電池研究院：電池的長(zhǎng)壽秘訣是什么？

　　我們?nèi)绱岁P(guān)注二次電池的壽命，卻對(duì)汽柴油機(jī)的壽命并不上心。到經(jīng)銷商購車時(shí)，消費(fèi)者基本上不會(huì)問“這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)能用車報(bào)廢嗎？”，畢竟現(xiàn)在已經(jīng)2021年了，誰家車子還準(zhǔn)備開個(gè)100萬里程/30年車齡然后重新吊裝一臺(tái)新發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)去，再開啟下一個(gè)30年？ 

　　嗐，電動(dòng)汽車可就折騰了，請(qǐng)問你買電動(dòng)車的時(shí)候準(zhǔn)備開30年嗎？但凡有盤花生米都不會(huì)醉成這樣……

　　我們都用過大量的鋰離子電池產(chǎn)品，最典型的就是智能手機(jī)，它的電池特性非常接近我們的電動(dòng)汽車：

　　1、只有唯一儲(chǔ)能/供能裝置；

　　2、電池嬌貴得很；

　　3、電池超級(jí)不經(jīng)用，我們因此患上續(xù)航焦慮癥；

　　4、電池充放幾百次就不好用了。

　　這就是我們今天要討論的話題：電池并非紅顏但為何如此薄命？

　　電池的壽命分為循環(huán)壽命與日歷壽命，循環(huán)壽命還能細(xì)分為標(biāo)準(zhǔn)和工況：

　　1、標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命（Cycle Life）：用充放電循環(huán)次數(shù)來計(jì)算電池壽命，當(dāng)電池容量低于額定容量的一定值時(shí)（比如額定的80%以下）就視為電池壽命終結(jié)。

　　由于查看國(guó)標(biāo)官網(wǎng)出現(xiàn)文件錯(cuò)誤的問題，所以用的是其他網(wǎng)站的帶水印截屏。

　　2、工況循環(huán)壽命（Working Condition Life）：多用于動(dòng)力電池，現(xiàn)行的是國(guó)標(biāo)GB/T 31484-2015《電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池循環(huán)壽命要求及試驗(yàn)方法》，按照規(guī)范跑循環(huán)最終得到一個(gè)循環(huán)數(shù)據(jù)結(jié)果。

　　3、日歷壽命（Calendar Life）：生產(chǎn)出來之后到電池罷工的時(shí)間，不是用循環(huán)次數(shù)計(jì)算，而是用年。這些時(shí)間包括電池靜止不工作和正在工作的時(shí)間，所以這個(gè)時(shí)間需要考慮溫度、荷電狀態(tài)、充放電倍率等等外部因素。

　　基于上述信息，因?yàn)槿粘：苌儆玫饺諝v壽命，我們一般會(huì)把“電池壽命”、“電池循環(huán)”、“電池循環(huán)壽命”定義為同一件事物。

　　值得注意的是，我們說的1個(gè)循環(huán) = （一次充滿至100%的過程）+（一次放空至0%的過程）

　　也就是你插上去從30%充到80%又從80%消耗到30%，這只能算0.5個(gè)循環(huán)，重復(fù)多一次才算跑完1個(gè)循環(huán)。

　　循環(huán)壽命用完之后，電池就完?duì)僮恿耍@時(shí)候我們會(huì)說電池壽命EOL（End Of Life）。

　　為什么電動(dòng)汽車用戶關(guān)注電池壽命的強(qiáng)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于智能手機(jī)和筆記本電腦的用戶呢？

　　鋰離子電池循環(huán)次數(shù)多了之后，鋰枝晶慢慢聚集，活性鋰減少，電池容量變得越來越低，充電速度越來越慢，放電功率越來越小，各位的汽車、手機(jī)和電腦上的電就越不經(jīng)用。

　　手機(jī)和電腦還能換電池，去官方服務(wù)店十分鐘弄好，但電動(dòng)汽車就賊麻煩了，脫離汽車單獨(dú)銷售的動(dòng)力電池沒有高額國(guó)家補(bǔ)貼，此外換電過程非常麻煩，畢竟沒有幾臺(tái)在售電動(dòng)車是標(biāo)配換電模式的。

　　一套換電大保健下來，成本居高，保值率極低，還不如直接換車。

　　筆者非常喜歡用索尼D系列的線性錄音筆，索尼喜歡用AA電池來供電，錄音筆用上十年也沒關(guān)系，因?yàn)殡S著AA電池技術(shù)的提升，續(xù)航能力一年比一年厲害。

　　可是電動(dòng)汽車的續(xù)航曲線是完全相反的，一年一個(gè)臺(tái)階往樓下滾，五年基本就是撲街狀態(tài)了，運(yùn)營(yíng)車輛更是兩三年形同廢物。

　　正因?yàn)殡姵貕勖啾绕裼蜋C(jī)壽命而言非常拉胯，二手車商都很忌諱收電車，砸手里的概率太高。別忘了，靜置的電池還會(huì)消耗日歷壽命，而且現(xiàn)在鮮有專業(yè)設(shè)備精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)電池剩余壽命，這就意味著你數(shù)十萬收的這臺(tái)電動(dòng)汽車，里頭最貴的是“薛定諤的動(dòng)力電池”。

　　現(xiàn)在很多車企喜歡拿“每公里能耗價(jià)格”來掩蓋電動(dòng)汽車的成本拉胯事實(shí)，沒有人站出來說電動(dòng)汽車殘值率過低導(dǎo)致“全生命周期的擁車成本過高”之問題。

　　當(dāng)然，筆者并非用循環(huán)壽命的缺陷一味貶低電動(dòng)汽車，我只是想表述一個(gè)客觀事實(shí)：如果你的年行駛里程很高，比如3-5萬公里/年，購買一臺(tái)消費(fèi)級(jí)電動(dòng)汽車大概率更省錢；如果你的年行駛里程很低，一萬幾千公里，那么汽油車是目前更實(shí)惠的選擇。

　　電池壽命過短，缺乏換電模式，電/車分離不補(bǔ)貼，這三個(gè)原因共同促成了電動(dòng)汽車的環(huán)保缺陷。

　　因此，電池配方、電池工藝僵待突破，只有提升電池循環(huán)壽命才能更好地守衛(wèi)電動(dòng)汽車的“環(huán)保”Flag。

　　筆者毫不猶豫地認(rèn)為電動(dòng)汽車的Well-To-Wheel（油井到車輪）效率遠(yuǎn)高于汽柴油車，集中發(fā)電所排放的污染遠(yuǎn)低于汽柴油車自己邊跑邊燒邊排，循環(huán)壽命大增的電動(dòng)汽車必然是未來的環(huán)保主力，但現(xiàn)在一定不是。

　　因?yàn)橛绊懸蛩睾徒鉀Q方案是一一對(duì)應(yīng)的，因此放在同一節(jié)里面解答。

　　二次電池的配方是決定電池循環(huán)壽命的最重要因素。這就如你用紅白兩根蘿卜怎么都整不出佛跳墻一樣，缺了鮑魚、海參、魚唇、杏鮑菇、花菇、墨魚、瑤柱，提鮮全靠腦補(bǔ)滋味？

　　電池配方的事，我們先來說正極。現(xiàn)在多數(shù)電池都是用正極配方來命名的，來呀店小二，上表格：

　　我們現(xiàn)在經(jīng)常聊的三元鋰電池，主要有鎳鈷錳酸鋰電池NCM和鎳鈷鋁鋰電池NCA，其中前者正極里頭的錳Mn元素可以提供穩(wěn)定工作環(huán)境，增長(zhǎng)循環(huán)壽命，但錳不是越多越好的，現(xiàn)在大家都推崇高鎳電池，提升能量密度，鈷的用量比例則是越來越低，畢竟鈷礦貴上天了。

　　鋰離子電池里面，磷酸鐵鋰配方就如開掛阿三一樣存在著。在7年前，有幾家汽車媒體曾經(jīng)給一臺(tái)跑了50萬公里的比亞迪e6深圳出租車（標(biāo)稱續(xù)航300km）做過續(xù)航測(cè)試，測(cè)出來的實(shí)際續(xù)航里程還是挺硬核的。

　　想了解測(cè)試詳情的可以點(diǎn)擊下圖看全文：

　　如今，磷酸鐵鋰電池的整包循環(huán)壽命通常都有2000次甚至更多，有些實(shí)驗(yàn)室的1C循環(huán)壽命可以達(dá)到3500-5000次，寧德時(shí)代在2019年更是發(fā)布了可以循環(huán)12000次的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池產(chǎn)品。

　　此外，鎳氫配方的循環(huán)壽命也非常長(zhǎng)，2000次妥妥的，可惜能量密度實(shí)在太低了，只能作為HEV或者PHEV的動(dòng)力電池，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)BEV的案例不是沒有，但都沒暢銷。

　　更加穩(wěn)定的負(fù)極材料可以延長(zhǎng)電池壽命。當(dāng)我們使用大電流快充時(shí)，負(fù)極晶格面臨過多的活性鋰離子的嵌入動(dòng)作，應(yīng)接不暇之余引起電極處的濃差極化現(xiàn)象，導(dǎo)致局部過熱并讓電極材料被破壞。

　　正負(fù)極的壓實(shí)程度也會(huì)影響電池壽命。雖然電極壓實(shí)可以提升能量密度，但也會(huì)破壞正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)，浸液不充分，并對(duì)電極的穩(wěn)定性和耐用性產(chǎn)生影響。

　　此外，一般設(shè)計(jì)鋰離子電池的時(shí)候都會(huì)讓負(fù)極過量，因?yàn)槌Ｓ玫氖?fù)極一直都是電化學(xué)循環(huán)的短板，如果負(fù)極“過量”不足，活性鋰就會(huì)在負(fù)極表面積聚成死鋰，也即是尖尖的鋰枝晶，弄破SEI膜之后就等短路自燃吧。

　　因?yàn)榛钚凿囌娴谋攘粌和?jié)找你討要禮物的女朋友還活潑，而電解液中的酯類溶劑也很活潑，所以電池穩(wěn)定性不佳。好在有另一種穩(wěn)定性比較好的醚類溶劑用來中和，只是這種醚類溶劑不能無限增加比例，雖然它還有消解鋰枝晶沉積的大優(yōu)勢(shì)，但又會(huì)產(chǎn)生降低電池循環(huán)壽命的副作用，相當(dāng)于在絕情丹上面撒砒霜，讓你吃也不是，不吃也不是。

　　如果是當(dāng)前常用的液態(tài)電解質(zhì)，就會(huì)面臨注液量和保液量的問題。注液量是初始狀態(tài)，注液量不足就會(huì)削減壽命；保液量要看使用時(shí)消耗電解液的速率，保液量不足也有同樣的后果。

　　再者，電解液中的痕量水分可以一定程度上保證電芯的性能，只是水分過多會(huì)阻礙SEI膜的形成，還會(huì)與活性物質(zhì)反應(yīng)并破壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓它折壽。

　　最后說說固態(tài)電解質(zhì)，也就是最近比較熱的固態(tài)電池。當(dāng)前多數(shù)研究都沒有表明固態(tài)電池有循環(huán)壽命的優(yōu)勢(shì)，只是我們一廂情愿認(rèn)為固態(tài)電解質(zhì)比較“穩(wěn)固”比較不容易“被消耗”。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室階段的固態(tài)電池可以達(dá)到1000次以上循環(huán)壽命，最多有吹45000次的（嗐，又是騙風(fēng)投的PPT）。

　　鋰離子電池首次充電時(shí)會(huì)形成SEI膜（固體電解質(zhì)界面），消耗掉大量來自電極材料的鋰離子，雖然降低了內(nèi)部短路風(fēng)險(xiǎn)、防止溶劑分子的共嵌入并提升循環(huán)壽命，但也因此降低了總?cè)萘俊?/p>

　　為此，我們可以通過預(yù)鋰化對(duì)電極材料進(jìn)行補(bǔ)鋰，抵消SEI膜的鋰離子消耗，從而提高電池的總?cè)萘亢湍芰棵芏取?/p>

　　換句人話來說就是：茄子太吸油，所以我們炒茄子時(shí)多放油……

　　預(yù)鋰化技術(shù)有很多個(gè)方向，其中正極補(bǔ)鋰可以使用富鋰化合物、二元鋰化合物等等，負(fù)極補(bǔ)鋰可以使用鋰箔補(bǔ)鋰、硅化鋰粉等等，在此不作展開。

　　熒幕形象“傻大黑粗”如AK-47，耐用性能如此強(qiáng)悍，其實(shí)離不開精密的生產(chǎn)工藝。那些總是出故障的AK47其實(shí)是蘇聯(lián)出口技術(shù)或者小國(guó)直接仿制的二等、三等次品。

　　電池也一樣，如果制造工藝到位了，壽命自然會(huì)長(zhǎng)一大截。

　　鋰離子電池的配方與型號(hào)各不相同，生產(chǎn)工藝流程大體可以分出三段：

　　第一段 電極片的制作：正負(fù)極漿料制備、涂覆、干燥碾壓、極片/隔膜分切

　　第二段 電芯的制作：卷繞/墊片、外殼焊接、封口、注電解液

　　第三段 封裝和檢測(cè)：化成（首次小電流充電）、分選、組裝

　　在以上的工藝流程中，每一個(gè)細(xì)節(jié)都會(huì)直接或間接影響電池的循環(huán)壽命。

　　一塊簡(jiǎn)單的電芯需要受到多達(dá)6個(gè)維度的因素制約：循環(huán)壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區(qū)間、安全、成本。

　　如果成本管夠，很多問題都能迎刃而解，然而現(xiàn)實(shí)中最不可能管夠的必然是成本（狗頭表情），畢竟你造一臺(tái)捷達(dá)那么小的電動(dòng)車出來并要價(jià)50萬，風(fēng)投老板會(huì)讓你手握十八張醫(yī)?？ǘ疾粔蛴谩?/p>

　　因此，制約電池壽命的因素中必嚴(yán)肅考慮成本，而這可以通過增大批量降低單價(jià)來實(shí)現(xiàn)，然而訂單量并非你想增就想增的。因此整個(gè)小節(jié)聊的都是正確的廢話，打住吧。

　　別看電池長(zhǎng)得如此木訥，這玩意感情豐富得很，太熱受不了，太冷受不了，充多了不行，放多了不妥，比老佛爺還難服侍。

　　高溫對(duì)電池壽命是有影響的，高溫會(huì)讓電池內(nèi)部很不舒適，可充電/可放電的量減少，充/放電的速度降低，嚴(yán)重的情況還會(huì)造成電解質(zhì)和極片反應(yīng)，電池壽命會(huì)減少。

　　這只是慢性自殺，還有一招急性的，這時(shí)候我們要提一下電池領(lǐng)域的三個(gè)溫度：T1 自生熱起始溫度、T2 熱失控引發(fā)溫度、T3熱失控最高溫度。T2是一個(gè)很關(guān)鍵的溫度，其機(jī)理在學(xué)界還沒研究透徹（摘自歐陽明高院士演講稿）。

　　當(dāng)然，因?yàn)橛?a class="cmsLink" target="_blank">冷卻系統(tǒng)的存在（風(fēng)冷或者液冷），且電池?fù)Q能效率特別高（熱效率高于95%不少，不像內(nèi)燃機(jī)那么弱雞），電池沒那么容易到達(dá)T2。

　　這時(shí)候最魔幻的事情來了：負(fù)極的析鋰效應(yīng)可以大幅度降低T2。

　　如果此時(shí)正在使用快充，而且是在熱辣辣的環(huán)境下使用快充，電池發(fā)熱量高且不均勻，內(nèi)部一不小心達(dá)到T2熱失控引發(fā)溫度就完?duì)僮恿恕?/p>

　　同理，電池也很不喜歡低溫，活性物質(zhì)不活潑了，電解液不開心了，正負(fù)電極不積極了，大家都選擇躺平。

　　在低溫前提下使用大電流充電，負(fù)極剛開始工作就涌入過多活性鋰，此時(shí)電池內(nèi)部活性物質(zhì)很慵懶，突然硬上完全不合理的KPI，換誰都受不了，脆弱的負(fù)極生態(tài)被沖得七葷八素，現(xiàn)場(chǎng)混亂，死鋰（鋰枝晶）接連誕生。

　　鋰枝晶生成的速度，就是電池死刑判決書下達(dá)的時(shí)間表。

　　既然說到鋰枝晶，我就把自己之前羅列的鋰枝晶生成原因再說一遍吧：大電流充電、充電時(shí)的局部過熱、低溫大電流充電、過充電、過放電、鋰離子通量不均勻、負(fù)極表面不平整、負(fù)極容量不足、充電次數(shù)過多

　　如果充電方式正確，可以一定程度上給電池延壽：

　　A、使用正規(guī)廠家的充電樁產(chǎn)品，保持電壓電流穩(wěn)定。由于我國(guó)電網(wǎng)穩(wěn)定性非常強(qiáng)，所以充電出了問題請(qǐng)謹(jǐn)慎甩鍋給國(guó)家電網(wǎng)。

　　B、可以的話，淺充淺放可以大幅度提升循環(huán)次數(shù)，只是對(duì)于BEV電動(dòng)汽車而言非常不友好，你不能每次都只用20%-80%之間的60%對(duì)吧？豐田給HEV用的鎳氫電池就是利用極為謹(jǐn)慎的淺充淺放，做到10年以上數(shù)十萬公里級(jí)別的使用壽命。

　　C、盡量避免長(zhǎng)時(shí)間的高SOC涓流充電。大家應(yīng)該有注意到，現(xiàn)在使用的超級(jí)本為了隨時(shí)都達(dá)到最大續(xù)航，多數(shù)都不能自主調(diào)整充電斷開閾值的，因此長(zhǎng)期插電用的超極本，電池衰減都比較嚴(yán)重，長(zhǎng)期保持高SOC就是問題所在。

　　D、未來可以使用L4或L5級(jí)別的無人駕駛技術(shù)，配合無線充電設(shè)備使用，制定淺充淺放的充放電策略，電池壽命會(huì)因此延長(zhǎng)。

　　除了磷酸鐵鋰配方之外，多數(shù)鋰離子電池都很怕過放電，放電深度越接近0%，對(duì)電池的損害越大，相當(dāng)于人體餓太久會(huì)折壽那樣。

　　電池壽命里面有日歷壽命，多數(shù)鋰離子電池都很怕長(zhǎng)期SOC過低靜置，活性物質(zhì)會(huì)撲街，電池結(jié)構(gòu)會(huì)撲街。

　　一旦重新啟用，喚醒電池時(shí)必須涓流充電，不然又會(huì)引發(fā)一波鋰枝晶生長(zhǎng)浪潮，折壽啊。

　　振動(dòng)/擠壓/碰撞/火燒等，這些字面意思就懂的東西不用展開了。

　　當(dāng)電池容量降至額定容量的70-80%以下，就不適合用作動(dòng)力電池了。我國(guó)一年回收動(dòng)力電池的總量達(dá)到20萬噸，如果把這些電池全拆解了，將是極大的資源浪費(fèi)。

　　電池環(huán)保事業(yè)的最大公約數(shù)是 —— 先梯次，再拆解。

　　在正規(guī)的回收渠道中，廢舊動(dòng)力電池在檢測(cè)判斷為滿足梯次利用條件之后，主要被用作以下用途：

　　1、大容量?jī)?chǔ)能裝置：天生大容量的動(dòng)力電池包可用作組建太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能裝置，成本是全新鋰電池的20%左右（根據(jù)住友商事公布的數(shù)據(jù)），2011年國(guó)家電網(wǎng)與比亞迪就有這樣的合作項(xiàng)目。

　　2、低速車輛供能：給動(dòng)力/續(xù)航需求較弱的電動(dòng)車輛使用，比如高爾夫球車、園區(qū)通勤車、廠區(qū)AGV自動(dòng)駕駛運(yùn)輸車等。

　　3、基建設(shè)施供能：給通訊基站、路燈等裝置當(dāng)儲(chǔ)能裝備，目前包括北汽新能源、長(zhǎng)安在內(nèi)的10余家車企已和中國(guó)鐵塔達(dá)成合作。

　　4、UPS不間斷電源：通用汽車曾用5組雪佛蘭Volt廢舊電池組建家庭備用電源，滿電后可供3-5個(gè)美國(guó)普通家庭在斷電后再使用2小時(shí)。同理，用在企業(yè)用途上亦可。

　　動(dòng)力電池真的非常不好服侍，吃太飽會(huì)折壽，吃太快會(huì)折壽，吃太久會(huì)折壽，餓太久會(huì)折壽，太熱會(huì)折壽，太冷會(huì)折壽，左右振動(dòng)會(huì)折壽，上下振動(dòng)會(huì)折壽，吃的次數(shù)太多會(huì)折壽，吃的間隔太長(zhǎng)會(huì)折壽……

　　反正這篇文章重復(fù)最多的短語就是電池會(huì)折壽。

　　嗐！

　　但汽車工業(yè)的電氣化之路真的不可逆，而我們不會(huì)因噎廢食，解決電池循環(huán)壽命的技術(shù)瓶頸正在逐個(gè)被突破，10年以內(nèi)我們有望得到性價(jià)比高于汽柴油車的電動(dòng)汽車產(chǎn)品，或者20年之后的動(dòng)力電池壽命將不輸汽油機(jī)。

（圖/文/攝：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂）