中国动力电池的演进：从续航里程、安全性到充电速度

【编者按】2023年，中国取代日本成为全球第一大汽车出口国。同年第四季度，比亚迪超越特斯拉，成为全球最大的纯电汽车制造商。2023年，中国动力电池占全球市场份额的63.2%，全球动力电池前十位的企业里有六家中国企业，宁德时代连续九年稳坐全球第一。

从手工作坊到全球最先进的动力电池工厂，从市场换技术到整车研发，从中央政府的强力扶持到地方产业集群的转型升级。中国的动力电池行业，正是劳动密集型产业向技术密集型产业转型升级的一个样本。

资深记者杨璐、张从志实地探访了宁德时代、比亚迪、亿纬锂能、国轩高科、蜂巢能源等企业的工厂车间，采访到诸多行业核心人物。在新书《电车之心》中，他们讲述了中国动力电池产业发展的秘辛。

经出版社授权，第一财经节选了书中部分章节以飨读者。

站在消费者的角度，实际上最关心的是新能源汽车开起来是否跟燃油车一样。认识和理解动力电池眼花缭乱的技术，其实就是看它怎么逐步解决消费者的痛点。最开始聚焦于解决续航里程和安全性问题，现在整个行业在快速充电、全场景全气候条件下使用上发力。

新能源汽车的两大痛点：续航里程和安全性

在政府层面，新能源汽车的发展完成了顶层设计，剩下的任务就交给动力电池公司了。毕竟，新能源车能否成为一个新兴战略产业，最终要看在跟燃油车的市场竞争中能否赢得消费者。首先，新能源车必须能跑起来，要解决续航里程的痛点。实际上，锂离子电池在跟镍氢电池、氢燃料电池的“赛马”中胜出，正是因为它在续航里程上的表现更好、更方便。

中国新能源汽车在补贴政策过程中走的是“绕开大路走两厢”的战术，即先发展大巴车、低速电动车（“两厢”），之后再逐步进入到下一阶段，即技术难度更高、影响力更大的乘用车（大路）阶段。然而，在进入乘用车阶段时，锂电池原有的技术路线遭遇了挑战——能量密度不够。

在“两厢”阶段，电动大巴有足够的空间放置电池。比亚迪展厅里展示了他们研发的第一代深圳电动公交车，车厢中部空间明显比前后部分要狭窄，站不了太多乘客。因为两边像砌了两堵墙，里面都是电池。低速电动车行驶距离短，因此不需要考虑能量密度问题。然而乘用车底盘上留给电池的空间比电动大巴小得多，却需要行驶得更远、更快，因此对能量密度的要求比大巴车高。2016年，四部门发布的《关于调整新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》设置了动力电池能量密度的门槛，逐年增加续航里程的要求。要想获得补贴，中国的动力电池公司就像参加跳高比赛，续航里程就是横竿，每年都要跳得更高才能继续留在比赛场上。

锂离子电池的制造企业为了适应新形势，必须转向能量密度更高的技术路线，也就是说跟镍氢、氢燃料电池“赛马”时，从磷酸铁锂做正极材料的锂电池，变成用镍钴锰酸锂做正极材料的锂电池。锂离子动力电池就此出现了两种“行话”，一种是磷酸铁锂做正极材料的磷酸铁锂电池，一种是镍钴锰酸锂做正极材料的三元锂电池。

三元锂电池后来居上，压倒了磷酸铁锂电池。徐兴无说：“这个补贴政策，明显就是按照三元材料去的了。比如说你要求电池整包的能量密度做到140Wh/kg，三元材料容易做到，但磷酸铁锂当时很难做到。磷酸铁锂电芯能量密度的天花板是140Wh/kg，你要做成电池包，还有70%～80%的成组率，能量密度就变成110Wh/kg了。这样能量密度的电池，放在乘用车上是不能用的，太重了，所以，磷酸铁锂就很难走下去了。大家都去做三元锂电池了。”

客观而言，这一政策抓住了那个阶段新能源汽车发展的牛鼻子。比亚迪集团旗下弗迪电池公司的技术总监孙华军说：“一方面，新能源汽车的基础设施比如说充电桩，到目前为止从整体需求上来讲，其实还不够。另外一方面，消费者能否真正接受电动汽车这么一个新事物，续航能力是关键。比如说锂电池，如果叠加北方冬季的气候条件，再加上电池的一些自然衰减，续航能力是会大打折扣的。那时候会出现因为续航不足导致车辆趴窝的问题频繁出现。在消费者印象里，电池续航不够，找不到充电桩及时充电，充电速度还慢，这些因素就是新能源汽车行业发展的瓶颈。”

补贴是非常有力的导向工具。能量密度的补贴政策出台后，三元锂电池的市场占有率上升很快。2018年，国内动力电池累计产量70.6GWh，其中三元锂电池占比55.5%，磷酸铁锂电池占比下降到39.7%。

然而，故事没有结束。随着市场占有率的提高，三元锂电池的安全性问题逐渐显现。孙华军说：“在一些特殊情况下，三元锂电池会释放活性氧或氧气。高温失控的状态下，电池会发生剧烈反应。所以，在发生事故时，电池可能会在短时间内燃烧爆炸，驾乘人员可能来不及逃生。”就在三元锂电池超越磷酸铁锂电池市场占有率的2018年，中国工程院院士杨裕生在2019年一次汽车发展论坛上提到：“根据不完全统计，我国2018年烧了51辆，因为有人有意删除烧车新闻，所以统计数据可能不准。其中90%以上是用三元锂电池的纯电动车。”他认为，高镍三元锂电池不应该是未来电池发展的重点，建议取消补贴，或者调整补贴政策，不和续航里程挂钩，不和现在的电池能量密度挂钩。

“车规级”零部件，安全性是不可逾越的红线。一位动力电池行业从业者告诉我：“国家有关部门其实进行了很多讨论，尽管电池出过好多问题，但它作为一项创新技术，还是要给予宽容。”动力电池要“硬着头皮”继续发展，但政策对安全性提出了明确的要求。2020年5月，工业和信息化部颁布了一系列电动汽车强制性国家标准，其中就包括一条要求：“电池单体发生热失控后，电池系统在五分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生和救援时间。”这条强制标准被很多人解读为针对三元锂电池，从之前发生的自燃事件来看，多款搭载三元锂电池的电动汽车从电池自燃到汽车着火的时间仅在几十秒内。

磷酸铁锂电池的反转

第二回合，磷酸铁锂电池杀回来了。

我在比亚迪总部观看了一场针刺实验。之前，我曾数次看过这一实验的短视频，但即使有心理准备，真正亲临现场时还是吓了一跳。当针刺入电池外壳的瞬间，电池迅速喷火爆炸，速度快到我来不及按下手机的拍照键。针刺实验是一种相当专业的测试，原理是用钢针刺穿电池，钢针提供了电池内部短路的通路，使电池的电能转化为热能。短路造成短时间内能量的集中爆发和释放，有可能引起冒烟、漏液、起火甚至爆炸。想象一下自己如果是坐在车里，就会觉得非常害怕。

比亚迪将针刺实验设计为对照组实验，一块是三元锂电池，一块是磷酸铁锂电池。针刺进三元锂电池时，电池瞬间爆炸。而当针刺进磷酸铁锂电池时，电池没有起火。孙华军解释说：“磷酸铁锂的热稳定性好，也不会释放氧气。发生一些极端情况的时候，它总的发热量相对比较少。”

2020年，比亚迪推出了刀片电池，这种电池用磷酸铁锂做正极材料，但能量密度达到了三元锂电池的水平。这款电池现在除了在比亚迪自己生产的汽车上使用，还开始供应给其他国内外车企。刀片电池的推出标志着一个新的开端，磷酸铁锂电池正在扭转三元锂电池的优势。在2023年世界动力电池大会上，苗圩说：“我们统计，2019年6月的时候，三元锂电池装机量占比75%，磷酸铁锂电池装机量占25%。当时，三元锂电池占绝对的优势。但是这两年发生了逆转，今年第一季度，磷酸铁锂电池装机量占比达到68.2%，三元锂电池仅占31.7%。”

比亚迪于2020年推出的刀片电池，它标志着磷酸铁锂电池正在扭转三元锂电池的优势（内文图）

首先，比亚迪弄清了限制磷酸铁锂电池续航里程的原因是什么。跟其他动力电池公司相比，比亚迪因为自身生产整车，动力电池和整车的团队沟通起来更顺畅，可以在一起讨论问题。孙华军说：“汽车的电动化平台推出之后，给我们动力电池的空间已经定死了。在这个有限的空间里，我们主要思考的是影响电量的因素到底是电池的体积能量密度，还是重量能量密度。在2018年、2019年前后，我们认识到关键是体积能量密度。所以，我们计算了一下电芯到电池包的空间利用率，发现按照传统的模组方案，有60%的空间浪费掉了。其中有些是空气，有些是各种连接的结构件等等，我们想在给定的空间里怎么进行重新布置，能够提高体积能量密度。”

刀片电池是头脑风暴的结果，比亚迪董事长王传福也参与了研发。孙华军说：“2019年在青海，整车团队在王总的带领下，和包括电池团队在内的大家一起讨论。然后，我们就提出了刀片电池这个方案，算了一下体积利用率从40%提升到60%，磷酸铁锂的能量就够了。”

磷酸铁锂除了安全性之外，还有成本和资源上的优势。孙华军说：“三元锂电池的技术路线用的是镍钴锰，其中镍是比较稀缺的资源，而钴特别贵，其大部分产量在非洲，不在中国。因此，这些原材料就比较容易被上游控制和炒作价格。相比之下，磷酸铁锂电池中，磷和铁都是地球上丰富的资源，资源安全和原材料价格稳定，我觉得是磷酸铁锂路线两个非常关键的优势。”国轩高科也一直都没有放弃磷酸铁锂的技术路线，徐兴无计算了之后发现，按照现在的发展势头，钴资源将在一二十年内就被耗尽，镍资源也就三十多年。“这样的话，你一个产业怎么长远发展？”徐兴无说。他见到在新能源汽车发展上很有影响力的欧阳明高院士，也曾和他讨论过这个问题，给欧阳明高院士算过这笔账。“反正大家一哄而上都涌向三元锂电池的时候，我就给他泼了一点冷水。”徐兴无说。国轩高科在磷酸铁锂路线上的研发投入也一直在增加，能量密度不断突破，到2019年，徐兴无说，他们做到了190Wh/kg。这个数字打破了业内曾经普遍认定的磷酸铁锂能量密度的天花板140Wh/kg。

技术突破：寻找续航里程和安全性的平衡

消费者肯定是既要求安全性，也要求续航里程的。三元锂电池的技术路线也有了突破，在发挥能量密度优势的同时，通过结构创新增加了安全性。2021年，广汽埃安推出了弹匣电池1.0版，天盛优配，天盛优配配资，香港天盛优配公司同时还公布了中国汽车技术研究中心的测试视频，对使用弹匣电池技术的三元锂电池整包进行针刺热扩散实验，结果显示热事故信号发出五分钟后，仅出现短暂冒烟，无起火和爆炸现象。弹匣电池实际上是一种安全系统，通过隔热的电池安全舱、极速降温的速冷系统等提高安全性。广汽埃安的电池研发总监王清泉说：“供应商电芯的生产工艺怎么做，我们不会去限定，不管电芯是什么形状或者尺寸，是做卷绕工艺还是叠片工艺，理论上我们都可以拿过来，做成模组以后兼容到我们的弹匣系统里面。”

随着行业对电池的认识不断深入，已经从磷酸铁锂和三元材料的竞争，转为电池包技术和工艺创新的竞争。大家认为实现使用安全才是一条现实的道路。中科海钠科技有限责任公司（简称“中科海钠”）的市场负责人康利斌说：“你可以把电池的隔膜看成引线，引线一抽，往上一扎就像引爆手榴弹。不管是固态电池还是三元锂电池或者磷酸铁锂电池，电芯本质上都不安全。但是，使用安全是可以去努力实现的。第一就是看电池本身的一些参数，包括电压、温度还有电流；第二，就是它的封装结构，还有控制条件。其实单看材料，钴酸锂是最不安全的，你拿个针尖，扎一下，立马起火爆炸，但没有人觉得自己手机上的钴酸锂电池不安全，因为手机电池在使用安全层面已经做得很好，大家就不担心它的本质安全问题。所以我们应当把焦点放在消费者关注的使用安全上。”

2022年，宁德时代推出了麒麟电池。这款电池也是在发挥三元锂电池能量密度优势的同时，通过结构创新提高了安全性。根据宁德时代发布的资料，麒麟电池的电池包将水冷功能件置于电芯底部和电芯之间，使换热面积扩大了四倍，电芯控温时间缩短到原来的50%。在出现极端情况时，电芯可以急速降温，有效阻隔电芯间的异常热量传导。

2020年，特斯拉推出了4680型号的圆柱电池，通过对一直存在的大圆柱电池限定了型号和尺寸，实现了一种结构创新。亿纬锂能股份有限公司（简称“亿纬锂能”）是中国企业里推进大圆柱电池产品最快的公司，已经取得了宝马的订单，成为其2025年推出的“新世代”车型的动力电池供应商。为了就近服务客户，亿纬锂能已经在中国沈阳和匈牙利投资建厂。亿纬锂能大圆柱电池技术中心的产品总监刘静说：“圆柱的结构强度比较高，我们通过一些设计让电池被触发时，可以通过防爆阀去释放能量，而不是通过顶部或者侧面爆喷将能量传递给周边电池。如果是传统电池，它的能量传递到周边，周边电池可能会受热，发生蔓延效应。圆柱电池成组后，它的中间是有缝隙的，电池间接触面也比较小。”

电池的新痛点：全气候和快速充电

我国虽然发布了《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，强制要求“电池单体发生热失控后，电池系统在五分钟内不起火不爆炸，为乘员预留安全逃生和救援时间”，但有业内人士告诉我：“现在的技术还没能达到绝对安全，只能说是比以前有了很大改进。”

动力电池发展初期的两大痛点——安全性和续航里程，首先解决的是续航里程问题。无论是磷酸铁锂路线还是三元锂路线，能量密度已经能满足出行需求。宁德时代首席科学家吴凯在2023年世界动力电池大会上说：“燃油车开起来谁都放心，不担心哪儿会坏，加油里程也够长，电动车虽有不足，但是发展到今天，加上基础设施的配套，我的看法是，大家对于里程的焦虑不应该是第一核心的问题了。”

跟燃油车相比，新能源车其他的不足成了消费者的新痛点。第一个突出的问题是不同气候条件下，动力电池表现不稳定。吴凯在会议上展示了一张中国电动汽车市场的区域分布图，图中显示，中国各地电动汽车的渗透率是不均匀的，东南部地区较高，西北部地区低一点。吴凯解释说：“造成这个现象应该说有多方面的原因，例如经济发展水平存在差异，但是也和我们的动力电池的一些特性相关。北方冷，我们的电池在冬天相比夏天的续航里程真是短，目前就是这个水准，这是我们需要去解决的问题。冬天的充电速度能不能跟夏天一样，冬天的续航里程能不能跟夏天相仿，这是我们第一要重点考虑的，也是目前还没有解决好的。”

第二个痛点是充电时间长，动力电池行业内称之为“补能”。吴凯说：“过节的时候，大家都出远门。我在网上搜索看到很多的信息，大家在高速公路上，燃油车的话，加油站的分布是够的。充电站虽然数量不算多，但也说得过去。然而两者明显有区别：大家去加油，五分钟就走，一辆接一辆，很轻松。电动车就痛苦一点，一辆车占位一个小时，另外一辆车就在那儿等，因此，如何让我们补能的速度和加油接近，是行业的另外一个痛点，也是我们急需解决的。”

宁德时代正在针对这些痛点进行研发。吴凯说，他们正在开发一种系统性的解决方案来适应低温气候，优化电芯、电解液和隔膜设计，并对电池包和电池管理系统进行配套研究。“从目前的结果来看，低温充电时间比我们前一代电池减少了25%以上，低温下的动力性能也提升了20%以上。”

在补能方案上，动力电池行业有两种路径，一种是快充，一种是快换。吴凯说：“未来的电动车，如果既不能快充，也不能快换，我的看法是难有生存空间，所以，这是我们近期急需解决的问题。”宁德时代认为，在相对高端的车型上，应该做快充的研发。对于大众车型，应该探索快换的方案。吴凯说：“我们今年会在某客户那儿新上一款车，充电十分钟，能跑400公里。”然而，快换模式的难点在于经济性。吴凯说：“今天的电池成本谈不上低，跑500公里、600公里的车，电池成本6万元左右。我们车卖十几万元，电池就6万，这个比例比较高了。如果我卖你一部车，车辆售价中不包含电池费用，电池你不用付钱，你去租就行，我想终端的受欢迎度会是比较高的。”宁德时代希望推广一种类似巧克力块的换电模式，吴凯解释：“平时上下班，你就只需要使用一块电池，哪天上高速，出远门，你就多租两块。”

2023年8月，我到福建宁德参加了据说是宁德时代的第一场线下产品发布会。会上发布了一款名为“神行超充”的电池，这正是吴凯在动力电池大会上介绍的“充电十分钟，能跑400公里”的新产品。这意味着消费者只需要听两首歌的时间就可以完成补能，从北京出发可以开到济南，或者从上海开到合肥。补能的时间跟燃油车加油的时间接近。根据宁德时代在发布会上的介绍，神行超充电池还考虑到低温气候对电池性能的限制。在零下10摄氏度环境里，它能实现三十分钟充电至80%。

宁德时代是行业内重视研发的代表企业，其他企业也都在通过研发解决锂电池替代燃油动力的各种难题。谁解决得好，谁才有市场。新能先锋检测科技有限公司（简称“新能先锋”）是一家第三方的电池检测机构，配合电池公司进行研发中的电池测试，也就是说正在研发中的电池到了某个阶段或某一特定性能需要检测时，就可以拿到这里来进行测试。测试过程中出现的问题或呈现的状态，新能先锋会反馈给客户，或者由客户的研发人员参与现场检测。实际上，像宁德时代、比亚迪的弗迪电池等大公司，自己就有电池检测的部门，问题是现在同步进行的研发项目众多，检测资源常常不足。惠州新能先锋的总经理付盛荣说，他们的创始团队就来自全球排名前三的动力电池公司检测部门。

中国动力电池企业的研发力度，能从新能先锋的扩张速度侧面反映出来。付盛荣说：“我们第一年营收3500万元，第二年是8000万元，第三年是1.4个亿，去年是2.5个亿。我们赚了钱就投入去买设备，扩大基地。现在我们在宁德，也就在宁德时代公司附近；在昆山，也就是辐射国轩高科、蜂巢等长三角的电池企业；在惠州，也就是辐射比亚迪和亿纬锂能；还有东莞，东莞是为电池企业ATL服务，都有基地。”

如今，安全性已经成为电池研发的常见项目。客户们已经或者还在做哪些方面的研发，付盛荣通过订单就可以略知一二。行业内另外一个重要的研发方向是补能。付盛荣说：“这方面第一是充电快不快，第二是充电多不多。行业内现在希望达到的目标是电池从0或者还剩20%的电量充到80%，在十五分钟以内完成。按照现在市面上动力电池的能量密度，充电量达到80%大概能开400公里。咱们国家有条疲劳驾驶的规定，行驶400公里需要休息。这样的补能方案，符合消费者的驾驶习惯。”吴凯讲的全气候电池的痛点，行业内也有人在研发解决方案。付盛荣说：“他们用热管理系统来应对气候差异，比如说卖去北方的车，它设计一个加热系统，先给电池加热，再开车。卖去三亚的车，三亚的高温则需要考虑如何让电池处在一个舒适的环境中。除了热管理系统，跟电池的电芯也有关系，电芯的耐受度也是一个关键因素。”

有些电池包会在付盛荣这里进行为期一年到两年的二十四小时不间断测试，目的是研发电池的长寿命和存储性能。付盛荣说：“现在买车经常说质保几年、多少万公里，电池的循环寿命就是在这样的测试中跑出来的。早期的时候充放电次数做到800次，大家就觉得很多了。现在行业里实现充放电2000次、3000次都有可能。存储性能就是指电池在未使用的情况下，比如充满电放在车库里，过一个礼拜去开，你不要告诉我电池没电了。”

（本文节选自《电车之心：中国动力电池传》第二章《解决消费者痛点：动力电池的演进》，发表时有删节，标题为编者所拟。）

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