2020年1月，在中國(guó)電動(dòng)汽車百人會(huì)上，比亞迪宣布將在3月推出“刀片電池”，體積能量密度比傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池提升50%，并將應(yīng)用于全新轎車比亞迪“漢”車型上，其續(xù)航將超過(guò)600公里（NEDC）。

之后比亞迪股價(jià)連日上漲，引發(fā)網(wǎng)絡(luò)大量討論，不過(guò)并未引起太大轟動(dòng)，尤其是筆者，并未感到有什么特別之處。

2020年3月底，比亞迪召開(kāi)了“刀片電池”線上發(fā)布會(huì)，稱傳統(tǒng)的電池包的空間利用率只有40%，“刀片電池”的電池包的空間利用率可以達(dá)到有60%以上，可以大大提高續(xù)航。

且由于空間利用率提高，使得單電芯能量密度為180Wh/kg的“刀片電池”，裝配成電池包后系統(tǒng)能量密度為140Wh/kg，從而滿足了比亞迪“漢”車型能夠搭載上549kg重的77kWh電池包，實(shí)現(xiàn)605公里續(xù)航（NEDC）。

不過(guò)這些，對(duì)比現(xiàn)在大量采用的三元鋰電池來(lái)說(shuō)，算不上什么優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楝F(xiàn)階段三元鋰電池單電芯密度可達(dá)200-300Wh/kg左右，組裝成電池包系統(tǒng)后在160-200Wh/kg左右。

真正令網(wǎng)友沸騰和網(wǎng)絡(luò)熱議的在于接下來(lái)比亞迪播放的三個(gè)視頻片段，分別是：某三元鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)、某磷酸鐵鋰電池針刺實(shí)驗(yàn)、“刀片電池”針刺實(shí)驗(yàn)。

播放完視頻，結(jié)果一目了然：“刀片電池”通過(guò)了“動(dòng)力電池最嚴(yán)苛的針刺測(cè)試”，相比之下，某三元鋰電池劇烈燃燒、某磷酸鐵鋰電池泄露高壓高溫氣體。

“刀片電池”的明與暗

比亞迪“刀片電池”的針刺測(cè)試視頻一出，引起了人們對(duì)磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的爭(zhēng)相討論，從一開(kāi)始的技術(shù)原理分析一路演變?yōu)橄嗷セ鞈?zhàn)，由此引發(fā)了筆者的好奇之心，決定研究一番。

無(wú)論如何爭(zhēng)議，都需要弄清楚幾個(gè)既定的事實(shí)，否則就毫無(wú)意義。

首先，“刀片電池”是磷酸鐵鋰電池（LFP，LiFePo4），最早是由古迪納夫（2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一）發(fā)明的，于1996年德州大學(xué)代表古迪納夫?qū)嶒?yàn)室向美國(guó)申請(qǐng)了專利（WO1997040541）。不過(guò)之前日本NTT公司曾派遣一位研究員岡田協(xié)助古迪納夫研究，后在2015年搶先在日本當(dāng)?shù)赜?995年注冊(cè)了專利，后續(xù)專利之爭(zhēng)還有很多故事，這里不多贅述。

注：鋰電池，準(zhǔn)確講是鋰離子電池，由于各種鋰電池負(fù)極材料大多類似，所以皆由正極材料作為命名方式。即磷酸鐵鋰電池的正極為磷酸鐵鋰化合物。

其次，磷酸鐵鋰具有“天生”的優(yōu)點(diǎn)。

磷酸鐵鋰的循環(huán)性能好，即循環(huán)壽命長(zhǎng)。鋰電池電量衰退的原因有很多，但與正極材料相關(guān)的主要是充放電過(guò)程中正極材料結(jié)構(gòu)“晶格塌陷”，造成結(jié)構(gòu)破壞，從而使得一部分正極材料失活。而磷酸鐵鋰化合物從分子結(jié)構(gòu)上相較于鎳鈷錳化合物穩(wěn)定很多，NCM分子是類似“千層餅”形狀，鋰離子從兩層之間流動(dòng)，而LFP分子則是“橄欖石”形狀，鋰離子游走于三維結(jié)構(gòu)縫隙中。即LFP分子結(jié)構(gòu)中即便鋰離子“離開(kāi)”，剩下類似FePo4的結(jié)構(gòu)也相對(duì)穩(wěn)定，而NCM則相對(duì)不穩(wěn)定。（三元鋰電池循環(huán)壽命在1500~2000次左右，磷酸鐵鋰則能到4000次左右）

（NCM與NCA結(jié)構(gòu)類似）

另外安全性高，磷酸鐵鋰化合物本身的分解溫度在700~800度左右，遠(yuǎn)高于三元鋰化合物的200~300度，所以理論安全性高很多；且三元鋰電池在發(fā)生“熱失控”時(shí)，會(huì)釋放氧氣，從而進(jìn)一步加劇反應(yīng)劇烈程度，而磷酸鐵鋰化合物中P-O鍵穩(wěn)固，難以分解從而杜絕氧氣形成，避免連鎖效應(yīng)。

最關(guān)鍵的，雖然早期磷酸鐵鋰電池由于其結(jié)構(gòu)原因，充放電效率較低（形象的說(shuō)法就是由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定導(dǎo)致鋰離子活動(dòng)自由度不高），但隨著包碳技術(shù)（法國(guó)世界級(jí)鋰電科學(xué)家米歇爾·阿爾芒發(fā)明，并后來(lái)與古迪納夫一起申請(qǐng)了專利，MichelArmand），以及納米化材料工藝的技術(shù)，現(xiàn)在磷酸鐵鋰電池的充放電性能（即功率）不比三元鋰電池差。

最后，磷酸鐵鋰電池同樣具有著“先天性”缺點(diǎn)。

磷酸鐵鋰電池能量密度低，單電芯目前最頂端也就剛摸到三元鋰電池的一般水平。原因在于相比于三元鋰來(lái)說(shuō)容量低（多少多少Ah），且電壓低（三元大多在4V以上，磷酸鐵鋰在3.4V左右），能量即是容量乘以電壓（多少多少Wh）。

低溫性能差，相比于三元鋰在-20度擁有70%左右的容量，磷酸鐵鋰則僅有50%左右。主要原因仍在于其正極材料的結(jié)構(gòu)，雖然前面提到通過(guò)包碳以及納米材料等技術(shù)，提高了該結(jié)構(gòu)下鋰離子自由度。但在低溫下，仍無(wú)法解決該問(wèn)題。

測(cè)量電量（SoC，State of Charge）較難，由于磷酸鐵鋰電池的電壓在放電時(shí)較為穩(wěn)定，所以如果BMS（電池管理系統(tǒng)）做的不好，很可能顯示還有10%電量，瞬間就變?yōu)?%了。由此導(dǎo)致的問(wèn)題不僅僅是使用端的不方便，更多的是如果無(wú)法很好檢測(cè)電芯數(shù)據(jù)，則更加無(wú)法良好的管理充放電策略，從而使得電池壽命減少甚至發(fā)生鋰枝晶現(xiàn)象導(dǎo)致短路。

不過(guò)，無(wú)論是磷酸鐵鋰還是三元鋰，其“天生”的優(yōu)缺點(diǎn)是行業(yè)共識(shí)，也是所有研究人員心里都清楚的部分。很顯然，在電動(dòng)汽車開(kāi)辟個(gè)人市場(chǎng)階段，最大的門檻一直都是“續(xù)航焦慮”，如果這一關(guān)都無(wú)法通過(guò)，那么其他所有的“優(yōu)點(diǎn)”都會(huì)消失不見(jiàn)。所以，相對(duì)安全但容量低的磷酸鐵鋰電池，一直以來(lái)都是被公共交通和城市特殊車輛所采用（當(dāng)然還有很多便攜工具電器），而乘用車則距離磷酸鐵鋰越來(lái)越遠(yuǎn)。

但是市場(chǎng)中有兩大因素“期許”著磷酸鐵鋰的歸來(lái)：一是三元鋰電池的核心材料成本越來(lái)越高，導(dǎo)致電池成本想進(jìn)一步下降難上加難；二是人們對(duì)于安全性的要求愈來(lái)愈高，例如中保研對(duì)買車的影響。

解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵點(diǎn)，就在于如何彌補(bǔ)磷酸鐵鋰的“缺點(diǎn)”，突破“續(xù)航焦慮”這個(gè)門檻。

比亞迪的答卷

磷酸鐵鋰第一個(gè)要面對(duì)的問(wèn)題就是能量密度，但是單電芯的能量密度受到材料本身限制，想要進(jìn)一步突破并非不可能，而是短暫時(shí)間想要實(shí)現(xiàn)非常難；所以顯而易見(jiàn)只能提升電池包系統(tǒng)能量密度，即從電池包結(jié)構(gòu)入手。

電動(dòng)汽車所需的電壓高達(dá)幾百伏，所以鋰電池基本都是由諸多電芯串聯(lián)和并聯(lián)組合起來(lái)，先形成模組，然后裝進(jìn)電池包。不過(guò)加上線路布置、溫度控制系統(tǒng)、電池包保護(hù)材料、電池包框架結(jié)構(gòu)，甚至還有將BMS系統(tǒng)囊括其中；導(dǎo)致雖然電芯能量密度很高，但是組裝成車輛能用的電池包，其系統(tǒng)能量密度大幅下降。（電芯-模組-電池包）

比亞迪采取的策略為：

1.通過(guò)“壓扁、拉長(zhǎng)”電芯提高單體能量總數(shù)，以減少單位體積內(nèi)放多塊電池引起的空間浪費(fèi)。

2.“扁長(zhǎng)”型電池由于接觸面積大，溫控系統(tǒng)可以稍簡(jiǎn)單些也能滿足，進(jìn)一步減少空間使用。

3.通過(guò)將電池的電極布局在兩端，減少布線麻煩和Z軸空間浪費(fèi)，再進(jìn)一步提高空間利用。

這一套策略下來(lái)，便使得單電芯能量密度并不算高的“刀片電池”，通過(guò)CTP（電芯-電池包，Cell-To-Pack）方式，從而提升了系統(tǒng)能量密度，才敢于三元鋰電池包“叫板” 。

雖然本質(zhì)上說(shuō)，“刀片電池”并沒(méi)有在電池材料本身有跨越性突破，但就目前整個(gè)行業(yè)的發(fā)展方向來(lái)看，這套結(jié)構(gòu)升級(jí)不僅是整體趨勢(shì)，且是目前提高系統(tǒng)密度的最優(yōu)解。例如寧德時(shí)代的CTP結(jié)構(gòu)，特斯拉從Model S的11個(gè)模組電池包，到Model 3的4個(gè)模組電池包。

然而到這個(gè)階段，“刀片電池”只解決了“先天”能量密度問(wèn)題，并沒(méi)有解釋清楚磷酸鐵鋰另外兩個(gè)“先天”問(wèn)題的解決辦法。

所以就有了筆者參觀比亞迪電池工廠一事。

意料之外，情理之內(nèi)

比亞迪“刀片電池”在重慶壁山弗迪電池公司生產(chǎn)（2020年3月從“比亞迪電池”更名而來(lái)），該公司于1998年成立。

參觀工廠第一件事就是到現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)一番前文提到的三種電池針刺測(cè)試；當(dāng)然，結(jié)果仍舊一樣，不過(guò)稍有不同的是，筆者得以親眼所見(jiàn)整個(gè)過(guò)程，以及按照國(guó)標(biāo)要求，針刺過(guò)后保留一小時(shí)后的電池狀態(tài)。

隨后的亮點(diǎn)集中在“刀片電池”生產(chǎn)中采用“堆疊”工藝所克服的難題：長(zhǎng)尺寸的雙面涂布工藝和快速疊片技術(shù)（后者可能牽扯機(jī)密并未展示）。

這里補(bǔ)充一點(diǎn)知識(shí)，圓柱形電池采用的是卷繞工藝，方型電池則會(huì)采用卷繞和疊片工藝；其中疊片工藝的難點(diǎn)在于裁切、快速疊片以及后期封裝，所以從生產(chǎn)角度較困難且成本不低，尤其是如此長(zhǎng)尺寸的電芯。

這一點(diǎn)，給予比亞迪技術(shù)上的肯定，尤其是相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備都是自研自產(chǎn)的。

接下來(lái)盡管比亞迪在關(guān)于“刀片電池”安全性上，花費(fèi)了大量時(shí)間和篇章去講解，但磷酸鐵鋰電池本身具的“先天”優(yōu)點(diǎn)，足以支撐其完成三元鋰電池都能通過(guò)的測(cè)試（擠壓、高溫、過(guò)充、電池包熱擴(kuò)散）。

筆者所有的關(guān)注點(diǎn)都在低溫性能和SoC測(cè)量方法，不過(guò)得到的答案有點(diǎn)“意料之外”。

首先是低溫性能，比亞迪并沒(méi)有明確說(shuō)明通過(guò)何種方式實(shí)現(xiàn)的磷酸鐵鋰低溫性能，只是說(shuō)“材料的性能有所提升、熱管理的加熱”；乍一聽(tīng)似乎并沒(méi)有想象中的“黑科技”，但比亞迪給出的官方測(cè)試數(shù)據(jù)，卻比較驚人。

“刀片電池包”在0度和-10度環(huán)境溫度時(shí)，充電速度比NCM811三元鋰電池稍慢一些；-10度時(shí)低電量下“刀片電池包”充電速率也低于NCM811，不過(guò)在低溫高電量時(shí)，充電速率高于NCM811.

最讓人驚訝的是，“刀片電池包”在-10度和-20度時(shí)，電池包容量能保持在90%，且低溫低電量時(shí)，放電功率高于NCM811。

當(dāng)然充電功率前文提過(guò)，在目前包碳、納米材料等技術(shù)支持下，磷酸鐵鋰充放電速度已經(jīng)不是劣勢(shì)。

不過(guò)當(dāng)我提問(wèn)關(guān)于“SoC計(jì)算測(cè)量方式”時(shí)，比亞迪人員稱“我們已經(jīng)攻克了磷酸鐵鋰BMS中SoC的計(jì)算方式，已經(jīng)不再是問(wèn)題”。

之所以稱答案為“意料之外”，是因?yàn)榱姿徼F鋰難以克服的缺點(diǎn)比亞迪都攻克了，但得到的具體技術(shù)解釋有些“情理之中”。

筆者猜測(cè)可能是比亞迪不愿意向一個(gè)編輯解釋過(guò)多的技術(shù)細(xì)節(jié)，又或者是不愿意在這樣的情況下直接對(duì)外公布“機(jī)密”，不過(guò)其真實(shí)的原因就不得而知了。

磷酸鐵鋰電池想要提升低溫性能，逃不出納米化材料的應(yīng)用、正極材料添加導(dǎo)電物質(zhì)、采用顆粒球化技術(shù)、調(diào)整電解液成分等方法。至于說(shuō)實(shí)際效果是否符合比亞迪的測(cè)試結(jié)果，到時(shí)候等到比亞迪“漢”量產(chǎn)交付，一試便知。

續(xù)航還是安全

其實(shí)無(wú)論比亞迪的“刀片電池”在輿論中掀起了多大波浪，都無(wú)法逃脫一個(gè)對(duì)消費(fèi)者最直接的拷問(wèn)：“要續(xù)航還是要安全。”

注意，此處指的安全是相對(duì)安全，并非絕對(duì)安全，即便磷酸鐵鋰電池相比三元鋰電池都安全，但裝載到電動(dòng)汽車上，最終體現(xiàn)出的安全性要由電池包、BMS系統(tǒng)、車輛被動(dòng)安全等諸多因素決定。如果誰(shuí)說(shuō)“磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車就絕對(duì)安全”，那就是非壞即蠢。

前一陣寧德時(shí)代和比亞迪的隔空對(duì)戰(zhàn)，看上去是寧德時(shí)代“賠了夫人又折兵”，不僅沒(méi)有讓消費(fèi)者明白，反而使得寧德時(shí)代背上了“笨蛋公關(guān)”的罪名；但實(shí)際上此次交鋒，倒是讓消費(fèi)者對(duì)于電動(dòng)汽車所采用的鋰電池有了更深入全面的認(rèn)識(shí)。

磷酸鐵鋰電池比三元鋰電池安全、三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池的能量密度更高，這兩者都沒(méi)有什么可爭(zhēng)論的余地。

（某家磷酸鐵鋰針刺測(cè)試）

磷酸鐵鋰電池可以利用CTP方式裝成電池包，三元鋰電池一樣可以；三元鋰電池可以采取一些列電池包保護(hù)措施，磷酸鐵鋰電池也一樣都可以。所以無(wú)論是爭(zhēng)論哪個(gè)層面都顯得過(guò)于狹隘和局限，這個(gè)問(wèn)題在目前技術(shù)角度去看就兩個(gè)方面：“續(xù)航”和“安全”。

三元鋰電池不是不能做成“防針刺”，而是如果要苛求單電芯通過(guò)“針刺”實(shí)驗(yàn)，就要在電解液、隔膜、電芯包裝等多方面加入防護(hù)材料，從而導(dǎo)致能量密度下降，成本增高。軍用車有使用這類電池（GJB4477），但對(duì)于電動(dòng)乘用車而言，丟失續(xù)航里程數(shù)基本就等于失去了競(jìng)爭(zhēng)力，況且還要增加成本。

一樣產(chǎn)品，一定是不斷擴(kuò)大其優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)其劣勢(shì)，才逐漸會(huì)被市場(chǎng)接受。

對(duì)于三元鋰電池而言，想要彌補(bǔ)安全性的劣勢(shì)，功夫最好花費(fèi)在電池包系統(tǒng)安全方面，從BMS主動(dòng)安全控制、到電池包內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料、再到整個(gè)電池包殼體的被動(dòng)安全。道理很簡(jiǎn)單，打個(gè)比方，與其費(fèi)勁把人弄成綠巨人，不如在汽車整體主被動(dòng)碰撞安全下手。

反過(guò)來(lái)，磷酸鐵鋰電池想要彌補(bǔ)能量密度，以目前的電池材料發(fā)展水平，最好通過(guò)空間利用優(yōu)化的路子，從而提升整體系統(tǒng)能量密度。

兩者都是在揚(yáng)長(zhǎng)避短，只不過(guò)人們衡量電動(dòng)車的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)了變化。之前阻礙人們選擇電動(dòng)車最大的敵人就是“續(xù)航”，而如今動(dòng)輒500km、600km的續(xù)航使得人們逐漸打消了這層憂慮，轉(zhuǎn)而關(guān)注于其他方面。

這也就是為什么當(dāng)“刀片電池”以安全性能作為核心賣點(diǎn)時(shí)，有如此多消費(fèi)者“買賬”的根本原因。

但是總結(jié)來(lái)說(shuō)，采用磷酸鐵鋰的“刀片電池”勢(shì)必將會(huì)對(duì)現(xiàn)有的電動(dòng)汽車市場(chǎng)產(chǎn)生不小的沖擊，但不足以取締三元鋰電池的地位；因?yàn)槿藗儗?duì)于“續(xù)航”的需求各不相同，而目前所講的“安全”與否都是在對(duì)比層面，而非產(chǎn)品合格層面。所以，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間里，兩者將會(huì)是并存的狀況。

不得不說(shuō)，比亞迪這招針刺“刀片電池”有點(diǎn)“傷敵一千，自損八百”的味道，而寧德時(shí)代的回應(yīng)也顯得著實(shí)不怎么機(jī)靈。

不過(guò)說(shuō)到底，當(dāng)行業(yè)里出現(xiàn)各種形式的競(jìng)爭(zhēng)和正面碰撞，才說(shuō)明這個(gè)市場(chǎng)在快速發(fā)展，而只有這樣，最終的受益者才會(huì)是消費(fèi)者。

至于說(shuō)與“刀片電池”強(qiáng)連接的比亞迪“漢”，未來(lái)能否在市場(chǎng)中表現(xiàn)出色，銷量會(huì)告訴我們一切。