電池研究院：電池的長壽秘訣是什么？

　　我們如此關注二次電池的壽命，卻對汽柴油機的壽命并不上心。到經銷商購車時，消費者基本上不會問“這臺發動機能用車報廢嗎？”，畢竟現在已經2021年了，誰家車子還準備開個100萬里程/30年車齡然后重新吊裝一臺新發動機進去，再開啟下一個30年？ 

　　嗐，電動汽車可就折騰了，請問你買電動車的時候準備開30年嗎？但凡有盤花生米都不會醉成這樣……

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

　　1、只有唯一儲能/供能裝置；

　　2、電池嬌貴得很；

　　3、電池超級不經用，我們因此患上續航焦慮癥；

　　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壽命與日歷壽命，循環壽命還能細分為標準和工況：

　　1、標準循環壽命（Cycle Life）：用充放電循環次數來計算電池壽命，當電池容量低于額定容量的一定值時（比如額定的80%以下）就視為電池壽命終結。

　　由于查看國標官網出現文件錯誤的問題，所以用的是其他網站的帶水印截屏。

　　2、工況循環壽命（Working Condition Life）：多用于動力電池，現行的是國標GB/T 31484-2015《電動汽車用動力蓄電池循環壽命要求及試驗方法》，按照規范跑循環最終得到一個循環數據結果。

　　3、日歷壽命（Calendar Life）：生產出來之后到電池罷工的時間，不是用循環次數計算，而是用年。這些時間包括電池靜止不工作和正在工作的時間，所以這個時間需要考慮溫度、荷電狀態、充放電倍率等等外部因素。

　　基于上述信息，因為日常很少用到日歷壽命，我們一般會把“電池壽命”、“電池循環”、“電池循環壽命”定義為同一件事物。

　　值得注意的是，我們說的1個循環 = （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個循環，重復多一次才算跑完1個循環。

　　循環壽命用完之后，電池就完犢子了，這時候我們會說電池壽命EOL（End Of Life）。

　　為什么電動汽車用戶關注電池壽命的強度，遠遠高于智能手機和筆記本電腦的用戶呢？

　　鋰離子電池循環次數多了之后，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、手機和電腦上的電就越不經用。

　　手機和電腦還能換電池，去官方服務店十分鐘弄好，但電動汽車就賊麻煩了，脫離汽車單獨銷售的動力電池沒有高額國家補貼，此外換電過程非常麻煩，畢竟沒有幾臺在售電動車是標配換電模式的。

　　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系，因為隨著AA電池技術的提升，續航能力一年比一年厲害。

　　可是電動汽車的續航曲線是完全相反的，一年一個臺階往樓下滾，五年基本就是撲街狀態了，運營車輛更是兩三年形同廢物。

　　正因為電池壽命相比汽柴油機壽命而言非常拉胯，二手車商都很忌諱收電車，砸手里的概率太高。別忘了，靜置的電池還會消耗日歷壽命，而且現在鮮有專業設備精準監測電池剩余壽命，這就意味著你數十萬收的這臺電動汽車，里頭最貴的是“薛定諤的動力電池”。

　　現在很多車企喜歡拿“每公里能耗價格”來掩蓋電動汽車的成本拉胯事實，沒有人站出來說電動汽車殘值率過低導致“全生命周期的擁車成本過高”之問題。

　　當然，筆者并非用循環壽命的缺陷一味貶低電動汽車，我只是想表述一個客觀事實：如果你的年行駛里程很高，比如3-5萬公里/年，購買一臺消費級電動汽車大概率更省錢；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惠的選擇。

　　電池壽命過短，缺乏換電模式，電/車分離不補貼，這三個原因共同促成了電動汽車的環保缺陷。

　　因此，電池配方、電池工藝僵待突破，只有提升電池循環壽命才能更好地守衛電動汽車的“環保”Flag。

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

　　因為影響因素和解決方案是一一對應的，因此放在同一節里面解答。

　　二次電池的配方是決定電池循環壽命的最重要因素。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，提鮮全靠腦補滋味？

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

　　我們現在經常聊的三元鋰電池，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元素可以提供穩定工作環境，增長循環壽命，但錳不是越多越好的，現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給一臺跑了50萬公里的比亞迪e6深圳出租車（標稱續航300km）做過續航測試，測出來的實際續航里程還是挺硬核的。

　　想了解測試詳情的可以點擊下圖看全文：

　　如今，磷酸鐵鋰電池的整包循環壽命通常都有2000次甚至更多，有些實驗室的1C循環壽命可以達到3500-5000次，寧德時代在2019年更是發布了可以循環12000次的磷酸鐵鋰儲能電池產品。

　　此外，鎳氫配方的循環壽命也非常長，2000次妥妥的，可惜能量密度實在太低了，只能作為HEV或者PHEV的動力電池，單獨驅動BEV的案例不是沒有，但都沒暢銷。

　　更加穩定的負極材料可以延長電池壽命。當我們使用大電流快充時，負極晶格面臨過多的活性鋰離子的嵌入動作，應接不暇之余引起電極處的濃差極化現象，導致局部過熱并讓電極材料被破壞。

　　正負極的壓實程度也會影響電池壽命。雖然電極壓實可以提升能量密度，但也會破壞正負極材料結構，浸液不充分，并對電極的穩定性和耐用性產生影響。

　　此外，一般設計鋰離子電池的時候都會讓負極過量，因為常用的石墨負極一直都是電化學循環的短板，如果負極“過量”不足，活性鋰就會在負極表面積聚成死鋰，也即是尖尖的鋰枝晶，弄破SEI膜之后就等短路自燃吧。

　　因為活性鋰真的比六一兒童節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，所以電池穩定性不佳。好在有另一種穩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勢，但又會產生降低電池循環壽命的副作用，相當于在絕情丹上面撒砒霜，讓你吃也不是，不吃也不是。

　　如果是當前常用的液態電解質，就會面臨注液量和保液量的問題。注液量是初始狀態，注液量不足就會削減壽命；保液量要看使用時消耗電解液的速率，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，只是水分過多會阻礙SEI膜的形成，還會與活性物質反應并破壞電池內部結構，讓它折壽。

　　最后說說固態電解質，也就是最近比較熱的固態電池。當前多數研究都沒有表明固態電池有循環壽命的優勢，只是我們一廂情愿認為固態電解質比較“穩固”比較不容易“被消耗”。當前實驗室階段的固態電池可以達到1000次以上循環壽命，最多有吹45000次的（嗐，又是騙風投的PPT）。

　　鋰離子電池首次充電時會形成SEI膜（固體電解質界面），消耗掉大量來自電極材料的鋰離子，雖然降低了內部短路風險、防止溶劑分子的共嵌入并提升循環壽命，但也因此降低了總容量。

　　為此，我們可以通過預鋰化對電極材料進行補鋰，抵消SEI膜的鋰離子消耗，從而提高電池的總容量和能量密度。

　　換句人話來說就是：茄子太吸油，所以我們炒茄子時多放油……

　　預鋰化技術有很多個方向，其中正極補鋰可以使用富鋰化合物、二元鋰化合物等等，負極補鋰可以使用鋰箔補鋰、硅化鋰粉等等，在此不作展開。

　　熒幕形象“傻大黑粗”如AK-47，耐用性能如此強悍，其實離不開精密的生產工藝。那些總是出故障的AK47其實是蘇聯出口技術或者小國直接仿制的二等、三等次品。

　　電池也一樣，如果制造工藝到位了，壽命自然會長一大截。

　　鋰離子電池的配方與型號各不相同，生產工藝流程大體可以分出三段：

　　第一段 電極片的制作：正負極漿料制備、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：化成（首次小電流充電）、分選、組裝

　　在以上的工藝流程中，每一個細節都會直接或間接影響電池的循環壽命。

　　一塊簡單的電芯需要受到多達6個維度的因素制約：循環壽命、功率密度、能量密度、工作溫度區間、安全、成本。

　　如果成本管夠，很多問題都能迎刃而解，然而現實中最不可能管夠的必然是成本（狗頭表情），畢竟你造一臺捷達那么小的電動車出來并要價50萬，風投老板會讓你手握十八張醫保卡都不夠用。

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

　　別看電池長得如此木訥，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。

　　高溫對電池壽命是有影響的，高溫會讓電池內部很不舒適，可充電/可放電的量減少，充/放電的速度降低，嚴重的情況還會造成電解質和極片反應，電池壽命會減少。

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

　　當然，因為有冷卻系統的存在（風冷或者液冷），且電池換能效率特別高（熱效率高于95%不少，不像內燃機那么弱雞），電池沒那么容易到達T2。

　　這時候最魔幻的事情來了：負極的析鋰效應可以大幅度降低T2。

　　如果此時正在使用快充，而且是在熱辣辣的環境下使用快充，電池發熱量高且不均勻，內部一不小心達到T2熱失控引發溫度就完犢子了。

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

　　在低溫前提下使用大電流充電，負極剛開始工作就涌入過多活性鋰，此時電池內部活性物質很慵懶，突然硬上完全不合理的KPI，換誰都受不了，脆弱的負極生態被沖得七葷八素，現場混亂，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的時間表。

　　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、負極表面不平整、負極容量不足、充電次數過多

　　如果充電方式正確，可以一定程度上給電池延壽：

　　A、使用正規廠家的充電樁產品，保持電壓電流穩定。由于我國電網穩定性非常強，所以充電出了問題請謹慎甩鍋給國家電網。

　　B、可以的話，淺充淺放可以大幅度提升循環次數，只是對于BEV電動汽車而言非常不友好，你不能每次都只用20%-80%之間的60%對吧？豐田給HEV用的鎳氫電池就是利用極為謹慎的淺充淺放，做到10年以上數十萬公里級別的使用壽命。

　　C、盡量避免長時間的高SOC涓流充電。大家應該有注意到，現在使用的超級本為了隨時都達到最大續航，多數都不能自主調整充電斷開閾值的，因此長期插電用的超極本，電池衰減都比較嚴重，長期保持高SOC就是問題所在。

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

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

　　電池壽命里面有日歷壽命，多數鋰離子電池都很怕長期SOC過低靜置，活性物質會撲街，電池結構會撲街。

　　一旦重新啟用，喚醒電池時必須涓流充電，不然又會引發一波鋰枝晶生長浪潮，折壽啊。

　　振動/擠壓/碰撞/火燒等，這些字面意思就懂的東西不用展開了。

　　當電池容量降至額定容量的70-80%以下，就不適合用作動力電池了。我國一年回收動力電池的總量達到20萬噸，如果把這些電池全拆解了，將是極大的資源浪費。

　　電池環保事業的最大公約數是 —— 先梯次，再拆解。

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

　　1、大容量儲能裝置：天生大容量的動力電池包可用作組建太陽能發電、風力發電的儲能裝置，成本是全新鋰電池的20%左右（根據住友商事公布的數據），2011年國家電網與比亞迪就有這樣的合作項目。

　　2、低速車輛供能：給動力/續航需求較弱的電動車輛使用，比如高爾夫球車、園區通勤車、廠區AGV自動駕駛運輸車等。

　　3、基建設施供能：給通訊基站、路燈等裝置當儲能裝備，目前包括北汽新能源、長安在內的10余家車企已和中國鐵塔達成合作。

　　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個美國普通家庭在斷電后再使用2小時。同理，用在企業用途上亦可。

　　動力電池真的非常不好服侍，吃太飽會折壽，吃太快會折壽，吃太久會折壽，餓太久會折壽，太熱會折壽，太冷會折壽，左右振動會折壽，上下振動會折壽，吃的次數太多會折壽，吃的間隔太長會折壽……

　　反正這篇文章重復最多的短語就是電池會折壽。

　　嗐！

　　但汽車工業的電氣化之路真的不可逆，而我們不會因噎廢食，解決電池循環壽命的技術瓶頸正在逐個被突破，10年以內我們有望得到性價比高于汽柴油車的電動汽車產品，或者20年之后的動力電池壽命將不輸汽油機。

（圖/文/攝：太平洋汽車網 黃恒樂）