电动汽车电池技术的演变反映了历史发展、新兴创新以及市场需求等多方面因素的综合作用。
锂离子电池 —— 如今已成为电动汽车（EV）的代名词，自 1981 年起就已实现商业化应用 —— 在汽车领域的普及却花费了一段时间。世界上第一辆电动汽车配备的是铅酸电池，它早在 1881 年就由古斯塔夫・特鲁韦（Gustav Trouvé）研发出来了，比这整整早了 100 年。
事实上，到 1900 年时，美国当年生产的 4192 辆汽车中，有 1575 辆（占 38%）是电动汽车。当时汽车速度较慢，一块铅酸电池足以提供 100 英里的续航里程。然而，随着汽车速度的提高和需求的变化，铅酸电池就显得力不从心了。随着内燃机（ICE）占据主导地位，电动汽车很快就被边缘化了。
随后在 1996 年，通用汽车（GM）依据加利福尼亚州空气资源委员会（CARB）关于零排放车辆（ZEV）的规定，推出了其第一代 EV1 电动汽车。这辆车同样配备的是铅酸电池。和本世纪早些时候的其他电动汽车一样，由于铅酸电池缺乏与内燃机竞争对手相抗衡的能量密度（体积能量密度和重量能量密度），EV1 无法与之正面抗衡。即便是第二代 EV1，这次配备了能量密度更高的镍氢电池，也依然无法与内燃机竞争。
在这些发展过程中，锂离子电池一直是个旁观者，尽管它的能量密度（体积能量密度和重量能量密度）是铅酸电池的三倍之多，大约也是镍氢电池的两倍。
就在通用汽车对 EV1 进行研发改进的同时，日本日产公司于 1997 年低调推出了阿尔特拉（Altra）电动汽车。阿尔特拉的重要意义在于它是第一辆配备锂离子电池的电动汽车。但它并未流行起来。直到 2007 年配备锂离子电池的特斯拉跑车（Tesla Roadster）推出，才在电动汽车市场掀起了一股热潮，锂离子电池也由此成为主流。
锂离子电池的主要化学体系
锂离子电池的故事到这里还没有结束。“锂离子” 这个词实际上涵盖了涉及锂的各种正极（电池的正极）化学体系。负极（电池的负极）材料则相对固定，石墨被普遍认为是首选材料，不过为了提高能量密度，现在也越来越多地在其中添加硅，但这是以降低电池循环寿命为代价的。
在锂离子电池的最初应用中，正极化学体系的选择是在锂与镍、钴或锰的氧化物组合之间进行的。镍因其能量密度而受到青睐，钴因其可逆性而受重视，锰则因其安全性而被选用。如今，在这种类型的锂离子电池中，将这三种元素按不同比例组合而成的正极 —— 镍锰钴（NCM）—— 由于上述各种特性的权衡考量而备受青睐。
直到相对较近的时候，镍锰钴（NCM）的比例主要是 1:1:1。然而，出于降低成本、提高可持续性（由于钴矿开采带来的环境担忧）以及提高能量密度的考虑，镍的比例已经提高到了这样一个程度：镍锰钴 811（8:1:1）在镍锰钴类型电池中几乎已经无处不在了。下面的图表展示了各种镍锰钴组合的市场构成及预测情况。
镍锰钴 811（NCM811）组合在市场上占据主导地位，并且其份额将逐步增加。所谓的镍锰钴 90 +（NCM90 +）、镍钴铝锰（NCMA）和高电压镍锰钴 60（HV NCM60）等化学体系也值得关注。镍锰钴 90 + 表示进一步降低钴和锰含量的正极（典型比例可能是 9:0.5:0.5，因此在命名中有个 0），以提高能量密度。镍钴铝锰（NCMA）电池以镍锰钴（NCM）电池为基础，在其中添加铝以获得更高的能量密度。
上述内容大多与镍锰钴（NCM）类型的锂离子电池有关（还顺带提到了镍钴铝（NCA））。磷酸铁锂（LFP）锂离子电池的出现让情况变得更加复杂，中国的原始设备制造商（OEM）因其成本较低、热稳定性增强以及磷酸铁锂正极材料易于获取等优点而对其青睐有加。这些特性，再加上磷酸铁锂（LFP）电池的专利在 2022 年到期，使得中国大陆以外的地区对这种化学体系的关注度也有所提高，欧洲和北美的原始设备制造商（OEM）正在建立磷酸铁锂（LFP）的供应链。
截至目前，磷酸铁锂（LFP）和镍锰钴（NCM）—— 以它们的各种形式 —— 在电动汽车锂离子电池化学体系中占据主导地位。据预测，到 2023 年，它们将占全球轻型电动汽车产量的 94%。
以下图表展示了锂离子电池所有主要竞争正极类型之间的特性权衡情况。显而易见的是磷酸铁锂（LFP）相较于其他竞争化学体系所具有的优势。然而，从重量和体积这两种衡量标准来看，它在能量密度方面有所不足，这意味着要达到相同的续航里程，就需要更大体积的磷酸铁锂（LFP）电池，尤其是与镍锰钴（NCM）和镍钴铝（NCA）类型的电池相比时更是如此。
这一短板使得磷酸铁锂（LFP）电池更适用于小型细分市场中的轻型车辆，以及那些性能并非显著品牌特性的车辆。不过，这些不足不应削弱磷酸铁锂（LFP）电池在推动轻型车辆电动化方面所做出的整体贡献，而且它们已经并将继续成为在市场中对价格更为敏感的领域形成发展势头的关键因素。
钠离子电池和固态电池的情况又如何呢？
由于电动汽车在主要市场的销售增长率近期陷入停滞，人们的注意力正转向两种新兴电池技术 —— 钠离子电池（SIBs）和固态电池（SSBs）—— 它们或许有助于重振该行业，并解决现有技术存在的局限性。
与锂相比，钠的储量丰富，因此钠离子电池有可能成为比锂离子电池（包括磷酸铁锂（LFP）类型）更廉价的替代品。它们无需锂离子电池大规模生产所需的复杂供应链。起初，钠离子电池被认为仅适用于储能系统或低性能的两轮交通工具。尽管这些领域仍将是钠离子电池的主要应用场景，但近期的发展态势表明，在轻型车辆领域内，钠离子电池也能找到适合自己的细分市场。
钠离子电池很可能会与磷酸铁锂（LFP）电池展开竞争，因为钠离子电池的能量密度约为每千克 160 瓦时，相比之下，磷酸铁锂（LFP）电池的能量密度约为每千克 200 瓦时。这种较低的能量密度以及较短的生命周期，使得钠离子电池主要局限于低成本、入门级别的车辆。
尽管如此，有几个因素可能会推动钠离子电池在轻型车辆领域得到更广泛的应用。从技术层面来讲，钠离子电池更安全，不太容易发生热失控（热失控可能会引发火灾）。钠的反应活性较低，可减少枝晶的形成，而枝晶形成是锂离子电池常见的故障模式。此外，钠离子电池能在更宽的温度范围内高效运行，在较冷的环境下能提供更好的性能。
钠离子电池的主要优势在于其材料成本。据标普全球移动出行的研究，钠离子电池的材料成本比磷酸铁锂（LFP）电池低约 28%。另外，钠离子电池的制造工艺与锂离子电池几乎相同，这意味着供应商可以以极少的投资实现转型。
尽管钠离子电池前景可期，但在轻型车辆市场中，钠离子电池技术仍处于起步阶段。虽然今年中国大陆已开始限量生产，但预测显示，到 2030 年钠离子电池在市场中的渗透率仅能达到个位数的较低水平。
第二种值得考虑的技术是固态电池（SSBs），它通过用固态电解质取代液态电解质，从根本上改变了锂离子电池的设计。这种转变很复杂，半固态和近乎固态的电解质等过渡性解决方案也在考虑开发之中。
固态电池有三大显著优势。首先，它们能提高安全性；现有的液态和凝胶态电解质具有高度易燃性，尤其是在与热稳定性较差的高镍正极一起使用时更是如此。
其次，当与锂金属负极搭配使用时，固态电池能实现比传统高镍锂离子电池高出 50% - 80% 的能量密度，从而使车辆获得更长的续航里程。例如，蔚来最近推出了搭载 150 千瓦时半固态电池的 ES8，其能量密度达到每千克 360 瓦时，在中国测试工况下续航里程可达 930 公里 —— 比目前最好的锂离子电池续航里程多出约 20%。
然而，固态电池也并非完全没有风险；在极端条件或受损情况下，它们仍可能发生热失控，而且锂的熔点（180°C）也带来了挑战。
尽管有这些优势，但固态电池的推广仍存在一些障碍。使用锂金属负极可能会导致镀层不均匀和枝晶形成，从而对电池的完整性构成威胁。此外，固态电解质的导电性较差，可能会限制功率输出，尤其是在较冷的环境下。在某些情况下，还需要外部加热，特别是对于聚合物电解质而言。
而且，现有的为锂离子电池生产而设计的超级工厂需要进行大量再投资以适应固态电池的制造，这使得转型过程变得复杂。标普全球移动出行估计，到 2025 年，固态电池的成本将约为每千瓦时 500 美元 —— 是锂离子电池成本的五倍多。这意味着，即使固态电池能量密度更高，最初其电池组的成本也会更高。
虽然一些研究表明固态电池可能具有成本优势，但在中短期内，它们仍将比锂离子电池更贵。标普全球移动出行预测，固态电池最初的应用将出现在高端纯电动和混合动力车辆上，在这些车辆中，固态电池所承诺的更长续航里程是一个重要卖点。大中华区和欧洲将引领固态电池的生产，到 2033 年，在预计的 230 万辆搭载固态电池的车辆中，这两个地区将占比超过 73%，梅赛德斯 - 奔驰和宝马等主要汽车品牌将主导其产量。
最后，正如在本次对电池化学体系的综述中所看到的那样，成本是原始设备制造商（OEMs）和供应商在为其应用场景选择合适的电池化学体系时必须权衡决策的一个主要参数。成本也是电动汽车得以推广的主要驱动因素之一。人们过去常认为，只有当电动汽车电池的成本与内燃机（ICE）达到平价时，电动汽车的销量才会起飞。据认为，电池组达到每千瓦时 100 美元的价格点时，就可视为达到了这种平价水平。根据标普全球移动出行所建立的成本模型，目前有几种化学体系已经达到了这一水平。
结论
电动汽车电池技术的演变反映了历史发展、新兴创新以及市场需求等多方面因素的综合作用。归根结底，电池技术的持续发展对于推动电动汽车的普及至关重要，它能让电动汽车更易为消费者所接受且更具吸引力，同时也有助于打造一个更具可持续性的汽车产业格局。对高性价比、高性能电池的不断追求，不仅会影响电动汽车市场的发展轨迹，还将在应对全球能源与环境挑战方面发挥关键作用。
