未來數十年，電動汽車將得到較大規模的發展。據IEA預測，到2030年全球電動汽車保有量將從2017年的370萬輛增長至1.3億輛，年銷售量將達到2150萬輛。在這一場景下，年新增電池容量將從2017年的68吉瓦時增長至2030年的775吉瓦時，其中84%將用于輕型汽車。中國、歐盟、印度、美國的需求分別占到50%、18%、12%和7%。

過去二十年，隨著產能規模的擴大，主導電動汽車電池的鋰離子電池技術大幅提升、價格大幅下降，使電動汽車的性價比開始與燃油汽車一爭高下。

關鍵驅動因素

自1990年問世以來，鋰離子電池在消費性電子產品、儲能(家用、公用事業)、電動汽車行業得到了廣泛的應用。隨著產能規模的擴大，其性能大幅提升、價格大幅下降。

將來，驅動鋰離子電池的成本下降和性能提升的四個關鍵因素是：化學材料、電池容量、生產規模和充電速度。

化學材料。電池的性能受兩極化學材料的影響。陰極材料主要包括鋰鎳錳鈷(NMC)、鋰鎳鈷鋁氧化物(NCA)、鋰錳氧化物(LMO)和磷酸鐵鋰(LFP);陽極材料大多數采用石墨，重型汽車中為增加循環壽命，也會使用鈦酸鋰(LTO)。NMC和NCA技術的主要優點是能量密度更高，主導了輕型電池市場;LFP的能量密度低，但得益于更高的循環壽命和安全性能，它成為重型電動汽車(即客車)采用的主要化學物質。化學材料對電池成本有著較大的影響，采用不同化學材料的電池，其價格差距最大可達到20%。

電池容量與尺寸。電動汽車電池容量差異很大，在中國最為暢銷的三款小型電動汽車的電池容量為18.3~23千瓦時;歐洲和北美的中型汽車電池容量在23~60千瓦時;大型汽車的電池容量在75~100千瓦時之間。電池容量越大、成本越低。據估計，一個70千瓦時電池的單位能量成本比30千瓦時電池低25%。

生產規模。擴大生產規模以實現規模經濟是另一個重要因素。目前典型的工廠產能范圍大約為0.5~8吉瓦時/年，大多數工廠的產能約為3吉瓦時/年。按照單輛電動汽車20~75千瓦時的典型容量進行測算，單個工廠的產能相當于每年可以生產6000~40萬個電池組。目前，德國、美國、中國、印度等地正在新建一批產能更大的電池工廠，其中包括特斯拉年產能達到35吉瓦時的超級工廠。

充電速度。當前技術可以實現在40~60分鐘內充電80%。這一訴求增加了電池設計的復雜性，比如降低電極的厚度，這會增加電池的成本;降低電池的能量密度，從而縮短了電池的壽命。美國能源部的一項分析表明，改變電池設計以適應400千瓦的充電將使電池成本增加近一倍。

材料革命主導未來趨勢

根據IEA的分析，鋰離子電池仍將在未來的二十年內占據主導，但其化學材料將逐漸發生變化。

2025年前后，新一代擁有低鈷、高能量密度和陰極鋰鎳錳鈷(NMC)811等特性的鋰離子電池將進入量產。在石墨陽極中加入少量的硅，可將能量密度提高50%，而能夠承受較高電壓的電解質鹽也將有助于提高性能。

2025年至2030年期間，鋰金屬為陰極、石墨/硅復合材料為陽極的鋰離子電池可能會進入設計階段，甚至還可以引入固態電解質以進一步提高能量密度和電池安全性。此外，鋰離子技術可能會被鋰空氣、鋰硫等其他有著更高能量密度和更低理論成本的電池所取代。但這些技術的發展水平仍非常低，實際性能尚待測試。

2018年7月26日出版的Nature主刊上，一篇題為《距離鋰電子電池革命僅余十年》(Ten years left to redesign lithium-ion batteries)的文章指出：鋰離子電池性能和價格的演進速度正在放緩。造成上述問題的主要原因包括：在電極材料的晶體結構中, 可以儲存的電荷量快要接近理論最大值;市場規模的增長難以繼續帶來大幅度的價格降低。更糟糕的是，目前普遍采用的電極材料，如鈷和鎳十分稀缺，且價格昂貴，如果沒有任何新的變化，預計在2030~2037年間(或更早)，鈷和鎳的需求量就會超過產量。另一方面，新的替代電極材料，如儲量豐富的鐵、銅，則還處于早期研究階段。文章呼吁材料科學家、工程師和經費資助機構等加大對基于儲量豐富的鐵、銅等材料的電極材料的研究，否則，電動汽車的大規模發展將受到限制。

經濟性的衡量

影響電動汽車與燃油汽車成本的主要因素包括：電池價格、車身大小(影響燃料經濟性與電動汽車的電池尺寸)、燃料價格以及年行駛里程。

電池價格方面，對于以鋰鎳錳鈷811/石墨為電極材料、產能規模在7.5~35吉瓦時/年、電池容量為70~80千瓦時的電池而言，到2030年的成本可降至100~122美元/千瓦時，與歐盟(93美元/千瓦時)、中國(116美元/千瓦時)和日本(92美元/千瓦時)的成本下降目標十分接近。

電動汽車與燃油車成本的差距會隨著行駛里程的增加逐漸減少，但電池的價格和汽油的價格對該差距的影響超過了車身大小。例如，電池價格等于400美元/千瓦時，電動汽車的競爭力非常小，燃油汽車將是更經濟的選擇。

如果電動汽車電池價格較低，汽油價格較高，每日行駛里程較高時，選擇小型的電動汽車或插電式混合動力汽車比小型的燃油汽車更經濟劃算。例如，電池價格為120美元/千瓦時、汽油價格高于今天的水平，那么無論行駛里程的長短，純電動汽車都將是更經濟的選擇。如果電池價格等于260美元/千瓦時，則行駛里程超過3.5萬公里/年，油價達到1.5美元/升時，才是更經濟的選擇。

對于大型電動公交車來說，如果電池價格低于260美元/千瓦時，行駛4~5萬公里/年的電動公交車在具有高柴油稅制度的地區具有成本競爭力。

原標題:鋰離子電池：如何驅動未來