BMW详解2025年电动汽车动力电池会成啥样

从基础科学技术的发展及产业化两个层面来看，至2025年能够满足电动车大规模生产的储能技术，目前只有锂电池。而锂电池发展的核心或者说是瓶颈，还是正极材料。
面向未来电动化的全面普及，锂电池的整体发展趋势是什么？未来能够实现应用化的正极材料到底有哪些？智电汽车结合BMW以及国内的研究报告，分两次对上述两个问题。
一、续航里程482 km的BEV，需要多大的能量密度及功率？

根据BMW公司的预算，目前用动力电池的功率/能量密度的比值（P/E），衡量新能源汽车的动力体系的需求，混合动力汽车（HEV）的P/E约为15、插电式混合动力汽车（PHEV）约为8、锂电纯电动汽车（BEV）约为3。
至2025年，如果BEV的续航里程普遍需要满足300 mile，即482 km的需求，电池系统的质量比能量密度至少需要提升2.5倍，功率密度提升1.5倍。
2015年，目前我国电池系统的能量密度约在100-120Wh/kg左右，提升2.5倍就是250 Wh/kg-300Wh/kg。此外，为保证电池的安全，实际运用的能量一般限制在电池标注能量的80%。
如果再考虑突然提速、空调使用及环境温度变化时，大电流充放电条件下的负面影响，例如，锂离子移动阻力更大，连接件电阻导致的额外能量消耗等，实际能量密度的提升幅度要求将更高。
二、除能量密度外，低温倍率性、电流承载强度、价格是制约动力电池发展的关键

一个产业化的产品，需要满足消费者各个方面的需求，性能提升是多样化的。对于动力电池，除能量密度外，还包括低温功率输出、充电电流、循环寿命、价格、安全性等。
从BMW的分析来看，至2025年，动力电池的常温功率、寿命、安全性，并不是阻碍电池发展的主要因素，电池需要突破的瓶颈主要有以下四点。
1.体积能量密度需要提高4倍，达到800 Wh/l，质量比能量密度达320 Wh/kg；
2.低温功率提高1.5倍，达1000 W（10S，50%Soc，-25oC）；
3.充电电流强度提升3倍，达300 A；
4.价格降低3倍。
BMW的测算结果，与我国动力电池的导向存在差异。我国由于多采用热稳定性较高、晶体构造稳定的聚阴离子型的磷酸铁锂为正极材料，对动力电池的循环性、安全性十分看重。但在这两方面，至少从BMW的分析结果看，可能并不是阻碍现阶段发展的瓶颈。
上表是，主流新能源汽车产品及动力电池的一些参数。虽然是2014年的数据，国外厂家坚持三元系发展的路径是非常清晰的，而且以锰酸锂LMO打天下的日产公司，也逐步向镍钴锰酸锂NCM转化。松下的系统能量密度已经达到170 Wh/kg。
三、电池系统性能的提高，不仅仅依靠正极材料的改进，需要整个系统的完善

当我们评价电池性能与电动车匹配的时候，不能只认准正极材料。例如，磷酸铁锂或是三元不OK，电池就不OK。即便对于稍稍有点电池基础知识的技术人员来讲，这都是极度可笑的。
动力电池分成四个level，材料、电极、单元电池以及系统。每个level研究的尺度不同，从纳米或几个微米，到几十个微米，最后到数百厘米。而每一步的工艺，对电池性能都是至关重要的。
我们过往讨论的磷酸铁锂和三元，只停留在Materiallevel的层面。例如，锂电子的充放电电位、晶体密度（与压实密度关联）、结晶构造崩坍时的放热温度及大小（安全性），但对于电池整体的可靠性及评估，即Pack level来讲，远远不够。

以宝马i3为例，在Pack level，即电池系统，能量密度为100-120 Wh/kg,大约是Material level的4/1，2025年，电池系统能量密度达到250 Wh/kg，电池材料的能量密度大致需要800 Wh/kg，
从增长幅度看，从电极到电池单体的跨越是最为艰难的，所以包括负极、隔膜、电解液、电芯外壳以及安全系统等的减重也变得越来越重要。
四、电池的功率性的提升可能大于能量密度
当我们聚焦电池能量密度的时候，还忽略了电池功率的问题，也就是充放电倍率。下图是目前及未来BMW i3电池的倍率性能。当从1/10C提高到5C，即单次放电时间从10h缩减到 12 min，电池的放电容量变化很小。
同样，电池的重放电倍率性能，不仅取决于正极本身的到电子及离子导电性，也包括负极、隔膜、电解液配比以及涂装工艺。此外，在实验室条件下，利用半电池在10-30s测得倍率数据，这对于通产业化产品的比较是远远不够的。

本文，对未来电动汽车需求的动力电池的关键要素及部分指标进行了概括性的描述，说明了能量密度、功率性能、寿命、安全性对未来动力电池发展的重要性有所不同。同时，表明了动力电池的衡量不是单一的在材料层面可以决定的。
下次，将对动力电池的核心——正极材料的发展进行更为详细的介绍。