1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾正準(zhǔn)備一個(gè)關(guān)于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器發(fā)展趨勢(shì)的報(bào)告，在他開(kāi)始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)：每個(gè)新芯片大體都是前一個(gè)版本兩倍的容量。

結(jié)合時(shí)間來(lái)看，每個(gè)芯片產(chǎn)生的時(shí)間都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18~24個(gè)月內(nèi)。

Moore的觀察資料，就是現(xiàn)在的摩爾定律。人們還發(fā)現(xiàn)這不僅適用于對(duì)存儲(chǔ)器芯片的描述，同時(shí)還能夠精確地概括芯片算力和磁盤(pán)容量的發(fā)展。該定律已經(jīng)成為許多工業(yè)對(duì)于性能預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)定律。

最近幾年，隨著電動(dòng)車(chē)普及率大幅提高，動(dòng)力電池迎來(lái)全面爆發(fā)時(shí)刻。電動(dòng)車(chē)中最重要的零部件非動(dòng)力電池莫屬，經(jīng)歷了多年技術(shù)革新，動(dòng)力電池經(jīng)歷了多條技術(shù)路線混戰(zhàn)，最終磷酸鐵鋰和三元?jiǎng)俪觥?/span>

但動(dòng)力電池的發(fā)展過(guò)程沒(méi)有摩爾定律。

動(dòng)力電池的技術(shù)基礎(chǔ)是電化學(xué)，元素周期表在100多年前就已經(jīng)基本架構(gòu)穩(wěn)定，電化學(xué)只是通過(guò)排列組合不同的化學(xué)元素，協(xié)同解決一個(gè)又一個(gè)工程學(xué)問(wèn)題。

盡管在目前階段，電池性能仍然具備廣闊的提升空間，但預(yù)計(jì)未來(lái)將呈現(xiàn)螺旋式升級(jí)：電化學(xué)體系需要綜合考慮能量和功率密度、循環(huán)壽命、安全性等多個(gè)維度，因此基于差異化的出行需求，將形成各有側(cè)重、多元的動(dòng)力電池產(chǎn)品線。同時(shí)，受益技術(shù)迭代、提質(zhì)降本，電池的能力邊界在逐步擴(kuò)大，從而持續(xù)開(kāi)辟全新的儲(chǔ)能場(chǎng)景與市場(chǎng)，形成倒錐形的發(fā)展格局，終局或?qū)?shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)式與固定式化石能源的替代。

這種螺旋式升級(jí)迭代主要分為材料升級(jí)和結(jié)構(gòu)革新，其中正極是決定動(dòng)力電池能量密度的核心。目前的技術(shù)格局中，正極材料成熟且優(yōu)化空間較小，短期突破點(diǎn)聚焦在負(fù)極材料上，而對(duì)固態(tài)電池顛覆式創(chuàng)新的期望，正推動(dòng)很多冒險(xiǎn)者激流勇進(jìn)。

在材料升級(jí)上，正極主要技術(shù)路線中短期不會(huì)改變，但可能會(huì)通過(guò)添加新的化學(xué)元素在一定程度上改變電池的某個(gè)屬性，如磷酸鐵鋰衍生出的磷酸錳鐵鋰，鎳鈷錳衍生出的鎳鈷鋁，等等；負(fù)極材料目前處于突破前期，正在從純石墨向硅碳負(fù)極演進(jìn)。

在結(jié)構(gòu)革新上，則是對(duì)電芯、模組、封裝方式等改進(jìn)和精簡(jiǎn)，以提升電池的系統(tǒng)性能，例如比亞迪的刀片電池、寧德時(shí)代的CTP/CTC技術(shù)和特斯拉的4680等等。

其他技術(shù)路線：鈉離子電池、鉀離子電池、氫燃料電池等等，各有各的適合場(chǎng)景。

固態(tài)電池：固態(tài)電池相比于液態(tài)電池在能量密度和安全性方面都更好，但這項(xiàng)技術(shù)并不容易突破，并且，當(dāng)前外界宣傳的固態(tài)電池的安全性僅僅限于起火方面，對(duì)于其固態(tài)電解質(zhì)的揮發(fā)和毒性問(wèn)題，并未見(jiàn)過(guò)有專(zhuān)門(mén)的報(bào)道。此外，固態(tài)電池的產(chǎn)線幾乎是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)線的完全顛覆，而量產(chǎn)時(shí)間越推越久，就不得不采取折中方案替代之。當(dāng)前來(lái)看，半固態(tài)電池有可能成為固態(tài)電池的長(zhǎng)期過(guò)渡方案，甚至最終方案。

一、正負(fù)極材料的升級(jí)

1991年，索尼將鋰電池商業(yè)化運(yùn)用的時(shí)候，其能量密度就已經(jīng)有80wh/kg，經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，當(dāng)前鋰電池的能量密度最高不過(guò)是其3倍而已，并且更多是基于工程和材料的漸進(jìn)式優(yōu)化，并無(wú)所謂的突破式技術(shù)。

三元材料的技術(shù)演進(jìn)，就是從3系到5系（5:2:3）再到6系（6:2:2）、8系（8:1:1），直至現(xiàn)在的9系高鎳。這個(gè)演進(jìn)的本質(zhì)就是鎳的比例不斷提升、鈷的比例不斷下降、能量密度不斷提高的過(guò)程。

但高鎳在工程上并不容易做到。像NCM811等高鎳三元正極材料，其工藝流程對(duì)于窯爐設(shè)備、匣缽、反應(yīng)氣氛等均有特殊要求，且往往涉及二次甚至更多次的燒結(jié)，成本較高。比如所需的氫氧化鋰原料，要在氧氣氛圍燒結(jié)，還要去離子水洗滌。但常規(guī)三元正極材料則只需要碳酸鋰原料，空氣氛圍燒結(jié)，也無(wú)需去離子水洗滌。

負(fù)極材料的工作原理是在電池中起到儲(chǔ)鋰的作用，鋰離子在充放電過(guò)程中嵌入與脫出負(fù)極，充電時(shí)正極鋰被氧化為鋰離子，通過(guò)隔膜到達(dá)負(fù)極，鋰離子嵌入負(fù)極中；放電時(shí)鋰離子脫出負(fù)極，在正極被還原為鋰。

下一步，人們想用的材料是硅。硅的理論容量高達(dá)4200mAh/g，是石墨的十倍多。但硅有一個(gè)問(wèn)題，在電池的充放電循環(huán)過(guò)程中，隨著鋰離子的嵌入和脫出，硅的體積膨脹率非常大，純硅高達(dá)300%，這會(huì)引起電解液的消耗，進(jìn)而導(dǎo)致電池使用壽命的急劇下滑。

石墨之所以好用，就是因?yàn)樗捏w積膨脹率比較低，只有10%-13%左右。目前，產(chǎn)業(yè)界想到的折中方案是，用5%-10%的硅來(lái)形成石墨+硅的復(fù)合負(fù)極材料，在可以接受的體積膨脹率之下，盡可能去提升容量。

不過(guò)，目前硅碳負(fù)極出貨量還不高，一方面一些技術(shù)難題還沒(méi)有被攻克，比如說(shuō)石墨本來(lái)可以循環(huán)3000次，但加了硅就減半到1500次，同時(shí)硅碳的成本也始終居高不下。

縱觀動(dòng)力電池材料端的演進(jìn)過(guò)程，每一步的提升并不是依靠有人突然間合成了原來(lái)沒(méi)有的東西，而是通過(guò)對(duì)不同元素間的排列組合，來(lái)逐漸突破更好的性能。

二、結(jié)構(gòu)的升級(jí)

當(dāng)人們不斷嘗試新材料的同時(shí)，電池結(jié)構(gòu)也是升級(jí)的另一大重點(diǎn)方向。

如何改進(jìn)底盤(pán)電池包的設(shè)計(jì)？如何提升空間利用率？如何降低零件數(shù)量、降低電池包成本？都是提高動(dòng)力電池綜合表現(xiàn)的重要手段。

各家紛紛亮出了自己的“武器”，比亞迪研究出了“刀片電池”、寧德時(shí)代拿出了CTP/CTC技術(shù)、特斯拉祭出了4680……當(dāng)然本質(zhì)上，封裝路線其實(shí)只有三種：圓柱、方形與軟包。

比亞迪和寧德時(shí)代都走的方形封裝路線，特斯拉的4680則屬于圓柱型。圓柱型是最為成熟的技術(shù)路徑，從消費(fèi)電子開(kāi)始，采用鋼鋁把圓柱的電池包裝起來(lái)，一直是生活中最常見(jiàn)的電池。這種工藝成熟，良品率很高，但BMS復(fù)雜，使用門(mén)檻較高。而方形電池采用鋼鋁外殼，成組效率最高；軟包則是能量密度最高，但經(jīng)歷了一系列安全事故和價(jià)格高昂，曾經(jīng)遭遇挫折，但在2020年后隨著歐洲市場(chǎng)的放量滲透率大幅回升。

全球范圍內(nèi)，不同封裝形式電池均有一席之地，但市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力已有差異。2020 年全球動(dòng)力電池裝機(jī) 142.8GWh，同比增長(zhǎng) 21%，CATL、LG 化學(xué)、松下分列裝機(jī)前三。從封裝類(lèi)型看，裝機(jī) TOP3 的主營(yíng)類(lèi)型不同，CATL 為方形、LG 化學(xué)為軟包、松下是圓柱。從市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力看，TOP10 主要是軟包和方形電池企業(yè)，其中韓系企業(yè)聚焦軟包，中國(guó)企業(yè)主營(yíng)方形居多。

演進(jìn)之中，簡(jiǎn)化環(huán)節(jié)減少用料是做減法，但本質(zhì)是為了開(kāi)發(fā)更加高效高性能的系統(tǒng)。在 CTP的設(shè)計(jì)理念中，更高的成組效率是目標(biāo)，因此開(kāi)展去模組化，減少輔件；降本訴求下，冗余功能、材料的去除也是重要的手段，特斯拉是具備競(jìng)爭(zhēng)力的代表企業(yè)。在做減法的過(guò)程中，能夠發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的性能也在持續(xù)改善，更加集成化的系統(tǒng)代表著更先進(jìn)的管控方式。

結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力電池是金屬離子在正負(fù)極的來(lái)回穿梭，它與電子在集成電路中的運(yùn)動(dòng)完全不同，電子技術(shù)幾十年來(lái)的突飛猛進(jìn)是根源于對(duì)物理學(xué)中基礎(chǔ)理論理解運(yùn)用的不斷深入和成功。

無(wú)論是4680從多功能膠的使用、激光點(diǎn)陣焊接、全極耳的切跌、新型硅碳負(fù)極的應(yīng)用，再到刀片電池富有創(chuàng)意的排布、CTP向CTC電池越來(lái)越集成化，都現(xiàn)代工程學(xué)的結(jié)晶。

它需要企業(yè)家對(duì)技術(shù)路徑的敏銳嗅覺(jué)、解決一個(gè)又一個(gè)工程問(wèn)題的執(zhí)著情懷，以及穿越產(chǎn)業(yè)周期的宏大格局。

定律終有限極，工程永無(wú)止境。