电动汽车电池的内幕：揭秘 NCM、NCA、LFP 和固态化学

电动汽车尚未完全接管交通负荷的主要原因在于其高压电池的技术水平。尽管在过去十年中该领域取得了巨大进步，但电池的能量含量仍远不及液体燃料的能量含量。汽车研究的圣杯是能量密度明显高于现有电池的电池。因此，我们决定对当前和未来有前途的电池技术进行回顾，并帮助您加快步伐。

目前使用的技术

锂离子 - NCM 和 NCA 正极

锂离子电池大约可追溯到 30 年前，当时索尼将其引入商业设备——索尼 CCD-TR1 摄像机中。锂离子电池如何工作？简而言之，锂离子从阳极到阴极来回移动。在放电期间，阳极将锂离子发送到阴极。锂离子穿过液体电解质，而电子穿过外部电路并在电池的阴极重新结合。充电期间会发生相反的情况。

如今，锂离子 NCM 和 NCA 高压电池类型几乎全部用于电动汽车。 N 代表镍，C 代表钴，M 代表锰，A 代表铝。根据电池阴极中这些材料的百分比，可以实现不同的特性。例如，NCM 712 电池意味着它由 70% 镍、10% 钴和 20% 锰组成。一般来说，电池中的镍含量越高，电池所能提供的能量密度就越高，这对电池组的重量和尺寸产生深远的积极影响。

由于地壳中钴的稀缺性及其令人质疑的采矿道德（童工），电池制造商尝试使用材料百分比较低或完全排除钴的化学物质。高镍阴极、电池组排列和阳极硅的组合可使其能量密度高达 325 Wh/kg。可以说，这种电池已经接近其技术极限。

锂离子-LFP正极

锂离子电池阴极的另一种替代方案是使用磷酸铁锂。虽然这种电池的性能普遍低于三元电池，但由于其使用寿命更长且使用的材料更便宜且更常见，因此受到一些制造商的青睐。由于两个主要因素，这里的比能量密度较低。

首先，因为最大电压较低，这意味着对于相同的电容，我们得到的千瓦时更少；其次，因为锂离子在一个空间维度上移动（而不是在 NMC 电池中的两个空间维度）。锂离子仅在一个空间维度上移动的事实意味着电池的最大放电功率也较低，这就是为什么这种电池不适合高性能应用。

这就是特斯拉仅在 Model 3 基础版上使用这种电池化学成分的原因。不过，这种电池有两大优点。它的寿命被认为比其他锂离子电池要长，不仅充电到 100% 时没有问题，而且实际上是对这些电池的强烈推荐。

未来可能的技术

锂-空气

锂空气电池目前主要是一个技术项目，正在研究中，但这种类型的电池似乎是最有前途的，其比能量与液体燃料相似，为 11.4 kWh/kg。锂位于阳极，而空气位于阴极，两者被电解质隔开。在放电过程中，锂离子从阳极移动到存在空气的阴极并与氧气发生反应。

不幸的是，充电过程中的高温阻碍了电池的快速充电，而在此过程中形成的枝晶大大缩短了电池的使用寿命，限制了其目前在实验室环境中的使用。如果其技术挑战得到克服并且成本合理，那么内燃机汽车将在一夜之间被淘汰。

固态

它被认为是汽车电池的圣杯，目前汽车行业的所有巨头都正在进行大量研究。当今的传统锂离子电池使用液体电解质和隔膜来分隔阳极和阴极。在固态电池中，液体电解质和隔膜被固体电解质取代。

研究人员目前正在评估固体电解质的一系列选择，包括金属和陶瓷物质。虽然目前还没有电动汽车采用这种电池技术，但首批量产车型预计将在未来两到三年内投放市场。预计该电池的比能量密度是传统液体电解质锂离子电池的两倍，同时保持 1,000 次循环的使用寿命，不过随着开发的进展，这些估计可能会有所改善。