电池研究院：电池的长寿秘诀是什么？

我们如此关注二次电池的寿命，却对汽柴油机的寿命并不上心。到经销商购车时，消费者基本上不会问“这台发动机能用车报废吗？”，毕竟现在已经2021年了，谁家车子还准备开个100万里程/30年车龄然后重新吊装一台新发动机进去，再开启下一个30年？

嗐，电动汽车可就折腾了，请问你买电动车的时候准备开30年吗？但凡有盘花生米都不会醉成这样……

我们都用过大量的锂离子电池产品，最典型的就是智能手机，它的电池特性非常接近我们的电动汽车：

1、只有唯一储能/供能装置；

2、电池娇贵得很；

3、电池超级不经用，我们因此患上续航焦虑症；

4、电池充放几百次就不好用了。

这就是我们今天要讨论的话题：电池并非红颜但为何如此薄命？

电池的寿命分为循环寿命与日历寿命，循环寿命还能细分为标准和工况：

1、标准循环寿命（Cycle Life）：用充放电循环次数来计算电池寿命，当电池容量低于额定容量的一定值时（比如额定的80%以下）就视为电池寿命终结。

由于查看国标官网出现文件错误的问题，所以用的是其他网站的带水印截屏。

2、工况循环寿命（Working Condition Life）：多用于动力电池，现行的是国标GB/T 31484-2015《电动汽车用动力蓄电池循环寿命要求及试验方法》，按照规范跑循环最终得到一个循环数据结果。

3、日历寿命（Calendar Life）：生产出来之后到电池罢工的时间，不是用循环次数计算，而是用年。这些时间包括电池静止不工作和正在工作的时间，所以这个时间需要考虑温度、荷电状态、充放电倍率等等外部因素。

基于上述信息，因为日常很少用到日历寿命，我们一般会把“电池寿命”、“电池循环”、“电池循环寿命”定义为同一件事物。

值得注意的是，我们说的1个循环 = （一次充满至100%的过程）+（一次放空至0%的过程）

也就是你插上去从30%充到80%又从80%消耗到30%，这只能算0.5个循环，重复多一次才算跑完1个循环。

循环寿命用完之后，电池就完犊子了，这时候我们会说电池寿命EOL（End Of Life）。

为什么关注电池寿命？

1

用户体验

为什么电动汽车用户关注电池寿命的强度，远远高于智能手机和笔记本电脑的用户呢？

锂离子电池循环次数多了之后，锂枝晶慢慢聚集，活性锂减少，电池容量变得越来越低，充电速度越来越慢，放电功率越来越小，各位的汽车、手机和电脑上的电就越不经用。

手机和电脑还能换电池，去官方服务店十分钟弄好，但电动汽车就贼麻烦了，脱离汽车单独销售的动力电池没有高额国家补贴，此外换电过程非常麻烦，毕竟没有几台在售电动车是标配换电模式的。

一套换电大保健下来，成本居高，保值率极低，还不如直接换车。

2

保值率

笔者非常喜欢用索尼D系列的线性录音笔，索尼喜欢用AA电池来供电，录音笔用上十年也没关系，因为随着AA电池技术的提升，续航能力一年比一年厉害。

可是电动汽车的续航曲线是完全相反的，一年一个台阶往楼下滚，五年基本就是扑街状态了，运营车辆更是两三年形同废物。

正因为电池寿命相比汽柴油机寿命而言非常拉胯，二手车商都很忌讳收电车，砸手里的概率太高。别忘了，静置的电池还会消耗日历寿命，而且现在鲜有专业设备精准监测电池剩余寿命，这就意味着你数十万收的这台电动汽车，里头最贵的是“薛定谔的动力电池”。

3

拥车成本

现在很多车企喜欢拿“每公里能耗价格”来掩盖电动汽车的成本拉胯事实，没有人站出来说电动汽车残值率过低导致“全生命周期的拥车成本过高”之问题。

当然，笔者并非用循环寿命的缺陷一味贬低电动汽车，我只是想表述一个客观事实：如果你的年行驶里程很高，比如3-5万公里/年，购买一台消费级电动汽车大概率更省钱；如果你的年行驶里程很低，一万几千公里，那么汽油车是目前更实惠的选择。

4

环保需求

电池寿命过短，缺乏换电模式，电/车分离不补贴，这三个原因共同促成了电动汽车的环保缺陷。

因此，电池配方、电池工艺僵待突破，只有提升电池循环寿命才能更好地守卫电动汽车的“环保”Flag。

笔者毫不犹豫地认为电动汽车的Well-To-Wheel（油井到车轮）效率远高于汽柴油车，集中发电所排放的污染远低于汽柴油车自己边跑边烧边排，循环寿命大增的电动汽车必然是未来的环保主力，但现在一定不是。

电池寿命的影响因素以及延寿方式

因为影响因素和解决方案是一一对应的，因此放在同一节里面解答。

1

正极材料

二次电池的配方是决定电池循环寿命的最重要因素。这就如你用红白两根萝卜怎么都整不出佛跳墙一样，缺了鲍鱼、海参、鱼唇、杏鲍菇、花菇、墨鱼、瑶柱，提鲜全靠脑补滋味？

电池配方的事，我们先来说正极。现在多数电池都是用正极配方来命名的，来呀店小二，上表格：

主要的二次电池
命名	负极	电解质	正极	标称电压(V)	备注

Aluminium-ion battery

铝离子电池石墨铝2.0理想很丰满

现实很骨感Dual carbon battery

双碳电池碳钾离子电解液碳耐高温

充电超快

当超级电容吧Lead–acid battery

铅酸电池铅硫酸溶液二氧化铅12电压稳定

产业成熟

能量密度低Glass battery

玻璃电池石墨固态电解质碱金属可能是下

一个突破口Lithium-ion battery

锂离子电池石墨

等无数种无数种3.2

3.721世纪

电池之王Magnesium-ion battery

镁离子电池镁1.5

2.0高能量密度

循环寿命长Metal–air electrochemical cells

金属-空气电池镁

铝

锌

等碱性溶液氧细分种类

非常多Microbial fuel cell

微生物燃料电池微生物电极微生物电极利用污水

或光合作用

发电Nickel–cadmium battery

镍镉电池镉二氧化镍1.2老式手机电池Nickel hydrogen battery

镍氢气电池镍氢氧化钾

氢气催化剂1.25使用气态氢

高压电池

循环寿命长

用在卫星上Nickel metal hydride battery

镍氢电池金属氧化物氢氧化钾氢氧化镍1.2镍镉进化版Nickel–iron battery

镍铁电池铁氢氧化钾氧化镍1.2爱迪生发明

价格高

可靠性极高

铁道车辆使用Nickel–zinc battery

镍锌电池锌氢氧化钾镍1.65历史悠久

一致性差

不能过充Solid-state battery

固态电池固态电解质能量密度高Potassium-ion battery

钾离子电池金属氧化物固态聚合物碳类钾便宜Rechargeable alkaline battery

可充电碱性电池锌碱金属氢氧化物二氧化锰1.5循环寿命短

20个深度循环Silicon–air battery

硅空气电池氧硅1.2材料便宜环保

能量密度高

暂未实用化Silver zinc battery

银锌电池锌碱金属氢氧化物氧化银1.55笔记本电脑

助听器

人造卫星

潜艇与鱼雷Silver-cadmium battery

银镉电池镉氢氧化钾氧化银1.1有毒

电压太低Sodium-ion battery

钠离子电池无烟煤基锰基

铜基钠丰度高

替代铅酸

低速电动车Sodium–sulfur battery

钠硫电池熔融金属钠液态硫

多硫化钠熔盐高温电池

制造简单

电网储能字母代码负极电解质正极标称电压(V)样例

我们现在经常聊的三元锂电池，主要有镍钴锰酸锂电池NCM和镍钴铝锂电池NCA，其中前者正极里头的锰Mn元素可以提供稳定工作环境，增长循环寿命，但锰不是越多越好的，现在大家都推崇高镍电池，提升能量密度，钴的用量比例则是越来越低，毕竟钴矿贵上天了。

锂离子电池里面，磷酸铁锂配方就如开挂阿三一样存在着。在7年前，有几家汽车媒体曾经给一台跑了50万公里的比亚迪e6深圳出租车（标称续航300km）做过续航测试，测出来的实际续航里程还是挺硬核的。

想了解测试详情的可以点击下图看全文：

如今，磷酸铁锂电池的整包循环寿命通常都有2000次甚至更多，有些实验室的1C循环寿命可以达到3500-5000次，宁德时代在2019年更是发布了可以循环12000次的磷酸铁锂储能电池产品。

此外，镍氢配方的循环寿命也非常长，2000次妥妥的，可惜能量密度实在太低了，只能作为HEV或者PHEV的动力电池，单独驱动BEV的案例不是没有，但都没畅销。

2

负极材料

更加稳定的负极材料可以延长电池寿命。当我们使用大电流快充时，负极晶格面临过多的活性锂离子的嵌入动作，应接不暇之余引起电极处的浓差极化现象，导致局部过热并让电极材料被破坏。

电池负极材料大纲
碳素材料	石墨	天然石墨/人造石墨
	软碳	焦炭/中间相碳微球
	硬碳	碳纤维/PAS
非碳材料	锂金属
	氮化物
	合金	锡基材料/硅基材料
	钛酸锂

正负极的压实程度也会影响电池寿命。虽然电极压实可以提升能量密度，但也会破坏正负极材料结构，浸液不充分，并对电极的稳定性和耐用性产生影响。

此外，一般设计锂离子电池的时候都会让负极过量，因为常用的石墨负极一直都是电化学循环的短板，如果负极“过量”不足，活性锂就会在负极表面积聚成死锂，也即是尖尖的锂枝晶，弄破SEI膜之后就等短路自燃吧。

3

电解质

因为活性锂真的比六一儿童节找你讨要礼物的女朋友还活泼，而电解液中的酯类溶剂也很活泼，所以电池稳定性不佳。好在有另一种稳定性比较好的醚类溶剂用来中和，只是这种醚类溶剂不能无限增加比例，虽然它还有消解锂枝晶沉积的大优势，但又会产生降低电池循环寿命的副作用，相当于在绝情丹上面撒砒霜，让你吃也不是，不吃也不是。

如果是当前常用的液态电解质，就会面临注液量和保液量的问题。注液量是初始状态，注液量不足就会削减寿命；保液量要看使用时消耗电解液的速率，保液量不足也有同样的后果。

再者，电解液中的痕量水分可以一定程度上保证电芯的性能，只是水分过多会阻碍SEI膜的形成，还会与活性物质反应并破坏电池内部结构，让它折寿。

最后说说固态电解质，也就是最近比较热的固态电池。当前多数研究都没有表明固态电池有循环寿命的优势，只是我们一厢情愿认为固态电解质比较“稳固”比较不容易“被消耗”。当前实验室阶段的固态电池可以达到1000次以上循环寿命，最多有吹45000次的（嗐，又是骗风投的PPT）。

4

SEI膜的形成与预锂化

锂离子电池首次充电时会形成SEI膜（固体电解质界面），消耗掉大量来自电极材料的锂离子，虽然降低了内部短路风险、防止溶剂分子的共嵌入并提升循环寿命，但也因此降低了总容量。

为此，我们可以通过预锂化对电极材料进行补锂，抵消SEI膜的锂离子消耗，从而提高电池的总容量和能量密度。

换句人话来说就是：茄子太吸油，所以我们炒茄子时多放油……

预锂化技术有很多个方向，其中正极补锂可以使用富锂化合物、二元锂化合物等等，负极补锂可以使用锂箔补锂、硅化锂粉等等，在此不作展开。

5

生产工艺

荧幕形象“傻大黑粗”如AK-47，耐用性能如此强悍，其实离不开精密的生产工艺。那些总是出故障的AK47其实是苏联出口技术或者小国直接仿制的二等、三等次品。

电池也一样，如果制造工艺到位了，寿命自然会长一大截。

锂离子电池的配方与型号各不相同，生产工艺流程大体可以分出三段：

第一段 电极片的制作：正负极浆料制备、涂覆、干燥碾压、极片/隔膜分切

第二段 电芯的制作：卷绕/垫片、外壳焊接、封口、注电解液

第三段 封装和检测：化成（首次小电流充电）、分选、组装

在以上的工艺流程中，每一个细节都会直接或间接影响电池的循环寿命。

6

成本控制

一块简单的电芯需要受到多达6个维度的因素制约：循环寿命、功率密度、能量密度、工作温度区间、安全、成本。

如果成本管够，很多问题都能迎刃而解，然而现实中最不可能管够的必然是成本（狗头表情），毕竟你造一台捷达那么小的电动车出来并要价50万，风投老板会让你手握十八张医保卡都不够用。

因此，制约电池寿命的因素中必严肃考虑成本，而这可以通过增大批量降低单价来实现，然而订单量并非你想增就想增的。因此整个小节聊的都是正确的废话，打住吧。

7

高温

别看电池长得如此木讷，这玩意感情丰富得很，太热受不了，太冷受不了，充多了不行，放多了不妥，比老佛爷还难服侍。

高温对电池寿命是有影响的，高温会让电池内部很不舒适，可充电/可放电的量减少，充/放电的速度降低，严重的情况还会造成电解质和极片反应，电池寿命会减少。

这只是慢性自杀，还有一招急性的，这时候我们要提一下电池领域的三个温度：T1 自生热起始温度、T2 热失控引发温度、T3热失控最高温度。T2是一个很关键的温度，其机理在学界还没研究透彻（摘自欧阳明高院士演讲稿）。

当然，因为有冷却系统的存在（风冷或者液冷），且电池换能效率特别高（热效率高于95%不少，不像内燃机那么弱鸡），电池没那么容易到达T2。

这时候最魔幻的事情来了：负极的析锂效应可以大幅度降低T2。

如果此时正在使用快充，而且是在热辣辣的环境下使用快充，电池发热量高且不均匀，内部一不小心达到T2热失控引发温度就完犊子了。

8

低温

同理，电池也很不喜欢低温，活性物质不活泼了，电解液不开心了，正负电极不积极了，大家都选择躺平。

在低温前提下使用大电流充电，负极刚开始工作就涌入过多活性锂，此时电池内部活性物质很慵懒，突然硬上完全不合理的KPI，换谁都受不了，脆弱的负极生态被冲得七荤八素，现场混乱，死锂（锂枝晶）接连诞生。

9

抑制锂枝晶

锂枝晶生成的速度，就是电池死刑判决书下达的时间表。

既然说到锂枝晶，我就把自己之前罗列的锂枝晶生成原因再说一遍吧：大电流充电、充电时的局部过热、低温大电流充电、过充电、过放电、锂离子通量不均匀、负极表面不平整、负极容量不足、充电次数过多

10

充电技巧

如果充电方式正确，可以一定程度上给电池延寿：

A、使用正规厂家的充电桩产品，保持电压电流稳定。由于我国电网稳定性非常强，所以充电出了问题请谨慎甩锅给国家电网。

B、可以的话，浅充浅放可以大幅度提升循环次数，只是对于BEV电动汽车而言非常不友好，你不能每次都只用20%-80%之间的60%对吧？丰田给HEV用的镍氢电池就是利用极为谨慎的浅充浅放，做到10年以上数十万公里级别的使用寿命。

C、尽量避免长时间的高SOC涓流充电。大家应该有注意到，现在使用的超级本为了随时都达到最大续航，多数都不能自主调整充电断开阈值的，因此长期插电用的超极本，电池衰减都比较严重，长期保持高SOC就是问题所在。

D、未来可以使用L4或L5级别的无人驾驶技术，配合无线充电设备使用，制定浅充浅放的充放电策略，电池寿命会因此延长。

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放电技巧

除了磷酸铁锂配方之外，多数锂离子电池都很怕过放电，放电深度越接近0%，对电池的损害越大，相当于人体饿太久会折寿那样。

12

长期放置

电池寿命里面有日历寿命，多数锂离子电池都很怕长期SOC过低静置，活性物质会扑街，电池结构会扑街。

一旦重新启用，唤醒电池时必须涓流充电，不然又会引发一波锂枝晶生长浪潮，折寿啊。

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机械滥用

振动/挤压/碰撞/火烧等，这些字面意思就懂的东西不用展开了。

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梯次利用

当电池容量降至额定容量的70-80%以下，就不适合用作动力电池了。我国一年回收动力电池的总量达到20万吨，如果把这些电池全拆解了，将是极大的资源浪费。

电池环保事业的最大公约数是 —— 先梯次，再拆解。

在正规的回收渠道中，废旧动力电池在检测判断为满足梯次利用条件之后，主要被用作以下用途：

1、大容量储能装置：天生大容量的动力电池包可用作组建太阳能发电、风力发电的储能装置，成本是全新锂电池的20%左右（根据住友商事公布的数据），2011年国家电网与比亚迪就有这样的合作项目。

2、低速车辆供能：给动力/续航需求较弱的电动车辆使用，比如高尔夫球车、园区通勤车、厂区AGV自动驾驶运输车等。

3、基建设施供能：给通讯基站、路灯等装置当储能装备，目前包括北汽新能源、长安在内的10余家车企已和中国铁塔达成合作。

4、UPS不间断电源：通用汽车曾用5组雪佛兰Volt废旧电池组建家庭备用电源，满电后可供3-5个美国普通家庭在断电后再使用2小时。同理，用在企业用途上亦可。

结语

动力电池真的非常不好服侍，吃太饱会折寿，吃太快会折寿，吃太久会折寿，饿太久会折寿，太热会折寿，太冷会折寿，左右振动会折寿，上下振动会折寿，吃的次数太多会折寿，吃的间隔太长会折寿……

反正这篇文章重复最多的短语就是电池会折寿。

嗐！

但汽车工业的电气化之路真的不可逆，而我们不会因噎废食，解决电池循环寿命的技术瓶颈正在逐个被突破，10年以内我们有望得到性价比高于汽柴油车的电动汽车产品，或者20年之后的动力电池寿命将不输汽油机。