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產業
特斯拉（Tesla, TSLA-US） (Tesla) 的粉絲一直堅定地認為，特斯拉的技術水平是遙遙領先的 (不對，這個詞現在已經不能隨便用了) 。
傳統企業的工程師出來反駁，特斯拉並沒有你們以為的那麼厲害。粉絲不服，那你們的續航怎麼沒有超過特斯拉？
工程師不想解釋，卻在私下嘀咕，我們的能量密度也很高，只是成本太高沒人用而已。工程師覺得粉絲也不懂，粉絲覺得工程師都是老頑固。兩個群體就這麼互相標籤化，離多維度地還原事情的本質這件事越來越遠。
在試著探討這個問題之前，我們先界定一下這個問題的前提條件，梳理幾個基礎概念。
1. 車輛續航除了跟電池有關以外，還跟不同工況下的運行有關。由於後者的問題比較複雜，今天主要來談電池。
2. 電池最重要的性能參數是能量密度，能量密度有體積能量密度 (Wh／L) ，也有質量能量密度 (Wh／kg) 。我們在電池上更多談論的是質量能量密度 (Wh／kg) ，它決定了單位重量的電池所儲存能量的大小。
3. 電池的能量密度常常指向兩個不同的數據，一個是電池系統的能量密度，一個是電芯的能量密度。
電芯 (Cell) 是一個電池系統的最小單元，也有人描述為單體電池。你理解為單節電池就行，比如說，一節五號電池。M 個電芯組成一個模組 (Module) ，N 個模組組成一個電池包 (Pack) ，這就是車用動力電池的基本結構。也有人直接把電池包叫做電池組。
（Nissan Leaf 使用的是軟包電池，從上到下依次為電芯，電池模組和電池包。）
其實就是一個很簡單的公式，電池包 = N·模組 = N· (M·電芯) 。
4. 由於電池包關係到電池最終的形狀和車輛佈置，大部分廠家會選擇採購電芯，自己來做電池系統。電池系統的能量密度和電芯選型有關，比如圓柱電池因為單個電芯容量小，電池系統結構複雜，在單個電芯能量密度占優勢的前提下，電池系統的能量密度相對會低一些。 (結論參考來自麥肯錫的報告)
（電動車製造商的電池供應鏈策略，原圖來自麥肯錫，42號車庫翻譯。）
5. 從結構上劃分，電芯主要有三種類型，方殻電池 (Prismatic) 、軟包電池 (Pouch) 和圓柱電池 (Cylindrical) 。
（從左到右分別為圓柱電池、方殻電池和軟包電池。）
從原材料劃分，電芯有磷酸鐵鋰、鎳鈷錳 (NCM) 和鎳鈷鋁 (NCA) 等不同類型，這裡的材料主要指的是正極材料。在原材料的影響中，正極材料對電芯的能量密度影響較大。
負極材料普遍以石墨為主，目前主流研究方向在探索矽碳負極的商業化。
電芯的結構和原材料組成的不同，對電芯的能量密度均有影響。
以上這些內容，我再把要點總結一下。
在我們討論電池對車輛續航里程的影響時，主要討論的是電池系統的能量密度和總體重量的結構佈置。而電池系統的能量密度主要由電芯正負極材料和結構選型決定。
建立了框架上的基礎認識之後，我們現在可以針對具體的車型來談細節了。我們由大到小來看。
首先，是電池包的整體結構。
在麥肯錫的報告中，提出一個很重要的結論，那就是不同車輛結構上佈置的電池系統樣式，對電池系統的能量密度大小有重要影響。對於這一點，我們直接看圖感受。
先來看一看在第二次電動車浪潮裡，生產了第一款量產電動車 EV1 的老牌廠商通用。
以下這張圖，從左到右分別為第一代 Volt，第二代 Volt，Spark EV 和最新款的雪佛蘭 Bolt 的電池系統。其中，Volt 為插電混動車型，Spark EV 和 Bolt 是純電動車型，Spark EV 是自 EV1 停產之後通用推出的第一款量產電動車型。
（照片來自 Jeffery Sauger）
來看一下 Spark EV 的電池佈置和電池結構。
（雪佛蘭 Spark EV）
2014 款 Spark EV 用的是磷酸鐵鋰電池，由 A123 提供，容量 21.3 kWh。
2015 款 Spark EV 的電池改用 LG Chem，96 組，每組 2 個電芯，每個電芯 27 Ah，3.75 V，一共有 192 個電芯，電池容量為 19.44 kWh (192 x 27 Ah x 3.75 V ) 。
整個電池系統體積 135 L，總重 215 kg，比老款減重 39 kg。根據以上數據計算，2015 款 Spark EV 電池系統體積和質量的能量密度分別為 144 Wh／L 和 90 Wh／kg。
電池更換後，兩款車 EPA 標準下的續航里程均為 132 km。也就是說，雖然電池容量和重量都減少了，但是新款電池的能量密度提升了，車輛續航里程保持不變。但是 100 多公里的續航顯然沒太大意義。
要繼續提升車輛續航的話怎麼辦呢。要麼繼續提升電芯的能量密度，要麼就辦法多裝一點電芯。簡單說，要麼繼續用這個平台，要麼就得改了。
舊平台改造 (AEP：Adapted Electric Platform) 分為兩種類型，一種是基於舊平台的舊設計，一種是基於舊平台的新設計。Spark EV 屬於前一種，用的是 Gamma II 平台，雪佛蘭 Bolt 就屬於後面一種，基於 Gamma G2SC 平台設計。
請看，肉眼可見的，電池結構變得更加平坦，電池體積也增加了，可以裝下更多電芯了。沒錯，雪佛蘭 Bolt 的電芯增加到了 288 個，依然是 96 組，但是每組增加到 3 個電芯。
電芯由 LG Chem 提供，每個電芯 55 Ah，3.75 V。電池容量近 60 kWh (實際是 288 x 55 Ah x 3.75 V = 59.4 kWh) 。
電池體積 285 L，總重 435 kg，電池系統的能量密度為 246 Wh／L 和 137 Wh／kg，EPA 續航里程為 383 km。
可以看出，從 Spark EV 到 Bolt，電芯數量增加了一半，電池體積增加了 0.7 倍，電池重量增加了一倍，電池系統的能量密度也增加了一半，而車輛續航里程則增加了兩倍。
重新設計後的車輛底盤，更有利於電池系統的佈局。
除了具有歷史代表意義的通用電動車 (特斯拉也曾經借鑒過 EV1 的設計) 以外，另外一款全球知名的暢銷電動車是 Nissan Leaf。
要說 Spark EV 的電池佈置雖然侷促，但形狀還算平整。到了 Nissan Leaf 身上，本來形狀非常規則的軟包電芯堆疊到一起，被佈置出一個不規則形狀，來適應車輛上的座位結構。
一個電池包裡，有橫著放的，有豎著放的，簡直逼死強迫症。完全沒有體現出日本人應有的處女座特質。
Nissan Leaf 說是自己的 EV 平台，其實也是參照 Tiida 做的。這麼多年過去了，動力系統的佈置一直在調整，但是電池的形狀和位置卻基本沒什麼變化。
（Nissan Leaf 新舊款對比）
經過剛才 Bolt 電池結構的學習，看到這裡你是不是可以猜一猜，Leaf 的續航提升可能有限。
對的。
Nissan Leaf 一共用了三種電池，從 24 kWh 到 30 kWh 再到 40 kWh，電芯數量始終不變，一直是 192 個，EPA 續航里程從 135 km 提升到 172 km 再到 241 km。
然而，Bolt 已經快 400 km 了喂！
當然，你要換一種標準看的話，數據看起來還是可以的。
（Nissan Leaf 在 JC08 標準下的續航表現）
結論說完了，來看一下具體數據。
24 kWh 的電池使用的是 AESC 的錳酸鋰 LMO 電芯，每個電芯 33.1 Ah，3.8 V。電芯總重量為 151.1 kg，電芯的能量密度為 317 Wh／L 和 157 Wh／kg。
30 kWh 的電池用的是鎳鈷錳 (NCM) 電池，重量比 24 kWh 的增重 21 kg。電芯的能量密度為 396 Wh／L 和 174 Wh／kg。
(Nissan Leaf 的電池變化)
到了 2017 款，Nissan Leaf 新增了 40 kWh 的電池，EPA 續航里程 241 km。對，此時已經 2017 年了。
在通用宣稱自己每賣出一輛 Bolt 就虧損 9000 美金時，不知道說日產是省錢好呢還是省錢好呢還是省錢好呢。
美國和日本的代表作都看過了，我們現在來看德國。
福斯 (Volkswagen) 的 MQB 平台很多人都很熟悉了，e-Golf 就是 MQB 平台下的產物。e-Golf 是福斯繼 e-up！之後推出的第二款量產電動車。
有沒有一種熟悉的感覺，那種傳統內燃機平台下誕生的不規則電池結構的尷尬又來了。
e-Golf 的電池在 Volt 的 T 型結構 ( T 型結構最早來源於通用 EV1 車型) 上還加了一對小翅膀，企圖做一點空間上的掙扎。
然而，數據顯示，2015 款 e-Golf 的 EPA 續航里程是 134 km。2015 款 e-Golf 用的是松下三洋的方殻電池，電池容量 24.2 kWh，重 330 kg。一共 27 個模組，264 個電芯 (88s3p)，每個電芯 25 Ah。到了 2017 款，福斯更換了 e-Golf 的電池供應商。最新款 35.8 kWh 的電池來自三星 SDI，選用的是 37 Ah 電芯，EPA 續航里程為 201 km。
依然長路漫漫。德國另外一家不能忽視的廠家就是傳說中培養出三星 SDI 和寧德時代兩家重量級電池供應商的BMW。
終於說到BMW i3。BMW i 系列是全新設計的產品線，從 i3 的電池結構可以看到，非常平整的一個長方體，電池外殼就像一個抽屜一樣，裡面裝了 96 個電芯。i3 老款電池容量 22 kWh，EPA 續航里程僅 130 km，使用的是 60 Ah 電芯。i3 新款的電芯尺寸不變，採用了來自三星 SDI 的 94 Ah 和 3.7 V 的鎳鈷錳 (NCM) 電芯，電芯能量密度為 357.4 Wh／L 和 173.9 Wh／kg。電池總容量為 33 kWh，EPA 續航里程提升到 182 km。
看來，光有結構的平整也沒用，裝不下大電池，就是裝不下。而賓士，最早 Smart 和 B-Class 的電動力系統都是由特斯拉供應的，後來經更換後，結構上沒有大的改動，篇幅有限就不展開了。
特斯拉有從 60 kWh 到 100 kWh 的不同電池版本。中間升級過一次 18650 的電芯，從每節 2.9 Ah 升級到 3.1 Ah，在保持結構不變的基礎上，70 kWh 的版本直接升級到 75 kWh。
我們來看一下特斯拉在 EPA 標準下的續航數據。
(特斯拉 Model S 的續航里程，截圖來自 Wikipedia)
截圖裡可以看到，以 Model S 為例，特斯拉 EPA 標準的續航里程覆蓋 300 多到 500 多公里。而在最新公佈的 EPA 數據裡可以看到，Model 3 長續航版的續航里程也已達到了 499 公里。
從市售產品上來看，完全是碾壓級的勝利。
當然，一個新平台的打造往往需要上百億的投入，在電動車還僅是小眾市場時，傳統車企在財務上的保守表現是非常正常的。這也帶來了特斯拉的機會點和領先市場的優勢。
市售產品的性能對比，實際比較的是產品層面。
產品，其實是企業綜合策略的體現。要考慮市場規模，品牌定位，還要核算成本及價格。比如，一個低端品牌，在沒有品牌溢價的定價能力的前提下，不敢輕易打造像特斯拉這樣百萬級價位的豪華電動車。
當你定義了自己是未來市場的領導者，還是跟隨者的時候，你也同時定義下了，你的產品是不是一定要應用最新最好的技術。而這一點，正是科技愛好者最為看重的事情。
為了更客觀地比較各家產品的差別，現在我們談技術層面，也就是從電池系統要談到電芯了。
從上一個部分的電芯演變，或許你可以注意到，大家都開始採用鎳鈷錳 (NCM) 電池了。NCM 是電池的正極材料，根據正極材料劃分，目前主流的電池主要有三種類型，磷酸鐵鋰、鎳鈷錳 (NCM) 和鎳鈷鋁 (NCA) 。
磷酸鐵鋰電池的安全性更高，能量密度更低，在客車上的應用更廣。比亞迪由於押寶在磷酸鐵鋰路線上，而在三元鋰電池的探索上占了下風。在乘用車上，我們主要認識的就是兩種電池，NCM 和 NCA。特斯拉的松下圓柱電池就是 NCA 材料。
(NCM 電池組成)
想要提高電池能量密度，第一條要做的就是提高電芯正極材料的比容量。鎳的含量越高，電芯的比容量就越高。另外，由於鈷價太高，提高鎳的比例的同時降低鈷的比例，能夠成功降低電芯成本，這也是高鎳電芯發展趨勢的重要原因。
而我們常見的 NCM 111 ／ 523 ／ 622 ／ 811 指的都是這三種元素之間的比例。也就是說，NCM 811 是目前鎳比例最高的電芯。
(BMW 的電池路線圖)
我們從 BMW 的電池路線圖裡就可以看到，NCM 會從 111 的比例逐漸調整到 811。2018 款 BMW i3 會用到三星 SDI 的 NCM 622 電芯，而直到 2021 年以後，BMW才會在 i5 上應用 NCM 811 電芯。
而賓士的 EQ 平台在 2018 年的第三季度就會使用 SK innovation 的 NCM 811 電芯。
從 LG Chem 的資料上來看，計劃使用他們最新款 811 電池的車型有以下這些：
- 日產 Leaf E-Plus ( 60 kWh 版本)
- 現代 Kona EV
- 現代 IONIQ Electric (電池升級版)
- 起亞 Niro EV
- 第二代 Renault Zoe ( 2019 )
- 福斯 ID (2019)
- 歐寶 Corsa EV (2019)
- 標緻 208 EV (2019)
也就是，應用 NCM 811 電芯的車型最早會在 2018 年看到。
雖然這些廠家沒有提供目前 NCM 811 電芯的能量密度數據，但是我們可以看一份 Solid Power 提供的數據。
(來源：Solid Power)
採用 NCM 811 正極和石墨負極的電芯，可以達到 255 Wh／kg，536 Wh／L 的能量密度。而 CATL 的官方資料顯示，他們電芯的能量密度目前能達到 240 Wh／kg。
(來源：CATL 美國官網)
另外，來自比亞迪的官方資料顯示，比亞迪 NCM 電池的能量密度目前能達到 200 Wh／kg。
特斯拉目前 18650 電芯的能量密度大概在 250 Wh／kg 的水平，而在 Model 3 的 2170 電芯上，特斯拉將採用矽碳負極，將電芯能量密度提升到 300 Wh／kg。
也就是說，單純比較電芯能量密度的話，其他廠家可以達到特斯拉 18650 電芯的能量密度水平，但是在已經開始對外交付的 Model 3 上，特斯拉又領先了。
除了在正極材料上提高鎳的比例以外，在負極材料中使用矽碳也是業內認可的一個方向。因為石墨的理論能量密度是 372 mAh／g，而矽負極的理論能量密度高達 4200 mAh／g。
只是矽負極材料存在膨脹的問題，可能會導致電池容量喪失，影響電池的循環壽命。目前在量產電芯上，只有特斯拉宣佈成功應用了矽碳負極材料。
(電池路線演變，來源：Solid Energy)
在《促進汽車動力電池產業發展行動方案》中，工信部提出，新型鋰離子動力東池的電芯能量密度要超過 300 Wh／kg，電池系統能量密度達到 260 Wh／kg，而到 2025 年，電池系統能量密度要達到 350 Wh／kg。
目前，NCM 811 已經把鎳的比例提高到很難再大幅提升的水平了，使用矽碳負極或者研究不同的正極材料將會是一個提升點。而到 300 Wh／kg 以上，固態電池的技術突破將會成為關鍵。
在產品層面上，車企早就可以應用更新更好的技術，但由於早期電動車市場太小，車企沒有大規模資金投入到電動車新平台的開發上，內燃機車型平台的先天因素導致無法裝載大電池。
(福斯的續航時間表)
(日產的續航時間表)
(雷諾的續航時間表)
另一方面，有調研公司的市場調查顯示，三四百公里的續航已經足以滿足當前用戶的需求。老奸巨猾，不，經驗豐富的老牌車企並不想冒冒失失地推出成本高昂的車型。
在傳統內燃機車型的市場上，他們早就習慣如此。在新創公司搶著用華麗數據吸引眼球的時候，他們不急，一邊慢慢推進自己的新平台計劃，一邊想辦法在輿論上攻擊競爭對手。
所以，特斯拉的電池續航能力到底強在哪兒呢。
第一，在電芯技術層面，大家選擇了不同的技術路線，在 250 Wh／kg 水平的能量密度上不分上下。但是特斯拉在矽碳負極材料上成功突破到 300Wh／kg，又早一步領先業內水平。
第二，由於沒有歷史包袱，特斯拉得以拋去內燃機底盤的包袱，開發全新的電動車平台，在電池系統的佈局設計上獲得了很高的自由度，可以很早就推出 100 k／Wh 的電池容量，領先行業幾年。
第三，在馬斯克 (Elon Musk) 一流的行銷能力下，特斯拉成功打造了高品牌定位，從而可以在高價位的市場區間快速應用最新最好的技術。
《雪球》授權轉載
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