(jià)格。
現(xiàn)實(shí)中不存在這么一輛車：它既有超跑般的加速能力，重卡一樣的大油箱，卡羅拉一樣的可靠性，還有五菱宏光一樣的驚爆價(jià)。
實(shí)際上，不同材料體系因?yàn)殡娀瘜W(xué)特征上的差異，在以上這些核心指標(biāo)上存在天然的”蹺蹺板效應(yīng)”，工程師們常常顧此失彼。
電池研發(fā)時(shí)經(jīng)常遇到各種“不可能三角”，圖片來(lái)源：綠芯頻道
以第一代特斯拉Roadster為例，馬斯克之所以選擇鈷酸鋰，而非磷酸鐵鋰，主要是看重了它在能量密度和生產(chǎn)工藝成熟度上的相對(duì)優(yōu)勢(shì)，但也不得不接受它在成本、安全性和循環(huán)壽命上的相對(duì)劣勢(shì)。另外，將六千多節(jié)小電池組成一個(gè)電池包，對(duì)整車BMS系統(tǒng)也提出了巨大的挑戰(zhàn)。
對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，把動(dòng)力電池單一性能做到極致在理論上是可行的，但現(xiàn)實(shí)中，很少電池廠會(huì)這么極限操作，因?yàn)樗麄兩钪?，某一?yōu)勢(shì)的實(shí)現(xiàn)往往以犧牲某一性能為代價(jià)。
比如，通過(guò)在正極中提高鎳的配比，在負(fù)極石墨中摻入一定的硅元素，降低隔膜厚度以及采用更緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等手段，能盡可能提升電池的能量密度，增加電動(dòng)車的續(xù)航里程。
但這么做的代價(jià)也是顯而易見(jiàn)的：在正極材料中，鎳的含量越高，能量密度也越高，但副反應(yīng)也越多，熱穩(wěn)定性越難控制；在負(fù)極材料中，硅與生俱來(lái)的的高膨脹系數(shù)也勢(shì)必影響快充性能；降低隔膜厚度能為正負(fù)極活性物質(zhì)反應(yīng)騰出更多空間，但也會(huì)增加短路的風(fēng)險(xiǎn)。
同理，磷酸鐵鋰材料內(nèi)部的橄欖石結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，材料價(jià)格更低，配料表中也沒(méi)有像“鈷”這樣價(jià)格昂貴且有可能被卡脖子的稀有金屬，但相比三元鋰，能量密度的天花板更低，低溫性能更遜一籌。
這種“蹺蹺板效應(yīng)”使得電池性能猶如一個(gè)“不可能多邊形”，決定了工程師沒(méi)法通過(guò)研發(fā)一款“完美電池”一勞永逸，而是必須圍繞具體場(chǎng)景需求，在能量密度、循環(huán)壽命、充電速度、低溫性能和成本之間找到最佳平衡。
事實(shí)上，中國(guó)電動(dòng)車行業(yè)最早起步就是從理解“場(chǎng)景”開(kāi)始的。
2009年啟動(dòng)的“十城千輛”計(jì)劃選擇從公交車和環(huán)衛(wèi)車切入并且首選磷酸鐵鋰電池，不僅是因?yàn)榱姿徼F鋰相對(duì)安全，而是綜合考慮包括行駛場(chǎng)景、充電網(wǎng)絡(luò)、電池壽命、安全性和價(jià)格敏感性之后，對(duì)于技術(shù)和場(chǎng)景的精準(zhǔn)匹配。
如今，國(guó)內(nèi)公交車早已是純電動(dòng)的天下，新能源車也跨越了技術(shù)鴻溝并且在乘用車領(lǐng)域大放異彩，去年的滲透率逼近50%，但仔細(xì)一看，市場(chǎng)存在區(qū)域結(jié)構(gòu)不平衡的問(wèn)題，某些場(chǎng)景下的痛點(diǎn)沒(méi)有得到徹底解決。
比如，東三省的新能源滲透率去年都不足50%，黑龍江更是低至30%，造成這種情況的核心問(wèn)題在于，鋰電池在低溫環(huán)境下存在明顯的性能衰減問(wèn)題。
根據(jù)懂車帝的冬測(cè)結(jié)果，在-20度在左右的環(huán)境下，純電車的續(xù)航達(dá)成率普遍不足五成，這種斷崖式的性能衰減導(dǎo)致消費(fèi)者在寒冷地區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)烈的里程焦慮，即便是看重了電動(dòng)車在加速性、靜謐性和智能化上的優(yōu)勢(shì)，往往也會(huì)續(xù)航問(wèn)題倒向燃油車。
要讓電動(dòng)車做到“哪里都好開(kāi)，何時(shí)都好用”，核心在于消除氣候適應(yīng)性的短板，而破解低溫難題則是打通滲透率“最后一公里”的關(guān)鍵。
“鈉鋰時(shí)代”的到來(lái)
如何克服極寒低溫環(huán)境一直都是鋰電池的“老大難”問(wèn)題。
打個(gè)比方，在常溫環(huán)境下，電池里的電解液就像清水一樣順滑，鋰離子就像是小跑車一樣，能在正負(fù)極之間快速穿梭，而一旦氣溫降到了-20度以下，電解液就變得像蜂蜜一樣粘稠，鋰離子的通行效率就會(huì)大打折扣，續(xù)航就會(huì)像漏了氣的氣球一樣縮水，充電效率也會(huì)跟著下降。
由于這種特性的存在，科學(xué)家和工程師們?cè)噲D找到一種既能克服嚴(yán)寒、又足夠安全的電池，并且都把目光鎖定在了“鈉”上。
事實(shí)上，鈉電池和鋰電池的研發(fā)時(shí)間幾乎同步，只不過(guò)當(dāng)索尼率先將鋰離子商業(yè)化之后，鈉電池因?yàn)槟芰棵芏壬系牧觿?shì)，研發(fā)和商業(yè)化進(jìn)程被迫陷入停滯，直到2021年，寧德時(shí)代才讓它重回大眾視野。
從參數(shù)上看，寧德時(shí)代推出的第一代鈉離子電池做到了電芯單體能量密度160Wh/kg，略低于當(dāng)時(shí)磷酸鐵鋰的平均水平；常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上，不輸磷酸鐵鋰電池；更重要的是，在-20°C低溫環(huán)境中，它也能擁有90%以上的放電保持率，遠(yuǎn)勝磷酸鐵鋰。
第一代鈉電池的橫空出世打破了人們對(duì)于這項(xiàng)技術(shù)的刻板印象，讓外界看到了它在某些性能維度上獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)以及巨大的商業(yè)化潛力。
事實(shí)上，除了低溫性能好以及更安全的本征特性之外，鈉電池的一大優(yōu)勢(shì)在于近乎無(wú)限供給的上游原材料。
鈉的儲(chǔ)量是鋰的420倍，全球分布廣，開(kāi)采易，成本低，不受地緣政治風(fēng)險(xiǎn)影響，永遠(yuǎn)不會(huì)被資源國(guó)卡脖子。相比之下，全球超七成鋰資源都集中于南美以及澳大利亞等少數(shù)區(qū)域，開(kāi)采成本高，極易受制于國(guó)際供應(yīng)鏈博弈影響，而且價(jià)格波動(dòng)比較大。2022年，鋰價(jià)一度飆到了超60萬(wàn)元/噸。
如果說(shuō)第一代鈉電池的推出代表它走出了實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)啟了商業(yè)化進(jìn)程，那么最近寧德時(shí)代在Tech Day上推出的全球首款車規(guī)級(jí)規(guī)?；慨a(chǎn)應(yīng)用的鈉離子電池——“鈉新電池”，則意味著它要從“小眾市場(chǎng)”走向“大眾市場(chǎng)”。
鈉電體系正在愈發(fā)成熟
相比上一代，鈉新電池單體電芯的能量密度提升到了175Wh/kg，比肩磷酸鐵鋰電池；抗凍能力比之前更強(qiáng)，在零下40度的環(huán)境下也能保持90%的能量保持率，做到冰天雪地也不掉電。
此外，它在循環(huán)壽命、充電效率以及安全性三個(gè)重要維度上幾乎都做到了極致：10000次的循環(huán)壽命，比磷酸鐵鋰多一倍；極高的安全特性賦予了它更快的充電效率，可以做到10分鐘從30%充到80%；在滿電的情況下，即便是被鋼針刺穿，被電鉆穿透，被外力鋸斷，被多面擠壓，也能做到不起火、不爆炸。
性能全面升級(jí)后的鈉新電池可以承擔(dān)更多角色，解鎖更多極端場(chǎng)景。
作為高壓動(dòng)力電池，鈉新電池最高能做到500公里的純電續(xù)航和200公里的混動(dòng)續(xù)航，對(duì)于那些因?yàn)榈蜏匦阅懿疃艞夒妱?dòng)車的北方消費(fèi)者，以及對(duì)于那些對(duì)成本、安全和使用壽命格外關(guān)注的營(yíng)運(yùn)車司機(jī)而言，鈉新電池能充分滿足他們“既要、又要，還要”的多重訴求。
與此同時(shí)，鈉新電池也可以作為24V啟駐一體化蓄電池被用在重卡上，能夠有效解決傳統(tǒng)鉛酸電池在低溫啟動(dòng)、使用壽命以及深度放電等方面的短板。
比如，把鈉新電池作為蓄電池后，重卡在零下40度的環(huán)境下也可以照常啟動(dòng)，還能滿足空調(diào)等設(shè)備的正常運(yùn)行；即便是開(kāi)了一晚上空調(diào)之后，第二天卡車也可以正常啟動(dòng)；整塊電池的使用壽命達(dá)到8年，降低了重卡司機(jī)頻繁更換蓄電池的成本。
鈉新電池的推出意味著鈉電池實(shí)現(xiàn)了體系化成熟，它不僅突破了性能的上限，也打開(kāi)了資源的邊界，解決了上游原材料被卡脖子的后顧之憂，更宣告了一個(gè)“鈉鋰并行”時(shí)代的加速到來(lái)。
多核架構(gòu)推動(dòng)能量自由
受限于單一材料體系的性能邊界，寧德時(shí)代的電池工程師很早就在思考如何通過(guò)分工合作、取長(zhǎng)補(bǔ)短來(lái)打造全能的“六邊形戰(zhàn)士”，其中，鈉電池一直扮演著“關(guān)鍵先生”的角色。
早在2020年，寧德時(shí)代就在全球首創(chuàng)了AB電池系統(tǒng)解決方案，通過(guò)將鈉離子與鋰離子電池按特定比例混搭，再借由BMS精準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，既彌補(bǔ)了鈉離子電池在能量密度上的相對(duì)劣勢(shì)，又能充分發(fā)揮它在低溫、快充、低成本和功率上的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。
去年推出的驍遙增混電池也采用了鈉鋰混搭的AB方案，通過(guò)在電池包兩端（低溫敏感區(qū)）布置一定數(shù)量的鈉電池，既能優(yōu)化成本，更能發(fā)揮不同材料體系的特長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)。
按照寧德時(shí)代國(guó)內(nèi)乘用車業(yè)務(wù)CTO高煥的說(shuō)法，依托AB方案技術(shù)，搭載驍遙增混電池的電動(dòng)車能夠在零下40度環(huán)境下放電，在零下30度環(huán)境下充電，在零下20度的環(huán)境下也能提供強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出。
AB方案打破了單一化體系的性能瓶頸，也打開(kāi)了不同化學(xué)體系協(xié)同配合的想象空間，使得電池研發(fā)的方向從過(guò)去追求“絕對(duì)的技術(shù)領(lǐng)先”轉(zhuǎn)向了“場(chǎng)景的高度定制”。
在這個(gè)方向的指引下，寧德時(shí)代在今年的Tech Day推出了重磅技術(shù)：驍遙雙核電池。
它不是簡(jiǎn)單地把不同材料體系的電池放在同一個(gè)電池包里，而是試圖通過(guò)電化學(xué)體系、能量管理、安全冗余等多個(gè)維度的協(xié)同創(chuàng)新，重新定義能量存儲(chǔ)的邏輯，實(shí)現(xiàn)新能源車從“功能同質(zhì)化”到“場(chǎng)景個(gè)性化”的躍遷。
換言之，以后電池研發(fā)將不再“唯參數(shù)論”，而是把對(duì)于使用場(chǎng)景和用戶需求的理解提到了一個(gè)前所未有的高度。
正如寧德時(shí)代創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)曾毓群在發(fā)布會(huì)上所說(shuō)：“在新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的下一階段，誰(shuí)更懂消費(fèi)者的需求，誰(shuí)能定義下一代產(chǎn)品的價(jià)值，誰(shuí)才是真正的贏家。”
這次發(fā)布的驍遙雙核電池，采用了“寧德時(shí)代雙核架構(gòu)”技術(shù)，首創(chuàng)了“主能量區(qū)+增程能量區(qū)”的雙艙設(shè)計(jì)，允許在同一電池包內(nèi)集成不同化學(xué)體系的電芯，通過(guò)兩個(gè)區(qū)域之間的精密協(xié)作，能夠?qū)崿F(xiàn)高壓雙核、低壓雙核，結(jié)構(gòu)雙核、熱管理雙核、熱失控安全防護(hù)雙核五大功能，有效抵御各種未知風(fēng)險(xiǎn)。
在增程能量區(qū)，寧德時(shí)代應(yīng)用了一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)——自生成負(fù)極技術(shù)，取消了傳統(tǒng)的石墨負(fù)極材料，讓鋰離子直接沉積在集流體上，實(shí)現(xiàn)能量效率的躍升。
兩項(xiàng)技術(shù)結(jié)合之下，寧德時(shí)代便能基于當(dāng)前市場(chǎng)主流用戶的用車場(chǎng)景和需求，打造出不同的靈活組合方案。
比如“鈉+磷酸鐵理自生成負(fù)極電池”的雙核方案，既能解決北方用戶最擔(dān)心冬季新能源車?yán)m(xù)航大幅縮水、車輛啟動(dòng)困難和充電緩慢等問(wèn)題，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)700公里的超長(zhǎng)續(xù)航。
此外，寧德時(shí)代也展示了“鐵-鐵”的雙核方案，主能量區(qū)搭載最新發(fā)布的第二代神行超充電池，增程能量區(qū)選擇高比能的磷酸鐵鋰自生成負(fù)極電池，這樣的搭配能讓消費(fèi)者享受到峰值12C的充電倍率，又能獲得超1000公里的純電續(xù)航，兼顧了日常通勤的經(jīng)濟(jì)性和長(zhǎng)途出行的安全感。
不同材料體系組合下的“雙核方案”
總體來(lái)看，驍遙雙核方案通過(guò)材料創(chuàng)新、架構(gòu)重構(gòu)、算法升級(jí)的三重突破，實(shí)現(xiàn)了更多應(yīng)用場(chǎng)景的“六邊形全能”，不僅極大釋放了整車廠在產(chǎn)品定義時(shí)的發(fā)揮空間，滿足了用戶全天候全場(chǎng)景下的需求，更重要的是，它還重構(gòu)了動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)邏輯和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
值得一提的是，雙核開(kāi)啟的多核未來(lái)的應(yīng)用領(lǐng)域不止于乘用車，未來(lái)還會(huì)覆蓋包含商用車、電船、飛機(jī)等更多領(lǐng)域，甚至可能讓一些高端技術(shù)比如固態(tài)提前落地。
尾聲
在新能源產(chǎn)業(yè)狂飆突進(jìn)的十年里，動(dòng)力電池的“技術(shù)崇拜”曾讓行業(yè)一度陷入“參數(shù)內(nèi)卷”的怪圈。人們似乎忘記了：技術(shù)進(jìn)步的終極目標(biāo)從來(lái)都不是數(shù)字游戲，而是讓能源以更合理的方式服務(wù)于人。
事實(shí)上，行業(yè)只有從“技術(shù)內(nèi)卷”轉(zhuǎn)向“場(chǎng)景深耕”，從“單一崇拜”回歸“系統(tǒng)思維”，才能真正實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)與用戶體驗(yàn)的雙贏，新能源車滲透率的“最后一公里”才能被徹底打通。
作者：羅松松
編輯：熊宇翔
責(zé)任編輯：羅松松
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