千里续航的磷酸铁锂电池是如何实现的？| 既能千里续航又能超级快充的电池来了
一、磷酸铁锂能实现千里续航吗？
在宁德时代的产品序列中，麒麟电池已经成为三元材料的代表（虽然最早发布时麒麟是兼容铁锂的），而神行电池已经演变为磷酸铁锂材料的代表，不过神行电池也有好多个版本，比如最早发布的神行超充电池（4C快充）就分为长寿命版和低温版，其中“长寿命版”可支持8年或80万公里超长电芯质保，而“低温版”在-10°C环境下依然能实现30分钟充至80%。
此外，小米SU7 Pro版本搭载的是神行全能电池，系统能量密度接近160Wh/kg, 总能量也高达94.3kWh（支持纯电续航830km）, 但受限于400V的电压平台以及超过220Ah的电芯容量，其平均充电倍率仅为1.68C左右(参考刀片与神行到底谁能赢？)。
而本次发布的神行Plus电池，在神行全能电池的基础上，一口气将续航提升到1000km, 同时平均充电倍率也维持在神行超充电池的3.6C(参考神行快充一定要麒麟电池吗)，可谓是超充+超能兼得，是高端磷酸铁锂中的性能王者(参考高端磷酸铁锂涅槃归来)
为了实现千里续航，单纯增加电池能量是不够的，因为如果系统能量密度太低的话，所增加电池容量大部分都用来运输电池本身了！根据知乎博主张抗抗的计算， Tesla Model S 75kWh按照 160Wh/kg的系统能量密度，哪怕是能量翻倍到150kWh续航也就700km，远不到469km的两倍，可见电池能量翻倍并不能带来续航翻倍。
那么系统能量密度至少要达到什么水平才能实现千里续航呢？从此前量产的千里续航车型来看，无论是广汽AION LX Plus的千里马版本，还是极氪001的麒麟电池版本，其系统能量密度都接近205Wh/kg(参考既能千里续航又能超级快充的电池终于实现了)，这样来看205Wh/kg好像是绕不开的数值。
不过在2023年5月，国轩高科发布的启晨L600磷酸锰铁锂电池，单体质量能量密度240Wh/kg，系统能量密度达到了190Wh/kg，官方宣称可实现续航1000km(参考LMFP即将拳打LFP脚踢NCM).
此外，在2023年财报投资人沟通会上，王传福提到比亚迪最早将在2024年8月发布第二代刀片电池，能量密度将达到190Wh/kg，纯电车型的续航将突破1000km。
综合这两条信息，再加上目前的CLTC测试工况有利于长续航的实现，系统能量密度190Wh/kg应该就能实现千里续航。
对于磷酸铁锂电池而言，其质量成组效率有望超过85%甚至达到90%的超高水平。根据年初人民日报 “动力电池技术新能量足” 这篇报道，长安汽车采用CTC技术，成组效率可达86%，并将于2024年量产（可能是时代长安供货）。假如按照最高90%的成组效率，那么磷酸铁锂单体能量密度要超过211Wh/kg才能实现系统190Wh/kg。
而这样的铁锂电芯早在2022年国轩高科就实现了，电芯尺寸为354*102*11.8mm（软包）, 0.33C容量55Ah, 电压平台3.2V, 重量830g, 能量密度212Wh/kg.
作为2022年的WNEVC世界新能源汽车大会的创新技术（参考知乎答主Will.Liu），其采用预锂化技术，正极材料克容量发挥150mAh/g, 通过颗粒掺混提高压实密度，平衡性能(不过当时的压实密度也就2.4g/cc)。负极也是采用了掺硅的设计来进一步提升能量密度。由此可见用铁锂实现千里续航还是有希望的。
二、205Wh/kg的系统能量密度是如何实现的？
要实现205Wh/kg的系统能量密度，哪怕是90%的质量成组效率，电芯的比能量要接近228Wh/kg, 这比前面国轩的212Wh/kg还要提升7.5%左右，而且是在方型铝壳电池上。
而且为了提高成组效率，宁德时代很可能采用了CTC的成组方式，并且叠加电芯倒置进一步提高体积利用率，来尽可能多装电池，因为要至少120kWh才能实现千里续航。
参考小米SU7 Pro 94.3kWh实现830km的续航，百公里电耗11.4kWh. 按照当前160Wh/kg的系统比能量，如果提高到205Wh/kg 并维持系统质量不变的话，那么总能量接近120.8kWh。此前哪吒S的千里续航版本也需要117kWh(可能采用了滑板底盘，参考千里续航需要多少度电)
按照前面针对国轩212Wh/kg的电池分析，正极克容量150mAh/g, 平台电压3.2V, 正极材料质量占比44%左右。因为国轩已经采用了补锂技术，铁锂的克容量发挥到150mAh/g也基本是极限了，按照类似的克容量发挥和电压平台，正极材料占比要达到48%才能实现230Wh/kg的电芯能量密度。
考虑到磷酸铁锂的真密度只有3.65g/cc左右，在正极材料中算是比较低的，远不如三元的4.8g/cc, 要实现48%的质量占比得通过提高面密度，进一步降低铜铝箔隔膜以及电解液等的占比来实现。
从官方宣传来看，这款正极确实采用了颗粒级配技术，这样能够将每一颗纳米颗粒放在适当位置，实现超高压密。以目前铁锂的水平来看，宁德时代的压实密度有望超过2.6g/cc, 远高于国轩的2.4g/cc, 这样就能在加大面密度的基础上保持极片厚度稳定，降低内阻。
此外，常规石墨克容量大约是350mAh/g, 按照1.12左右的NP比，负极材料的质量是正极的48%左右，占比还是偏高的。为了进一步降低负极质量占比，这款电池应该是跟国轩类似，采用了掺硅的负极，而且硅的比例可能提高到10%左右，使负极克容量超过450mAh/g, 这样负极质量占比可以降至正极的32%。
官方宣称负极是自主研发三维蜂窝状材料，来提升负极能量密度，控制充放电体积膨胀。考虑到石墨本身的体积膨胀很小，不必用蜂窝状来抑制，这款负极大概率是掺硅了的。同时电芯首创的一体式外壳也有利于进一步提高材料的利用率和质量占比。
值得注意的是，掺硅可能会影响快充性能的发挥并降低循环寿命。不过硅的放电平台电压比石墨高，当掺硅量较少的时候，只有放电SOC非常低的时候才会利用到硅。新能源汽车一般最低电量很少在10%以下，这样硅参与充放电的机会很少，对于整体快充和寿命的影响十分有限。
当然了，以上只是按照纯LFP体系进行的猜测。宁德时代也可能采用LFP跟三元材料掺混的体系配方（在目前的三元电池中，宁王就广泛掺杂了铁锂来改善安全和低温）。
因为虽然主流LFP的上限电压是3.65V, 哪怕是充电到4.2V，LFP材料的循环寿命也不会受到特别大的影响：一方面文献上已经有类似的研究，比如文章Electrochemical cycling behavior of LiFePO4 cathode charged with different upper voltage limits就发现LFP全电池充电到3.6V或者4.2V其循环容量保持率相近；
另一方面，目前的LMFP材料中Mn/Fe的比例是6：4或者7：3，其上限电压就是4.2V, 循环寿命也能做到1500~2000次。
小结：按照宁德时代曾毓群给小米雷军的介绍，神行plus电池今年发布，明年正式装机。而且后面基于三元的麒麟电池续航可以实现1300km。那么这款千里续航的神行Plus电池会花落谁家呢？首先排除小米，因为雷军在车展现场并不知情。参考之前麒麟电池首发的车企来看，极氪以及理想这两家面向高端客户，都是有可能首发神行Plus的。
不过考虑到这款电池可能是集成CTC技术的，而宁德时代CIIC一体化智能底盘此前在三元电池上已经实现了1000km续航，并且在北京车展上提到第一个基于磷酸铁锂电池的滑板底盘产品将于今年下半年量产。说不定这款神行plus电池会率先落地在滑板底盘的车型上，让我们拭目以待。
既能千里续航又能超级快充的电池终于实现了
一、长续航与快充之争
虽然广汽没能够同时实现千里续航和超级快充，但是长续航和快充车型2021年以来也都相继落地了: 其中AION LX Plus在2021年底推出了千里马版本，使用高比能海绵硅电池，电池包能量144kWh, 纯电续航1008km。2022年广汽又在AION V上面推出了超级快充车型，采用6C快充电芯，30到80%充电只需要5min。
值得注意的是，千里续航的AION LX Plus要比普通93kWh版本贵18万左右，且除了媒体试驾的几台车外，基本都是无货状态。类似的，6C快充版本的AION V Plus跟3C超充版本相比较，也是贵了6万元，换来的就是30-80%充电时间缩短了5min，性价比非常低。
这就导致超长续航和超级快充的车型都只是赚了吆喝，完成了集团的政治任务，并没有形成有效的出货量。
而真正实现千里续航车型批量商业化的是宁德时代的麒麟电池，在极氪001车型上搭载了140kWh的总能量并实现了1032km超长续航。其电芯容量182.5Ah, 能量密度285Wh/kg, 采用2P108S的架构。不过该车的价格跟100kWh的版本相比较贵了10万元，续航只增加了300km左右，价格并不便宜，性价比依然不高。
随后，理想MEGA推出了5C快从版本的麒麟电池，能够实现峰值5C的充电倍率，最大功率超过520kW, 12分钟就能续航500公里。
在理想MEGA 5C快充的引领下，一系列超级快充车型相继问世，包括小米SU7, 智己LS6，极氪001，昊铂HT等等，基本都能实现峰值4C以上的充电倍率。
尤其是随着宁德时代神行超充磷酸铁锂电池的发布，将这一轮快充电池的热度推向了高峰，也使快速补能成了高端车型标配，各家的旗舰车型没有800V和4C快充都不好意思发布了。
二、既能千里续航又能超级快充的电池
虽然在这一轮长续航和超快充的竞赛中，后者由于更高的性价比脱颖而出，但仅有快充其实并没有完全解决里程焦虑，因为快充桩并不是到处都有，而且还不一定兼容所有车型。
此外，很多高端车型的消费者喜欢人无我有，既要有超长的续航能力，也要有超快的补能能力，做到双管齐下，即使高速出行也无忧无虑。
随着技术的进步，既能千里续航，又能超级快充的车型终于在今年相继发布了。
首先是4月8日智己L6发布的第一代光年固态电池，使用清陶的半固态电池技术，在133kWh的总能量下，实现了超过1000km的CLTC续航，并且12分钟充电400km对应了平均2C的充电倍率，400kW的峰值功率对应了峰值3C的充电倍率(参考智己L6光年固态电池解析)。这样的快充能力虽然出众，但是离4C还有一定的距离。
随后在4月19日，正力新能发布了正力•骐龙电池，拥有170kWh超大电量，支持纯电MPV车型满电续航1000公里以上，并且可以支持4C快充，充电十分钟续航500公里（平均充电倍率达到了3C）。
其电芯的能量密度达到了306Wh/kg，系统能量密度高达245Wh/kg, 这两个指标跟智己L6的光年固态电池十分接近。更为巧合的是，正力的骐龙电池也宣称采用了“极能态”也就是双重半固态技术，在超高镍正极材料表面进行了固态电解质修复并且使用固态电解质复合隔膜。
这样来看正力新能和清陶的技术方向是十分接近的：都是采用超高镍正极和高容量硅碳负极，并且使用半固态的技术来改善电池本征安全。
区别在于，清陶的半固态电池是方型铝壳，容量超过180Ah, 而正力骐龙电池采用46大圆柱电芯，单体的容量不到50Ah。
大圆柱钢壳对于硅的膨胀有很好地抑制作用，匹配大面热管理设计，很容易做到Fail-Safe，单颗电芯失效整包不蔓延，也就是NTP永不热扩散。而且对高比能下极限快充能力的释放也更有帮助，所以快充性能比智己L6要强一些。
更为炸裂的是，在4月25日的北京车展上，宁德时代发布了神行Plus电池，基于磷酸铁锂正极，不仅续航里程突破了1000km, 充电10分钟续航增加600km, 平均倍率达到了3.6C，比上面两家的都要快。而且系统能量密度达到了205Wh/kg, 更是不可思议。
要知道宁德时代在2023年初给极氪001供货的140kWh千里续航电池，采用了高镍和硅碳负极，系统能量密度也就205Wh/kg左右。要说磷酸铁锂怎么做到的系统205Wh/kg, 相信没几个人知道。官方的宣传是正极采用了颗粒级配技术，负极自主研发三维蜂窝状材料，电芯采用了一体式外壳。此外还可能叠加电芯倒置进一步提高体积利用率。
不过哪怕是接近90%的质量成组效率，做到205Wh/kg系统能量密度，电芯层级要达到230Wh/kg, 铁锂体系难以望其项背。国轩去年发布的LMFP掺混三元的启晨电池勉强可以实现(参考LMFP即将拳打LFP脚踢NCM)。至于具体的实现方式是怎样的，笔者会在后续的文章中进行大胆猜测。
不过即便磷酸铁锂电池单体230Wh/kg, 系统做到了205Wh/kg, 也依然无法满足电动飞行器eVTOL的应用，后者基本要求电芯比能量超过280Wh/kg, 这方面依然是高镍和硅碳的天下。
无论是清陶还是正力的半固态电池，其电芯比能量都超过了300Wh/kg, 系统比能量超过240Wh/kg, 再加上相对优秀的快充和功率性能，在特别高端的乘用车以及新型的eVTOL领域应该会有所建树。
当然, 想要大规模装机也没办法绕过成本这道坎。根据36氪旗下Power On的文章(电动车困局，半固态电池能解吗？)，如果清陶的半固态电芯能做到0.65元/Wh的话，在高端应用场景应该还是有市场的。正力和宁德时代虽然没有提到成本，但是估计也不会比清陶高。 所以说既能千里续航又能超级快充的电池离我们真的不远了。
小结：既能千里续航又能超级的快充是电池技术的集大成者，清陶，正力新能以及宁德时代这三家企业，四月份密集发布了新品，均能实现千里续航，且充电速度越来越快。
其中清陶作为初创企业的代表，选择了最为激进的半固态路线，在正极片表面涂敷了氧化物固态电解质，平均充电倍率2C。而作为二线电池厂中的新兴势力，蒸蒸日上的正力性能选择了更加成熟的材料和隔膜涂敷电解质方案，再加上大圆柱电池优秀的热管理，充电倍率来到了3C；而行业龙头宁德时代并没有采用任何半固态的技术，选择直接在现有的LFP体系上做大幅升级，充电倍率高达3.6C。
这几种技术路线也符合这几家的市场状态，宁德时代作为老大是守擂者，不希望颠覆现有的材料体系；正力新能稳步提升，也倾向使用较为成熟的技术配方；而清陶是创业公司，技术路线上更加激进。
不管怎样，随着快充和高比能电池技术的进步， “千里奔赴，一充即达”的梦想已经近在咫尺了。期待着今年下半年相关车型的落地（根据北京车展上曾总给小米雷总的介绍，神行Plus电池今年发布，明年量产落地；后续麒麟电池续航达到1300km）。