未來數(shù)十年，電動(dòng)汽車將得到較大規(guī)模的發(fā)展。據(jù)IEA預(yù)測，到2030年全球電動(dòng)汽車保有量將從2017年的370萬輛增長至1.3億輛，年銷售量將達(dá)到2150萬輛。在這一場景下，年新增電池容量將從2017年的68吉瓦時(shí)增長至2030年的775吉瓦時(shí)，其中84%將用于輕型汽車。中國、歐盟、印度、美國的需求分別占到50%、18%、12%和7%。

過去二十年，隨著產(chǎn)能規(guī)模的擴(kuò)大，主導(dǎo)電動(dòng)汽車電池的鋰離子電池技術(shù)大幅提升、價(jià)格大幅下降，使電動(dòng)汽車的性價(jià)比開始與燃油汽車一爭高下。

關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素

自1990年問世以來，鋰離子電池在消費(fèi)性電子產(chǎn)品、儲(chǔ)能(家用、公用事業(yè))、電動(dòng)汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著產(chǎn)能規(guī)模的擴(kuò)大，其性能大幅提升、價(jià)格大幅下降。

將來，驅(qū)動(dòng)鋰離子電池的成本下降和性能提升的四個(gè)關(guān)鍵因素是：化學(xué)材料、電池容量、生產(chǎn)規(guī)模和充電速度。

化學(xué)材料。電池的性能受兩極化學(xué)材料的影響。陰極材料主要包括鋰鎳錳鈷(NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)、鋰錳氧化物(LMO)和磷酸鐵鋰(LFP);陽極材料大多數(shù)采用石墨，重型汽車中為增加循環(huán)壽命，也會(huì)使用鈦酸鋰(LTO)。NMC和NCA技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能量密度更高，主導(dǎo)了輕型電池市場;LFP的能量密度低，但得益于更高的循環(huán)壽命和安全性能，它成為重型電動(dòng)汽車(即客車)采用的主要化學(xué)物質(zhì)。化學(xué)材料對(duì)電池成本有著較大的影響，采用不同化學(xué)材料的電池，其價(jià)格差距最大可達(dá)到20%。

電池容量與尺寸。電動(dòng)汽車電池容量差異很大，在中國最為暢銷的三款小型電動(dòng)汽車的電池容量為18.3~23千瓦時(shí);歐洲和北美的中型汽車電池容量在23~60千瓦時(shí);大型汽車的電池容量在75~100千瓦時(shí)之間。電池容量越大、成本越低。據(jù)估計(jì)，一個(gè)70千瓦時(shí)電池的單位能量成本比30千瓦時(shí)電池低25%。

生產(chǎn)規(guī)模。擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)是另一個(gè)重要因素。目前典型的工廠產(chǎn)能范圍大約為0.5~8吉瓦時(shí)/年，大多數(shù)工廠的產(chǎn)能約為3吉瓦時(shí)/年。按照單輛電動(dòng)汽車20~75千瓦時(shí)的典型容量進(jìn)行測算，單個(gè)工廠的產(chǎn)能相當(dāng)于每年可以生產(chǎn)6000~40萬個(gè)電池組。目前，德國、美國、中國、印度等地正在新建一批產(chǎn)能更大的電池工廠，其中包括特斯拉年產(chǎn)能達(dá)到35吉瓦時(shí)的超級(jí)工廠。

充電速度。當(dāng)前技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在40~60分鐘內(nèi)充電80%。這一訴求增加了電池設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，比如降低電極的厚度，這會(huì)增加電池的成本;降低電池的能量密度，從而縮短了電池的壽命。美國能源部的一項(xiàng)分析表明，改變電池設(shè)計(jì)以適應(yīng)400千瓦的充電將使電池成本增加近一倍。

材料革命主導(dǎo)未來趨勢

根據(jù)IEA的分析，鋰離子電池仍將在未來的二十年內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)，但其化學(xué)材料將逐漸發(fā)生變化。

2025年前后，新一代擁有低鈷、高能量密度和陰極鋰鎳錳鈷(NMC)811等特性的鋰離子電池將進(jìn)入量產(chǎn)。在石墨陽極中加入少量的硅，可將能量密度提高50%，而能夠承受較高電壓的電解質(zhì)鹽也將有助于提高性能。

2025年至2030年期間，鋰金屬為陰極、石墨/硅復(fù)合材料為陽極的鋰離子電池可能會(huì)進(jìn)入設(shè)計(jì)階段，甚至還可以引入固態(tài)電解質(zhì)以進(jìn)一步提高能量密度和電池安全性。此外，鋰離子技術(shù)可能會(huì)被鋰空氣、鋰硫等其他有著更高能量密度和更低理論成本的電池所取代。但這些技術(shù)的發(fā)展水平仍非常低，實(shí)際性能尚待測試。

2018年7月26日出版的Nature主刊上，一篇題為《距離鋰電子電池革命僅余十年》(Ten years left to redesign lithium-ion batteries)的文章指出：鋰離子電池性能和價(jià)格的演進(jìn)速度正在放緩。造成上述問題的主要原因包括：在電極材料的晶體結(jié)構(gòu)中, 可以儲(chǔ)存的電荷量快要接近理論最大值;市場規(guī)模的增長難以繼續(xù)帶來大幅度的價(jià)格降低。更糟糕的是，目前普遍采用的電極材料，如鈷和鎳十分稀缺，且價(jià)格昂貴，如果沒有任何新的變化，預(yù)計(jì)在2030~2037年間(或更早)，鈷和鎳的需求量就會(huì)超過產(chǎn)量。另一方面，新的替代電極材料，如儲(chǔ)量豐富的鐵、銅，則還處于早期研究階段。文章呼吁材料科學(xué)家、工程師和經(jīng)費(fèi)資助機(jī)構(gòu)等加大對(duì)基于儲(chǔ)量豐富的鐵、銅等材料的電極材料的研究，否則，電動(dòng)汽車的大規(guī)模發(fā)展將受到限制。

經(jīng)濟(jì)性的衡量

影響電動(dòng)汽車與燃油汽車成本的主要因素包括：電池價(jià)格、車身大小(影響燃料經(jīng)濟(jì)性與電動(dòng)汽車的電池尺寸)、燃料價(jià)格以及年行駛里程。

電池價(jià)格方面，對(duì)于以鋰鎳錳鈷811/石墨為電極材料、產(chǎn)能規(guī)模在7.5~35吉瓦時(shí)/年、電池容量為70~80千瓦時(shí)的電池而言，到2030年的成本可降至100~122美元/千瓦時(shí)，與歐盟(93美元/千瓦時(shí))、中國(116美元/千瓦時(shí))和日本(92美元/千瓦時(shí))的成本下降目標(biāo)十分接近。

電動(dòng)汽車與燃油車成本的差距會(huì)隨著行駛里程的增加逐漸減少，但電池的價(jià)格和汽油的價(jià)格對(duì)該差距的影響超過了車身大小。例如，電池價(jià)格等于400美元/千瓦時(shí)，電動(dòng)汽車的競爭力非常小，燃油汽車將是更經(jīng)濟(jì)的選擇。

如果電動(dòng)汽車電池價(jià)格較低，汽油價(jià)格較高，每日行駛里程較高時(shí)，選擇小型的電動(dòng)汽車或插電式混合動(dòng)力汽車比小型的燃油汽車更經(jīng)濟(jì)劃算。例如，電池價(jià)格為120美元/千瓦時(shí)、汽油價(jià)格高于今天的水平，那么無論行駛里程的長短，純電動(dòng)汽車都將是更經(jīng)濟(jì)的選擇。如果電池價(jià)格等于260美元/千瓦時(shí)，則行駛里程超過3.5萬公里/年，油價(jià)達(dá)到1.5美元/升時(shí)，才是更經(jīng)濟(jì)的選擇。

對(duì)于大型電動(dòng)公交車來說，如果電池價(jià)格低于260美元/千瓦時(shí)，行駛4~5萬公里/年的電動(dòng)公交車在具有高柴油稅制度的地區(qū)具有成本競爭力。

原標(biāo)題:鋰離子電池：如何驅(qū)動(dòng)未來