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做电池最难的一关,是起名字|技术流

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autocarweekly 2021-11-30 12:42

文 | 嗷嗷胡

刀片电池、弹匣电池、琥珀电池、大禹电池、811电池、523电池、4680电池、NCM电池、NCA电池、大模组电池、CTP电池、CTC电池、掺硅补锂电池、高镍电池、无钴电池、钠离子电池、锂金属电池、固态电池、固液混合电池、南孚聚能环电池……

请在不百度不求助的前提下,答出以上每种电池名字之来由,最后一个不加分。

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比亚迪“刀片电池”

广汽埃安“弹匣电池”

蔚来“固态电池”

不知道从什么时候开始,做电池变得很像生孩子:怀胎十个月难不住大家,最后为起啥名字挠破头。具体作品表现如何,还不是多么紧要;可名字一旦没起好,“楚中天”也会变成“林蛋大”。

这是一门艺术,更是一门技术。

有走形意派的,你看这个电池它又扁又长,就像那个刀片它又长又扁,于是有了“刀片电池”;有打心理学的,虽然“弹匣”从来与“防弹”无关(那不是防弹衣的事儿么),但不影响群众印象里军工相关都很硬,于是有了“弹匣电池”;有搞意识流的,你看我们这个定向排爆设计,像不像千年前大禹治水疏而不堵,于是有了“大禹电池”……

为了让你能记住自家电池,文理工商农医法,全招呼上了。

至于什么811/523、4680、固态/半固态、CTP/CTC这类纯技术性质的命名,就不是普通消费者仅靠生活常识就能融会贯通了。于是当来自技术角度的“客观称呼”,与前面厂商们的“主观命名”混杂在一起,混合叠加之下别说消费者了,从业人员看一遍也只觉头大。

电芯封装:刀片、4680

还是先从最简单、最熟悉、最好理解的说起。

比亚迪的“刀片电池”,实际上代表了三层含义:磷酸铁锂(电芯化学配方)、扁长形(电芯封装形态)、CTP(电芯成组方式)。而刀片这个名字,只是来自其中的电芯物理形态(长得像刀片)。理论上讲,倘若不是比亚迪使用在先(并绑定了更多含义),任何长条形电芯其实都可以叫“刀片”。

与(仅限定物理形态的)“刀片”类似的,还有大家听了好多年的18650、21700(2170)电池。比如“18650”,代表“直径18mm、高度65mm”的圆柱形(最后一个0)电芯。当你看到这样一串数字,就知道这个电芯长什么样。

所以互联网一度流传着“特斯拉电池和充电宝一样”的低智说法,其实“一样”的只是个物理规格而已。就好比我的脚是42码,梅西的脚也是,我也不好说我有一双和梅西“一样”的脚……

4680是特斯拉最新一代电芯的物理规格:直径46mm、高度80mm、圆柱形。未来几年它会越来越频繁出现,直到实车上路。不难看出从1865到2170再到4680,圆柱电芯的单体尺寸在变大。

除了这些圆柱电芯,目前电动车更常用的是所谓方形电芯和软包电芯。由于直径/高度有固定的组合,圆柱电芯基本都是“有名字的”。而后两者则多“默默无闻”,像“刀片电池”就是方壳中的一个特例。

圆柱、方壳、软包

这一类名字,本身仅代表着物理形状、尺寸、规格。但因为其中某些名字是与其他技术相伴而生的,这才让它们有了更多其他含义。比如“刀片电池”与磷酸铁锂、CTP绑定了,比如特斯拉的4680与CTC(后面说)绑定了。

电芯成组:大模组、CTP

“大模组电池(电池包)”和“CTP电池(电池包)”是近来越来越常见的名字,它们已实现了实用化、装车、量产,正在逐渐走向主流的过程中。

众所周知,电芯(Cell)是组成一整个电池包(Pack)的最小单位;在之前,二者间通常有一个中间层级,即模组(Module)。模组的大小是一个相对而非绝对概念,不存在“多大的模组才算大模组”这样的问题。

电芯-模组-电池包

大模组的潜台词,是模组数量更少,单个模组内的电芯更多(小模组自然反之)。在今天,模组最主要的作用就是提高安全性。在同样电芯的情况下,模组更大意味着模组数量更少,模组间的间隔导致的空余空间更少,整个电池包的体积能量密度也就更高。

但大模组化,单个模组内的电芯数量也更多,单个电芯出问题可能波及到更多电芯。说白了,这是一个“同样数量鸡蛋分多少个篮子装”的问题。

所以大模组电池,需要电芯单体的安全性更高、电池包的安全措施更严密作为保证。把模组做大本身不是难事,让大模组电池保持安全性才是难关。

荣威的大模组电池包,可见只有6个模组

奥迪e-tron参数图片),典型的小模

大模组发展到极致,就是去掉模组这个中介。相当于整个电池包即是唯一的模组,一个个电芯直接组成电池包,即CTP(Cell-to-Pack)技术。

作为大模组的极端化形态,CTP电池包对安全性要求更高。所以最早的CTP电池包都使用相对更安全的磷酸铁锂电芯,最典型的还是比亚迪“刀片电池”。宁德时代的三元锂CTP电池包则接近装车,如蔚来的100kWh电池包、75kWh混装电池包。

特斯拉以4680电芯为基础的下一代电池系统,其实也是CTP无模组电池包,只不过这一点被更具突破意义的CTC技术所囊括在内了。

特斯拉4680电池包,可见已无模组

整包技术:弹匣、大禹、琥珀

虽然“弹匣”与“刀片”齐名,或者说是目前最接近刀片知名度的电池系统,但实际上二者之得名完全不是一码事。“刀片”直接得名于前所未有的物理形状(尽管成为专有名词后,有了更多含义),而“弹匣电池”则很显然并非“长得像弹匣”。

这是一个很概念化的命名。广汽埃安说“将电池置于安全舱,型似‘弹匣’”,但问题这么解释的话,有哪一家的电池系统不是“将电池置于安全舱”呢?更何况,枪械弹匣的主要作用也不是防止内装子弹爆炸。能不能是一回事,人弹匣就没这任务。

所以说弹匣电池是一个更具包装色彩的命名,你可以理解为广汽埃安将一系列电池安全技术打包,并冠以一个好懂好记的名字。鉴于形态上(与几乎所有电池一样)有“包围”电芯的效果,于是想出了形似而神不似的“弹匣”作为名字——我猜这个宣发团队里应该并无军迷,否则估计忍不了“弹匣防炸”这个逻辑bug。

以上评价仅针对其命名,并不涉及电池的性能表现。

到了长城的大禹电池,这样单纯“起个名字”的概念式命名更加显而易见——很显然电池怎么也不可能像大禹(人类)。显然长城也并不掩饰这一点,大禹电池的命名来自其“变堵为疏”的防爆设计理念。最“大禹”之处,是设计了多个定向排爆通道,发生热失控时将燃爆导出电池外部。

“弹匣”和“大禹”在命名方式上很相似,尽管广汽埃安对弹匣电池有形态上的解释,但这种解释略显牵强,而与大禹电池更接近的概念意味更浓。作为概念化命名的电池系统,二者主要的特点多在整个电池包(Pack)层面:设计隔热材料、改进冷却系统、设置防爆阀等等。

或者不妨这么理解,弹匣/大禹电池假如换上“刀片”电芯,就成了“使用‘刀片电池’的‘弹匣/大禹电池’”。

也并不是所有整包层面的技术,就只能以概念化方式命名。岚图的琥珀电池,得名于其电池包内填充了隔热材料,让每单个圆柱电芯处于单独保护下,以防范热扩散。这种“因形得名”的方式比“弹匣”更像“刀片”,尽管二者的主要技术点完全不同:像“琥珀”的是电池包内构(隔热胶),像“刀片”的是电芯。

特斯拉展示的CTC概念图

CTC即Cell-to-Chassis,被归为电池整包技术,其实稍稍有些牵强。因为CTC已经不存在独立的“电池包”,电池壳体与车辆底盘/下车体是整合在一起的。这已经延伸到电池系统之外,涉及到车身结构的改变,也可以认为是电动车白车身设计的一部分。

特斯拉使用4680电芯的下一代电池,即采用了CTC结构。Cell-to-Chassis,而不是Cell-toModule-to-Chassis,所以前面说CTP概念是被CTC包含其中的,既然CTC了那肯定是CTP。CTC将电芯与车身之间的结构减少了整整一层,可以显著减少整车重量,进而改善性能增加续航。

使用4680电芯CTC电池的Model Y

特斯拉的CTC电池包前不久在德国工厂做了展示,量产大概就在近一两年。大众也宣布将在下一代电动平台应用CTC技术。宁德时代也宣布了CTC开发计划,但由于CTC涉及到白车身整合,对于电池供应商可能并非易事。

电极材料:高镍无钴、掺硅补锂

熟悉电动车的读者,应该对磷酸铁锂、三元锂很熟悉了,也应该知道三元锂的两种主流配方NCM镍钴锰和NCA镍钴铝,还可能知道NCM有5:2:3和8:1:1两种“经典配比”(镍:钴:锰),前者更稳妥后者更激进。

这里的磷酸铁锂、NCM与NCA,指的都是电池正极的材料。无论“铁锂”还是“三元”,无论是NCM三元还是NCA三元,目前的负极材料大多都是石墨,电解质(电解液)则是含有锂盐的有机溶剂。

发展潜力更足的三元锂,眼下的趋势是提高镍含量、降低钴含量(从523到811的发展就能看出)。所以出现了所谓高镍电池、低钴电池乃至无钴电池,这些描述的都是电池正极材料,只是不像“523”“811”那么具体到比例。

镍是提高能量密度的关键,但过高的镍含量会带来稳定性和循环寿命方面的难题。与之相对应的,钴的作用是抑制镍离子导致的混乱,从而提高稳定性与延长使用寿命。同时,钴是一种有毒的稀有金属,不仅价格昂贵产量受限,并且开采中的人权问题一直是世界级难题。

高镍电池的难点是镍含量提升后的电池稳定性,而无钴电池则需要寻找其他手段比如纳米级的微观结构,代替钴来行使提高稳定性、延长寿命的作用。

特斯拉一直在致力于降钴乃至去钴化,其目标是在下一代产品将钴含量降到仅3%。而真正意义上的无钴电池,目前是长城旗下的蜂巢能源抢先一步量产装车。

蜂巢能源无钴电池包

至于负极材料,最近的趋势是掺硅,对,“掺硅补锂”的那个掺硅。因为目前最常用的碳负极已经接近其能力上限,成为锂电池提升能量密度的短板,而硅的克容量(决定放电能力)超过碳10倍有余。但硅存在充放电体积变化太大的问题,所以目前的做法是逐步提高碳硅负极中的硅含量。

更激进的举措是将石墨负极改为锂金属单质,即锂金属电池。这是一种尚未投入量产的未来电池技术。

锂金属电池不是个新鲜词,但以前的锂金属电池属于一次性电池,而非充电电池。这是因为在充电时,金属锂会在负极沉积产生不规则的枝晶,枝晶生长会有刺破电池外壳、漏液、短路的危险。

锂枝晶是个大难题

但另一方面使用锂金属代替石墨作为负极,大大增加了在放电过程中负极能够提供的锂离子(毕竟整块都是锂),这对于提高能量密度有显著的效果。在这种诱惑下,还是有人投身锂金属电池,比如SES使用特殊的混合电解质来解决枝晶问题,让尖锐的枝晶生长转变为密集沉积。

SES刚刚展示的锂金属电池样品,单体能量密度达到了惊人的417Wh/kg,这已经达到了未来固态电池的目标能量密度。并且锂金属电池改变的只是负极和电解质,在正极材料和电解质固液形态上仍有空间。

电解液:固态与半固态

听起来就很科幻的固态电池,大概是出现频率最高的“未来电池”品类。就连常年diss电动车的丰田章男,也曾表示自己并非不看好电动车,而是不看好液态电解质的锂电池,需要等固态电池就位。

现在我们能买到的电动车,无论磷酸铁锂还是三元锂,无论刀片还是弹匣,无论NCM811还是无钴,无论圆柱还是方壳,无论2170还是4680……无一例外,其中的电解质通通都是纯液态(电解液)。

液态、固态的电解质

液态电解液存在着很多麻烦——绝大多数东西,液态都是比固态要麻烦,比如火箭燃料。只要是液体,就存在泄露的风险,电解液泄露导致的短路风险,一直是各大厂商研发电池系统时重点考虑的。

液态电解质使用的有机溶剂通常是可燃性的,而固态电解质则要安全得多(并且不易泄露),这就有了提升能量密度的前提,电池发展一直都在能量密度和安全稳定之间徘徊。另外固态电池的体积更紧凑,允许使用锂金属电极(SES锂金属电池就是固液混合电解质),进一步推升了能量密度。

但固态电池距离实用化依然还早,主要的难题是固态电解质的导电率、快速充电能力和生产成本等等。目前的主流观点是要到2025年之后,固体电池才会真正成熟。在这之前,只有固液混合的半固态电池可能更早实用化。

蔚来的固态电池并非全固态

蔚来随ET7发布、宣称2022年四季度装车的所谓固态电池,后来被证明是仍存有部分液态电解质的固液混合态,即半固态电池。智己汽车的所谓“掺硅补锂”,本质上也带有部分半固态电池的特点。

与以上所有基于锂元素的电池比起来,宁德时代今年发布的钠离子电池是个全然不同的开始。作为一种全新意义上的充电电池,目前还处在比较初级的阶段。锂作为分子质量最轻的金属材料,是当之无愧的最佳电池材料,而钠的分子质量仅重于锂。

钠离子电池的目标并非三元锂,而是指向能量密度已经基本到顶、同样在成本方面有优势的磷酸铁锂电池。既然都是走性价比路线,储量丰富价格低廉的钠,长远来讲,或许比价格水涨船高、矿产依赖进口的锂要有优势。但眼下,钠离子电池还处在一个比较初级的阶段。

钠离子电池的目的并不是替代锂电池

电池的名字实在太多了,篇幅不够用,本人脑子也快不够用了。

这其中有些是客观事实,实实在在的新技术自然会带来新名字;有些则是主观意志,用简单好记的名字来打包概括自己的卖点。有些让人眼前一亮,好奇心求知欲爆棚,有些让人脑袋一大,你呀总能给我出点新花样。

偏偏市场的认知是,好名字不是万能的,但没有一个好名字是万万不能的。消费者永远是热衷于把问题总结化,更希望得到一个直接的“A or B”回答,甚至哪怕A和B根本不是可比对象。刀片好还是弹匣优?特斯拉4680和蔚来固态谁更强?都是无法回答、根本不成问题的问题。

尽管有效果不错的案例在前,但并非只要依样画葫芦就会有收效。概念化的打包命名是一把双刃剑。如果拿捏得当,第一眼简单易懂,回过头又让人心领神会,加强记忆;但如果牵强附会,第一眼是不知所谓,看穿了只剩一句:就这?

比没有一个好名字更差劲的,是空心化的为了命名而命名。

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