文｜智造前研  

電動汽車的歷史比現在最常見的內燃機車要早。直流電機之父匈牙利的發明家、工程師阿紐什·耶德利克最早于 1828 年在實驗室試驗了電磁轉動的行動裝置。美國人托馬斯·達文波特于 1834 年制造出第一輛直流電機驅動的電動汽車。1859 年法國物理學家、發明家加斯東·普朗特發明了可充電的鉛酸電池，隨著蓄電池技術的發展，電動汽車19世紀下半葉在歐美得到了較為廣泛的運用，形成了以蒸汽、電動和內燃機三分天下的車輛市場。

由于美國德州石油的開發和內燃機技術的提高，續航里程孱弱的鉛酸蓄電池汽車在 1920 年之后漸漸地失去了優勢，車輛市場逐步被內燃機驅動的汽車取代，人們幾乎忘記還有電動汽車的存在。

01. 初探鋰離子電池

1920 年之后電動汽車的發展完全停滯，直到 1991 年 6 月，日本索尼公司推出了第一塊商品化鋰離子電池，掀起了電池工業的第一次革命；由于單位密度容量大，而且工作中的穩定性非常好，鋰離子電池迅速革新了消費電子產品的面貌，廣泛應用于銷售市場。

此時正值鋰電池野蠻生長的時期，這種能量密度更高、擁有良好循環性能的電池促使電動汽車行業開始復蘇。加上石油資源的日益減少、大氣環境污染等問題，汽車廠商紛紛著手研究搭載鋰電池的新產品，人們才重新關注起電動汽車。

1996 年，日產成功研發世界上第一輛搭載圓柱形鋰離子電池的電動車 Prairie Joy EV。日本國立極地研究所北極觀測中心將其作為支援車，在惡劣的氣候條件下使用了 6 年之久。證明了鋰離子電池在極端條件下的可用性和耐久性。

自此，鋰離子電池汽車正式登上舞臺。

02. 三元鋰的勝利

盡管 Prairie Joy EV 獲得了巨大的成功，但是日產依然沒有信心把它投放到消費市場，僅僅限于車隊銷售，從 1997 年起向各個實體出售了大約 30 臺。此后的時間里，汽車廠商似乎陷入了沉默，再也沒有大規模銷售的電動汽車產品出現。

與此同時，電池行業開始了高歌猛進的發展，1995 年，王傳福在深圳龍崗創建比亞迪實業公司，主要是開發、生產電動工具使用的電池。

2003 年，比亞迪已經成長為全球第二大充電電池生產商，這時王傳福發現電池產業很容易做到天花板，于是決定投一個行業。“當時有兩個選項，一是半導體，二是汽車。但因為手頭只有20億，不可能兩個都投。最終選擇了汽車。”他說。

于是王傳福一舉收購秦川汽車有限責任公司，成立了比亞迪汽車有限公司跨界汽車制造，同年，馬丁·艾伯哈德和馬克·塔彭寧創立特斯拉汽車公司，他們開始嘗試以英國蓮花跑車為基礎，研發第一輛純電動跑車 Tesla Roadster。

由于特斯拉的兩位創始人對電池都沒有獨立研發和生產的能力，只能去市場上尋找合適的電池產品進行改造，經過漫長的篩選，最終他們選擇了已經大規模量產，能量密度高且成本較低的 18650 圓柱型電池。2008 年，Tesla Roadster 問世，該車是首輛使用鋰離子電池的商用汽車，也是第一輛續航里程超過 390 公里的電動汽車；3.7 秒的恐怖加速能力吸引了大批硅谷新貴，不惜花費 11 萬美元的高價將其收入囊中。

環球展示中的 Roadster （2010 年）

盡管如此，特斯拉每賣出一臺 Roadster 就要倒貼 1 萬美元，它的造價太高了。

據傳在 Roadster 中，僅電池管理系統的造價就達 2 萬美元。失控的成本嚴重限制了特斯拉的發展，也帶來了復雜的財務問題，兩位創始人先后辭職，特斯拉迎來了第四任 CEO——靈魂人物，伊隆·馬斯克。

“改變行業的努力幾乎是不可能的。如果沒有馬丁不可或缺的努力，那么特斯拉公司今天就不會在這里，”馬斯克說。他也終于如愿掌舵特斯拉，開始加速世界向可持續能源轉變。

為了實現“為每一個普通消費者提供其消費能力范圍內的純電動車輛”的目標，馬斯克迫切的需要找到一家穩定低價的電池供應商，并通過量產攤平車輛的研發成本。最終他把目光鎖定在松下生產的 18650 圓柱電池身上，特斯拉團隊內部對其的評價是“完全符合要求”；而這時的松下正因押注等離子電視失敗陷入巨虧 40 億美元的泥潭，公司也需要借助新業務的擴展恢復元氣。當年，雙方就開始了動力電池的研發工作。

2010 年，松下以 3000 萬美元入股特斯拉。次年，雙方簽訂了首份合作協議，約定未來4年，松下為特斯拉供應 6.4 億顆 18650 電池。兩年后，雙方續約，將合作數量提升到 18 億顆，松下成為特斯拉獨家戰略供應商。

截至 2012 年，特斯拉在 31 個國家銷售了超過 2250 輛 Roadster。隨著價格更低的 Model S 車型揭幕上市，特斯拉在汽車行業逐步站穩腳跟。同年，剛剛成立兩年的寧德時代與寶馬集團達成戰略合作，開始為華晨寶馬旗下之諾電動車開發動力電池。

03. 擁抱磷酸鐵鋰

渡過美國金融危機的特斯拉，憑借能量密度更勝一籌的三元材料電池和全新 Model S/X 車型獲得了巨大的成功， 之后更是通過更高效，更快捷的 21700 鋰電池拉低了產品的定價區間，推出了火爆全球的 Model 3 ，確立了特斯拉全球電動汽車的標桿之位。

相較于18650電池，21700 電池單體容量提升 35%，能量密度提升了 20%，系統售價下降約 9%，這無疑降低了電動汽車的生產門檻。特斯拉和松下這對組合的成功，打消了很多車企的顧慮，越來越多的品牌開始加入電動汽車行列。乘著新能源汽車產業技術創新政策的東風，蔚來、理想等新勢力造車品牌相繼成立，寧德時代也站上了這個風口，將更多精力放在了三元為正極材料的產品打磨上。

此后的幾年里，硬殼電池包+三元鋰材料的組合一直都是高端電動車的象征，寧德時代更是憑借過硬的產品實力成為了全球出貨量第一的動力電池廠商。而磷酸鐵鋰材料雖然熱穩定性更好更安全，但由于能量密度較低且低溫狀態下掉電過快，只能被用在一些經濟低廉的車型上，甚至一度成為騙取新能源補貼的車企獲利的工具。

時間來到 2019 年，超級工廠落戶上海，特斯拉開始了國產化進程。為了進一步降低售價，國產標準版 Model 3 選擇搭載方形磷酸鐵鋰電池，這應該是磷酸鐵鋰電池首次攻入 30 萬元級市場。通過幾次 OTA 升級優化充電速度和放電能力后，磷酸鐵鋰版 Model 3 開始被市場接受，2020 年全年特斯拉在中國賣出了近 14 萬輛 Model 3，其中大部分都是搭載磷酸鐵鋰電池的入門版本，供應商寧德時代的股價也一路水漲船高，突破 400 元大關。

動力電池包示意圖

隨著電池產業鏈的進化，磷酸鐵鋰電池擁有了幾乎可以與三元電池一較高下的續航能力，加上新能源補貼開始退坡，原材料價格上漲等因素，認識到磷酸鐵鋰電池性價比優勢的車企開始主動研發、設計搭載磷酸鐵鋰電池的車型。戴姆勒、大眾、福特已明確表示，會推出磷酸鐵鋰電池車型，特斯拉 CEO 馬斯克更是宣布，未來全球范圍內的標準續航版 Model 3 和 Model Y，都將全部改用磷酸鐵鋰電池。

曾因押注磷酸鐵鋰電池技術路線而錯過三元鋰電池紅利的比亞迪，終于看到了希望的曙光，刀片電池這一漸變式的創新，將成為反擊的利刃。2021 年 4月，比亞迪宣布旗下全系純電乘用車型都將搭載磷酸鐵鋰刀片電池。比亞迪總裁王傳福對刀片電池很自信，說它可以“倒逼整個新能源汽車行業做出改變”。

根據中國汽車動力電池產業創新聯盟數據，2021 年 1~11 月，磷酸鐵鋰電池累計裝機量為 64.8 GWh，占總裝機量的 50.5%，高出三元鋰電池 1.2%。歷時 3 年，磷酸鐵鋰電池全面反超三元電池，重回市場中心，只是這次它已經撕掉了低端山寨的標簽。

04. 三元鋰的回歸

在上海交通大學建校125周年活動上，沈南鵬曾提問寧德時代董事長曾毓群：三四年后，三元電池和磷酸鐵鋰電池將會各占多少比例？

曾毓群沒有給出具體數值，但他表示，隨著充電樁的愈發普及，未來續航里程需求降低，磷酸鐵鋰電池的增長速度會非常快，三元鋰電池的占比則會逐步減少，而一些需要長續航的高端車依然會需要高能量密度的三元鋰，“我們基本上是不能偏科的，全部產業鏈都做”。

磷酸鐵鋰勢如破竹，并不意味著三元鋰電池會就此沉寂，多位從業者表示不必擔心，現在這種情況只是市場選擇的結果，沒有哪種技術是可以始終領先的，企業只會傾向于選擇成本更低，性價比更高的方案。雖然磷酸鐵鋰電池一直努力向更高的價位滲透，但是就目前而言，三元鋰電池依然在續航里程更高，定位更高端的車型上占據主導地位。

就在上個月，特斯拉官方推特宣布，位于美國加州的 Fremont 工廠成功下線了第 100 萬顆 4680 電芯，這被視為三元鋰電池領域最讓人期待的技術創新。其實早在 2020 年，馬斯克在特斯拉電池日發布這種新技術的時候，就吊足了大家胃口，甚至有些準車主愿意放棄提車等待搭載新電池的車型上市。

4680 電芯是指直徑 46 mm，高 80 mm 的圓柱型電池，采用激光雕刻的無極耳技術，去掉了電池主要發熱部件，內阻減少，讓更高密度電芯成為可能。根據特斯拉 4680 電芯的性能規劃和體積、重量換算，與現有車型搭載的 21700 電池相比，未來量產的 4680 電芯可以實現 12.39% 的體積能量密度提升，以及 18.67% 的重量能量密度提升。在擊敗燃油車最驕傲的續航能力上，這種電芯被給予了厚望。

三種規格電芯對比

近日，松下正式宣布將在日本和歌山縣的工廠建一座新的 4680 電池的生產設施，該工廠將增建兩條生產線，并在 2023 財年大規模生產用于電動汽車的 4680 電池。

同時，在美國得克薩斯州的特斯拉超級工廠，首批采用 4680 電池和結構化電池組（CTC）的 Model Y 已經開始生產，有望在一季度末向消費者交付。

結語

當 4680 大圓柱電池逐步成熟，配合 CTP、CTC 等技術，三元鋰電池的單位成本將進一步降低，到那時三元鋰電池是否會重回巔峰，又或者會被鈉離子電池等全新的技術路線顛覆取代呢？這些，就交給時間來告訴我們答案吧。

參考文獻：

[1] 黃彥瑜. 鋰電池發展簡史[J]. 物理, 2007, 36(08): 643-651.

[2] 葉玲珍.磷酸鐵鋰重回C位 未來動力電池競爭格局如何演變？[EB/OL]. 證券時報網 . 2021.

[3] 劉雅坤. 傳奇 TESLA ROADSTER[J]. 世界汽車, 2011 (4): 58-63.

[4] 陳弗也. 探訪寧德時代總部：“首富”曾毓群和他的萬億電池帝國[EB/OL]. 棱鏡·騰訊新聞. 2021.