从铅酸到锂电，动力电池“四渡赤水”

本文来自微信公众号：智造前研（ID：zhizao-qianyan），作者：孟祥威，头图来自：视觉中国

电动汽车的历史比现在最常见的内燃机车要早。直流电机之父匈牙利的发明家、工程师阿纽什·耶德利克最早于 1828 年在实验室试验了电磁转动的行动装置。美国人托马斯·达文波特于 1834 年制造出第一辆直流电机驱动的电动汽车。1859 年法国物理学家、发明家加斯东·普朗特发明了可充电的铅酸电池，随着蓄电池技术的发展，电动汽车19世纪下半叶在欧美得到了较为广泛的运用，形成了以蒸汽、电动和内燃机三分天下的车辆市场。

由于美国德州石油的开发和内燃机技术的提高，续航里程孱弱的铅酸蓄电池汽车在 1920 年之后渐渐地失去了优势，车辆市场逐步被内燃机驱动的汽车取代，人们几乎忘记还有电动汽车的存在。

一、初探锂离子电池

1920 年之后电动汽车的发展完全停滞，直到 1991 年 6 月，日本索尼公司推出了第一块商品化锂离子电池，掀起了电池工业的第一次革命；由于单位密度容量大，而且工作中的稳定性非常好，锂离子电池迅速革新了消费电子产品的面貌，广泛应用于销售市场。

此时正值锂电池野蛮生长的时期，这种能量密度更高、拥有良好循环性能的电池促使电动汽车行业开始复苏。加上石油资源的日益减少、大气环境污染等问题，汽车厂商纷纷着手研究搭载锂电池的新产品，人们才重新关注起电动汽车。

Prairie Joy EV 在北极

1996 年，日产成功研发世界上第一辆搭载圆柱形锂离子电池的电动车 Prairie Joy EV。日本国立极地研究所北极观测中心将其作为支援车，在恶劣的气候条件下使用了 6 年之久。证明了锂离子电池在极端条件下的可用性和耐久性。

自此，锂离子电池汽车正式登上舞台。

二、三元锂的胜利

尽管 Prairie Joy EV 获得了巨大的成功，但是日产依然没有信心把它投放到消费市场，仅仅限于车队销售，从 1997 年起向各个实体出售了大约 30 台。此后的时间里，汽车厂商似乎陷入了沉默，再也没有大规模销售的电动汽车产品出现。

与此同时，电池行业开始了高歌猛进的发展，1995 年，王传福在深圳龙岗创建比亚迪实业公司，主要是开发、生产电动工具使用的电池。

2003 年，比亚迪已经成长为全球第二大充电电池生产商，这时王传福发现电池产业很容易做到天花板，于是决定投一个行业。“当时有两个选项，一是半导体，二是汽车。但因为手头只有20亿，不可能两个都投。最终选择了汽车。”他说。

于是王传福一举收购秦川汽车有限责任公司，成立了比亚迪汽车有限公司跨界汽车制造，同年，马丁·艾伯哈德和马克·塔彭宁创立特斯拉汽车公司，他们开始尝试以英国莲花跑车为基础，研发第一辆纯电动跑车 Tesla Roadster。

由于特斯拉的两位创始人对电池都没有独立研发和生产的能力，只能去市场上寻找合适的电池产品进行改造，经过漫长的筛选，最终他们选择了已经大规模量产，能量密度高且成本较低的 18650 圆柱型电池。2008 年，Tesla Roadster 问世，该车是首辆使用锂离子电池的商用汽车，也是第一辆续航里程超过 390 公里的电动汽车；3.7 秒的恐怖加速能力吸引了大批硅谷新贵，不惜花费 11 万美元的高价将其收入囊中。

环球展示中的 Roadster （2010 年）

尽管如此，特斯拉每卖出一台 Roadster 就要倒贴 1 万美元，它的造价太高了。

据传在 Roadster 中，仅电池管理系统的造价就达 2 万美元。失控的成本严重限制了特斯拉的发展，也带来了复杂的财务问题，两位创始人先后辞职，特斯拉迎来了第四任 CEO——灵魂人物，伊隆·马斯克。

“改变行业的努力几乎是不可能的。如果没有马丁不可或缺的努力，那么特斯拉公司今天就不会在这里。”马斯克说。他也终于如愿掌舵特斯拉，开始加速世界向可持续能源转变。

为了实现“为每一个普通消费者提供其消费能力范围内的纯电动车辆”的目标，马斯克迫切地需要找到一家稳定低价的电池供应商，并通过量产摊平车辆的研发成本。最终他把目光锁定在松下生产的 18650 圆柱电池身上，特斯拉团队内部对其的评价是“完全符合要求”；而这时的松下正因押注等离子电视失败陷入巨亏 40 亿美元的泥潭，公司也需要借助新业务的扩展恢复元气。当年，双方就开始了动力电池的研发工作。

2010 年，松下以 3000 万美元入股特斯拉。次年，双方签订了首份合作协议，约定未来4年，松下为特斯拉供应 6.4 亿颗 18650 电池。两年后，双方续约，将合作数量提升到 18 亿颗，松下成为特斯拉独家战略供应商。

截至 2012 年，特斯拉在 31 个国家销售了超过 2250 辆 Roadster。随着价格更低的 Model S 车型揭幕上市，特斯拉在汽车行业逐步站稳脚跟。同年，刚刚成立两年的宁德时代与宝马集团达成战略合作，开始为华晨宝马旗下之诺电动车开发动力电池。

三、拥抱磷酸铁锂

渡过美国金融危机的特斯拉，凭借能量密度更胜一筹的三元材料电池和全新 Model S/X 车型获得了巨大的成功， 之后更是通过更高效、更快捷的 21700 锂电池拉低了产品的定价区间，推出了火爆全球的 Model 3 ，确立了特斯拉全球电动汽车的标杆之位。

相较于18650电池，21700 电池单体容量提升 35%，能量密度提升了 20%，系统售价下降约 9%，这无疑降低了电动汽车的生产门槛。特斯拉和松下这对组合的成功，打消了很多车企的顾虑，越来越多的品牌开始加入电动汽车行列。乘着新能源汽车产业技术创新政策的东风，蔚来、理想等新势力造车品牌相继成立，宁德时代也站上了这个风口，将更多精力放在了三元为正极材料的产品打磨上。

此后的几年里，硬壳电池包+三元锂材料的组合一直都是高端电动车的象征，宁德时代更是凭借过硬的产品实力成为了全球出货量第一的动力电池厂商。而磷酸铁锂材料虽然热稳定性更好更安全，但由于能量密度较低且低温状态下掉电过快，只能被用在一些经济低廉的车型上，甚至一度成为骗取新能源补贴的车企获利的工具。

时间来到 2019 年，超级工厂落户上海，特斯拉开始了国产化进程。为了进一步降低售价，国产标准版 Model 3 选择搭载方形磷酸铁锂电池，这应该是磷酸铁锂电池首次攻入 30 万元级市场。通过几次 OTA 升级优化充电速度和放电能力后，磷酸铁锂版 Model 3 开始被市场接受，2020 年全年特斯拉在中国卖出了近 14 万辆 Model 3，其中大部分都是搭载磷酸铁锂电池的入门版本，供应商宁德时代的股价也一路水涨船高，突破 400 元大关。

动力电池包示意图

随着电池产业链的进化，磷酸铁锂电池拥有了几乎可以与三元电池一较高下的续航能力，加上新能源补贴开始退坡，原材料价格上涨等因素，认识到磷酸铁锂电池性价比优势的车企开始主动研发、设计搭载磷酸铁锂电池的车型。戴姆勒、大众、福特已明确表示，会推出磷酸铁锂电池车型，特斯拉 CEO 马斯克更是宣布，未来全球范围内的标准续航版 Model 3 和 Model Y，都将全部改用磷酸铁锂电池。

曾因押注磷酸铁锂电池技术路线而错过三元锂电池红利的比亚迪，终于看到了希望的曙光，刀片电池这一渐变式的创新，将成为反击的利刃。2021 年 4月，比亚迪宣布旗下全系纯电乘用车型都将搭载磷酸铁锂刀片电池。比亚迪总裁王传福对刀片电池很自信，说它可以“倒逼整个新能源汽车行业做出改变”。

根据中国汽车动力电池产业创新联盟数据，2021 年 1~11 月，磷酸铁锂电池累计装机量为 64.8 GWh，占总装机量的 50.5%，高出三元锂电池 1.2%。历时 3 年，磷酸铁锂电池全面反超三元电池，重回市场中心，只是这次它已经撕掉了低端山寨的标签。

四、三元锂的回归

在上海交通大学建校125周年活动上，沈南鹏曾提问宁德时代董事长曾毓群：三四年后，三元电池和磷酸铁锂电池将会各占多少比例？

曾毓群没有给出具体数值，但他表示，随着充电桩的愈发普及，未来续航里程需求降低，磷酸铁锂电池的增长速度会非常快，三元锂电池的占比则会逐步减少，而一些需要长续航的高端车依然会需要高能量密度的三元锂，“我们基本上是不能偏科的，全部产业链都做”。

磷酸铁锂势如破竹，并不意味着三元锂电池会就此沉寂，多位从业者表示不必担心，现在这种情况只是市场选择的结果，没有哪种技术是可以始终领先的，企业只会倾向于选择成本更低，性价比更高的方案。虽然磷酸铁锂电池一直努力向更高的价位渗透，但是就目前而言，三元锂电池依然在续航里程更高，定位更高端的车型上占据主导地位。

就在上个月，特斯拉官方推特宣布，位于美国加州的 Fremont 工厂成功下线了第 100 万颗 4680 电芯，这被视为三元锂电池领域最让人期待的技术创新。其实早在 2020 年，马斯克在特斯拉电池日发布这种新技术的时候，就吊足了大家胃口，甚至有些准车主愿意放弃提车等待搭载新电池的车型上市。

4680 电芯是指直径 46 mm，高 80 mm 的圆柱型电池，采用激光雕刻的无极耳技术，去掉了电池主要发热部件，内阻减少，让更高密度电芯成为可能。根据特斯拉 4680 电芯的性能规划和体积、重量换算，与现有车型搭载的 21700 电池相比，未来量产的 4680 电芯可以实现 12.39% 的体积能量密度提升，以及 18.67% 的重量能量密度提升。在击败燃油车最骄傲的续航能力上，这种电芯被给予了厚望。

三种规格电芯对比

近日，松下正式宣布将在日本和歌山县的工厂建一座新的 4680 电池的生产设施，该工厂将增建两条生产线，并在 2023 财年大规模生产用于电动汽车的 4680 电池。

同时，在美国得克萨斯州的特斯拉超级工厂，首批采用 4680 电池和结构化电池组（CTC）的 Model Y 已经开始生产，有望在一季度末向消费者交付。

结语

当 4680 大圆柱电池逐步成熟，配合 CTP、CTC 等技术，三元锂电池的单位成本将进一步降低，到那时三元锂电池是否会重回巅峰，又或者会被钠离子电池等全新的技术路线颠覆取代呢？这些，就交给时间来告诉我们答案吧。

参考文献

[1] 黄彦瑜. 锂电池发展简史[J]. 物理， 2007， 36(08): 643-651.

[2] 叶玲珍.磷酸铁锂重回C位 未来动力电池竞争格局如何演变？[EB/OL]. 证券时报网 . 2021.

[3] 刘雅坤. 传奇 TESLA ROADSTER[J]. 世界汽车， 2011 (4): 58-63.

[4] 陈弗也. 探访宁德时代总部：“首富”曾毓群和他的万亿电池帝国[EB/OL]. 棱镜·腾讯新闻. 2021.

本文来自微信公众号：智造前研（ID：zhizao-qianyan），作者：孟祥威