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科技不是少数人的专利欢迎来到解密科技刀片电池 4680 电池这些名字听起来就像科幻电影里的黑科技但它们到底意味着什么呢今年 4 月份北京还要举办一场机器人马拉松为什么要让机器人跑马拉松呢是单纯的噱头还是藏着更深的意义
今天我们就从电动车到人性机器人一起来聊一聊电池的昨天、今天和未来看看它们如何影响我们的生活我们先从普遍存在的电动车开始目前电动车的电池的主流技术主要还是锂离子的电池而锂离子电池又分为磷酸铁锂电池和三元锂电池两种磷酸铁锂电池电池的成本低循环寿命长、安全性高在中国市场占主导地位
磷酸铁锂电池它的成本低是因为和三元锂电池相比磷酸铁锂电池不含镍和钴磷酸铁锂电池的正极用的材料是磷酸铁锂负极用的材料是石墨磷酸铁锂是一种合成材料它并不直接存在于自然界当中它是由磷酸铁和锂通过化学成分合成的方法制备而成它安全说明长成本低
但能量密度较低石墨作为负极材料它的充放电比较稳定成本低导电性好但能量密度也受限而三元锂电池的正极是镍、钴和锰或者是铝的氧化物负极也是石墨钴作为一种金属相对来说很稀缺全球的储量有限主要分布在钢果全球供应量占全球供应量的 70%因此受地缘政治影响也比较大
因为钢果的政治稳定性和矿业道德问题这个矿业道德问题主要是指同工啊环境污染等等镍相对丰富但高品位的镍矿也比较少它主要的产地在印度尼西亚菲律宾和俄罗斯钩主要用于稳定的正极结构来提供高能量的密度防止过热和降级增加循环寿命镍呢主要用于提高电池的能量密度
增加持续续航能力减少对沽这种金属的依赖磷酸铁锂电池它的循环寿命可以长达 3000 到 5000 次电动车电池的循环寿命指的是电池在充放电的循环过程当中能够维持正常性能的总的循环次数通常这个指标是指电池在充放电达到一定的次数之后
电池的容量下降到标称容量的某个比例通常是 80%这个时候的循环次数按照这个定义是说电池充放电 3000 到 5000 次之后电池的容量才会下降到标称容量的 80%3000 次充放电的话假设每天充放电一次有点夸张要接近于 10 年的时间电池容量才会下降到标称容量的 80%
我不知道听众当中的是不是有电动车的车主电动车车主对这个 3000 次下降到 80%的数字的感受如何目前国内电动车大部分都是磷酸铁锂电池而三元锂电池呢它的循环寿命可以通常是在 800 到 2000 次之间比这个磷酸铁锂还要低那磷酸铁锂电池的缺点是它的能量密度较低通常在 150 到 200 瓦每千克之间
它的低温性能也较差应用的车型主要是大家比较熟悉的比方说比亚迪的刀片电池还有特斯拉标准续航版的 Model 3 和 Model 1 电池的能量密度指的是单位质量或者是单位体积的电池所能存储的能量通常用这个指标来衡量电池的性能和续航能力电池的低温性能指的是电池在低温环境下的放电能力充电效率和循环寿命
通常用于评估电池在寒冷环境中的表现低温环境会影响电池的能量输出充放电速度和寿命的衰减而三元锂电池它的能量密度较高能量密度可以高达到 200 到 300 瓦时每千克它的低温性能也比较好充电效率也高我们手机的电池的技术也是三元锂电池
但是三亿锂电池的缺点是成本比较高因为它要沿路依赖于钩和镍等这种比较稀缺的金属资源它的高温性能高温稳定性能比较差所以需要比较复杂的这种软件的和硬件的热管理系统三亿锂电池应用的车型主要广泛应用于高续航的电动车比方说特斯拉的 Model 3 和 Model Y 的这种高续航版还有蔚来的 ES6 等长续航的车型
在欧美的电动车里边这种三元锂电池相对来说比较常见以上介绍的是三元锂电池和磷酸铁锂电池它们是目前电动车的主流的电池技术在这两种技术为代表的锂电池当中除了前面提到的正负极用到了不同的材料之外电池内部还需要有电解液目前的商业化的锂电池当中电解液主要是液态的
负责在正极和负极之间传输锂离子完成充放电的过程电解液的主要成分是有机溶液如比方说叫碳酸质这些物质易燃且挥发性强电解液的热稳定性较差在高温过冲和短路的情况下电解液可能分解产生可燃气体导致电池热失控甚至发生起火或者是爆炸
除了除此之外液态的电解液在高温长时间的作用之下可能也会发生化学分解影响电池的寿命长时间循环使用的时候电解液会和电池的材料发生负反应导致电池的容量衰减液态电池还可能会发生泄漏液态的电解液如果泄漏可能会腐蚀电池内部的结构甚至影响周围电子元件的安全性由于液态电解液需要进行封装
电池必须采用隔膜否则容易造成短路这样也增加了制造成本和复杂度因此未来的替代的方案就是所谓的固态电池由于液态电解液存在着上速的这些缺陷现在行业正在研发更加安全更加高效的替代方案其中全固态电池就是最受关注的一个方向固态的电解液固态的电解质不会燃烧安全性更高
低温稳定性也更强冬天的续航能力更加稳定寿命也更长它的能量密度也更高可以高达 500 瓦时每千克因此呢提供同样能量的这个电力它的电池的尺寸也更加轻更加小现在主流的电池厂商像比亚迪亚宁的时代等都在研发固态的电池技术丰田计划 2027 年要量产全固态电池
特斯拉宝马奔驰等等也都在布局固态电池的技术说完了电池的主要技术再来谈一谈电池的形状这就是大家前面经常听说过的这种 BRD 的刀片电池特斯拉呢还有这个 4680 电池这些名字听起来都挺炫酷的那他们到底是什么意思呢这其实代表了电动车电池的两种典型的内部电芯的形态
目前国产的电池比亚迪啊宁德时代等等内部的电芯以方形为主也就是说电池内部是有很多个方形的电芯正负极连接在一起形成的而只有特斯拉的电池内部的电芯是圆柱形的 4680 意思是内部电芯是有很多个直径 46 毫米高度 80 毫米的圆柱体正负极连接在一起为什么是选择了 46 毫米和 80 厘米两个数字呢
因为有研发人员指出车用的原注电池直径控制在 45-50 毫米时能最好的兼顾电池的容量和空间的利用率特斯拉在经过多方实验之后编列了所有的关键指标发现 46 毫米是成本最小的电池外径直径 46 毫米高 80 毫米是最完美的注装电池的比例原注体堆叠在一起的时候大家能够想象出来原注体之间是有空隙的
这样的话它的自然散热效果就比较好有空隙就比较利于热管理而方向的电池它的热量的集中度就比较高因此需要更好的热管理此外方向电池的内部电芯单体的尺寸通常比原住电池内部的单体电芯要大相应的单体的能量也大热时控制后的影响也会更大
在电池发生问题的时候,圆柱电池的单体能量较小,不容易引发大范围的安全事故,而方形电池的单体能量较大,如果发生热失控,影响的范围就更大。在短路和刺穿方面,因为圆柱型的电池的单体电芯一般采用了钢壳或者厚的金属壳,因此它的强度较高,抗外部物理损伤的能力强,不易因外力刺穿而短路。
而方形电池的单体电芯通常采用铝壳所以虽然重量更轻但更容易因外力而变形一旦刺穿可能就容易引发短路和热失控这并不是说方形电池不可以选择钢壳或者更厚的金属壳只是为了能够提供更轻的重量方形电池大部分选择了用铝这种外包装的材料让整个的重量下降在能量密度方面
圆柱型的电芯理论上它的能量密度的上限更高新型的大的圆柱比如说 46580 电池它的能量密度是非常高的而方形电芯的能量密度中等这主要是因为圆柱型的电芯的形状使得电池的内部的活性物质分布更加均匀可以更高效的利用空间但目前方形电池也有相应的 CTP 和 CPC 技术来提高它的能量密度
目前全球主流的车企采用方形电池的数量仍然远远高于采用圆柱型电池的这说明方形电池在成本、稳定性和安全性上更具优势但如果特斯拉的 4680 技术成熟并且成本逐渐下降未来可能会看到更多的圆柱型电池的应用宁德时代、易维理能、比克电池等等国内的企业都在研发
大圆柱电池它们用到的尺寸包括 4695 46120 类似于特斯拉的 4680 但目前呢尚没有大规模的量产说完了特斯拉的 4680 再顺便说一下特斯拉的 Megapack 特斯拉的 Megapack 是一种大规模的电池储能系统专为电力公司和大型能源项目设计它旨在提供高效可持续的电力存储解决方案它主要用于将太阳能风能等可再生的能源存储起来
以便在能源需求的高峰的时候释放出来支持电网的稳定主要的应用场景包括电网平衡用于平衡电力的需求与供应在需求高峰的时候释放存储的能量第二是用于可再生能源的存储为太阳能和风能等可再生能源提供存储解决方案使这些能源能够在非生产时段来被使用
同时也可以利用作为备用电力为电力系统提供可靠的备用电源以应对突发的电力中断 Megapack 的主要特点是一,高容量每个 Megapack 的单元存储单元的容量可以高达 3.9 兆瓦时能够为数千个家庭提供电力第二个是模块化的设计 Megapack 是由多个模块组成可以根据需求灵活扩展支持大规模储能系统的建设第三是安装快速
相比传统的储能系统,Megapack 的安装速度更快,特斯拉提供了预先组装的解决方案,减少了现场的安装时间。第四是高度集成,Megapack 配备了内建的逆变器冷却系统和能源管理系统,简化了电池储能设施的运维。第五个特点是环保,它支持清洁能源的存储和分配,减少对化石燃料的依赖,降低碳排放。
当然国内的宁德时代比亚迪和国宣高科等等也有类似的产品说完了电动车的电池再来说一下人型机器人的电池人型机器人的电池和电动车的电池技术有很多相似之处但也有一些不同之处主要的相似点和区别如下相似点一都是采用锂电池技术目前人型机器人和电动车通常都使用锂电池尤其是磷酸铁锂和三元锂电池
这些电池具有较高的能量密度较长的使用寿命和良好的充电性能但能量密度方面电池的能量密度对于两者来说都很重要这两个使用场景机器人和电动车对于电动车电池需要提供足够的能量以支持长时间的行驶而对于人型机器人电池则需要提供足够的电力来维持机器人长时间的运作尤其是在进行高强度的动作时区别呢
第一是在于功率的需求电动车的电池需要更高的功率来驱动较大的电动机因此其电池设计更侧重于提供较高的电流输出而人型机器人的主要场景是在动作和智能计算方面所以其相对的功率的需求相对较低因此他们的电池设计可能会更加注重轻量化和高能量密度以减少重量和延长使用时间在电池的尺寸和重量方面
电动车需要较大的电池组以支持其较长的行驶距离因此电池的体积和重量通常都较大而人型机器人则需要更小巧且轻便的电池以确保机器人能够保持灵活性和便于移动人型机器人一般不会使用过大的电池组而是追求高能量密度的电池来实现较长的工作时间
第三个不同在电池管理系统方面虽然两者都需要电池管理系统来确保电池的安全性能和稳定性但由于两者的用场景不同电池管理系统的设计和需求也有所不同人型机器人的需求在于精确的控制和多任务处理上可能需要更多的电池监控和优化管理而电动车则更多的是关注续航和充电效率
跟大家想象的可能不太一样的一点是目前人型机器人的电池的使用时长还非常的短续航时间能够到两个小时的已经算是非常不错了这个瓶颈主要在于目前人型机器人仍然是在用锂电池技术能量密度较低或者是说有限因为前面提到了锂电池的能量密度大概是 150 到 250 瓦时每千克跟电动车不一样电动车普遍是巨大的电池包
电动车的车身重量大部分在两吨半左右普遍高于汽油车的一吨半最近还有一款电动车夸张到了自重超过了三吨这是个什么概念呢这个三吨比家常版的 2.5 吨的路虎还重了 0.5 吨机器人内部的空间紧凑不可能给电池留下巨大的空间所以人型机器人无法再延续电动车靠增加电池的尺寸和重量来提升续航的套路
大家可能听说过今年 4 月份北京的益庄地区要举办人型机器人的马拉松我在不了解之前也曾经觉得这机器人马拉松可能就是个噱头炒热点炒流量但某一次有机会听了主办方的访谈才知道马拉松的主要的目的是来检验机器人的电池的续航能力和长时间输出的稳定性前面说了
目前人型机器人的续航能力能够到两个小时的就已经算是续航能力非常强的了而这次马拉松要求它其实是个半码要求三个半小时之内必须完成中途你可以去换机器人或者换电池但你每换一次你比赛的时间要假设十分钟所以我个人大胆的预测一下人型机器人的电池锂电池很可能不是最后的商用方案
而是高能量密度的固态电池或者是其他的技术才是最终的解决之道固态电池目前已经能够把人性机器人的续航时间提升到 6-8 个小时了无论是电动车还是人性机器人电池从来不是简单的能量块而是决定它们上限的关键过去我们围绕着续航、成本、充电速度来优化电池今天我们在探索高安全性、高能量密度的新方案
而未来电池或许不仅仅是储存能量的容器而是更智能更适应不同场景的能量解决方案人类社会的进步很多时候就藏在这些看似不起眼的技术细节里下次再听到某个新的电池的名字或许你会好奇它背后是不是正在推动一场更大的变革感谢收听本期节目如果对你有一些帮助欢迎订阅或者打赏我们下期再见