浅谈电动汽车和动力电池技术发展趋

为了应对“排放门”和全球各国日益严格的汽车排放法规要求，大众汽车制定了“Together-Strategy 2025”策略，并在2016年6月宣布：截至2025年将发布30款纯电动汽车EV，并且销量目标将达到200万-300万辆(占大众所有车型销量的20-25%)，相当激进的计划。戴姆勒也宣布截至2022年将发布20款纯电动汽车EV和插电式混合电动车PHEV(占总销量25%)。宝马也将截至2025年的电动汽车xEV的销量比例设定在25%。特斯拉、通用、福特也宣布截至2020年将发布10-13款EV和PHEV。随着全球电动汽车的快速增长，电池制造商也在热火朝天的扩产、改进锂离子电池(LIB)性能。

对于电动汽车的普及，产业分析师们也难得的达成了非常一致的看法：不断提高电池能量密度、功率密度、快充能力，同时还要不断降低成本。在成本方面，大众市场总监Richardo Tomaz在采访中说到：现在电芯成本到了1.5元/Wh左右的水平并不稀奇，因为Tesla(电池包：190USD/kWh)和GM(电芯：145USD/kWh)走得更快一步，成本甚至更低(尽管有评论怀疑是否是亏钱)，大众甚至制订了更为激进的2020 成本目标(模块及其制造成本：93USD/kWh)。

而在中国，逐年退坡的补贴政策也把降成本的压力转嫁到了电池上。在提高能量密度的同时，成本通常会增加，充电时间也会增加，这几个参数之间看起来总是矛盾般的存在。例如，30kWh的日产聆风在50kW快充模式充满80%的电量需要30min不到(有网友报道二十多分钟也能充到80%)，日产计划通过提高充电电压，从而把充电功率从50kW提高到150kW，但是即使这样，充电也仍然需要20min左右。当然，我们看到现在欧洲也已经在布局350kW的快充了，但是是否能快速的铺开充电基础设施还需要观察。目前而言，跟加油时间相比，快充技术仍然是个影响电动车普及的重要因素之一。

下表列出了传统汽油车、HEV、PHEV、EV、燃料电池车FCV 、天然气汽车等的一些优缺点，其中，EV在续驶里程、充电时间、成本三个方面的劣势再目前还是大家比较关注的，PHEV、FCV在成本上也是面临挑战。

作为下一代锂离子电池技术，全固态锂离子电池被寄予厚望，它具有更高的能量和功率密度，还具备快速充电特性，电解质也不存在泄漏的隐患，被认为是应用于电动汽车的有力竞争者。

下图对比了几种类型电池的能量、功率密度特性。从图中可以看到，全固态电池在能量和功率特性上超过了如今的锂离子电池。在能量特性方面稍逊于锂硫电池、镁离子电池和锂空气电池等新型电池。回顾固态电解质的研究历史，多种电解质材料都得到了广泛的研究。在2011-2016期间，东京工业大学的Ryoji Kanno教授发现了锂、锗、磷、硫基超离子导体，它们作为固态电解质 的离子导电率都超过液态电解液。2016年， Ryoji Kanno和丰田汽车的Yuki Kato博士等报道了新的超离子导体，实验室的研究数据显示：其中一种Li9.54Si1.74P1.44S11.7Cl0.3材料的离子导电率高达25mS/cm，另一种Li9.6P3S12材料也显示出较高的电化学稳定性(∼0V vs.锂)，试验电池的工作温度范围很宽，在-30~100摄氏度之间，功率特性优于液态电解液的电池，快充性能极好，达到18C，循环寿命在500次容量保持率为75%。当然，这些实验室的研究成果还需要投入很多进一步的研究才能达到产业化的阶段。

在科技转化为商品的发展过程中，通常会用“魔鬼之河Devil's River”、“死亡之谷Valley of Death”和“达尔文海Darwin's sea”来形容从基础研究、产品开发和大规模商业化的几个阶段：

跨越魔鬼之河：需要克服基础研究和应用研究之间的困难和障碍

跨越死亡之谷：需要克服应用研究和商业化的之间的困难和障碍

跨越达尔文海：需要克服产品化和商业化之间的困难和占该，或者寻找新的商业模式

下图概括了锂离子电池跨越上述三个阶段的时间，同时也对全固态电池的阶段进行了预测。全固态电池的研究可以追溯到19世纪70年代，如今经过40多年了，一些新的超离子导体逐步被发现，这使得固态电池有机会逐渐从研究阶段向产品开发阶段推进变得有可能，这就可以看作是跨越了魔鬼之河。当很多人问到全固态电池什么时候可以实现商业化这个问题时，或许用这句话可以概括：它还需要穿越“死亡之谷”和“达尔文海”。正如如今的锂离子电池也是经过十多年才跨越三个阶段，而全固态电池或许还有更长的路要走完剩下的两个阶段，或许还需要10-20年?