一、蔚來電池技術的發展
在談梯度利用之前，先花點時間科普電池技術，畢竟談電池梯度利用，不講電池技術的進展，有點瞎子摸象之感。
(一)電池小科普
在談蔚來的電池技術之前，先做些常識普及。
目前電動車電芯的正極主要有兩種材料：磷酸鐵鋰(LFP)與三元鋰電池。
三元鋰電池常聽到什麼NCM/NCA811，前面是取元素符號的第一個英文字，後面是比例。
NCM，分別是鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)，NCA則是把錳換成鋁(Al)。
811就是鎳80%、鈷10%和錳/鋁10%。
為什麼811容易自燃？這是由三個元素在電芯中的作用不同所決定。
鎳：提升電芯體積能量密度
鈷：穩定結構，延長電芯壽命
錳或鋁：降低材料成本，提高材料安全性
可以看到811的能量密度高，但穩定性跟安全性欠佳，如果熱控制做不好或短路，容易熱失控，電池自燃就發生了。
磷酸鐵鋰的能量密度低，但較安全，充放次數優於三元鋰，價格更為便宜，不過在低溫環境下，SOC會雪崩式下降。
而電芯的形狀可分為三種形式，優缺點如下：
目前電動車電芯用圓柱的，主要是特斯拉，大多電動車電芯用的是方形(包括蔚來)。
圓柱的電芯單體能量密度雖高，但電芯排列天生會有較大空隙，注定模組後的效率較低。
以特斯拉的Model 3長續航版(77度電池)為例，特斯拉電芯的單體能量密度是257Wh/kg，電池包能量密度只剩161Wh/kg，效率只有63%。
雖然單顆圓柱電芯價格不高，但連接成串，對電池廠工藝要求很高，況且為防止熱失控，需要的絕緣與散熱組件很多。
要監控電芯，需要很強的BMS調控能力，目前特斯拉BMS技術領先全球，才敢用圓柱電芯。
軟包大多用在手機居多，因為形狀自由，模組的單位能量密度理論上可以很高，但加工工藝複雜，成本高，使用車型很少。
(二)100度電池包
1.改良模組(CTP)
蔚來推出的100度電池包，技術並沒有太多革新之處，100度電池包究竟改良了什麼？
首先改良模組的能量效率。
採用CTP(Cell to PACK)，將本來的小模組變成大模組，原本蔚來的70度電池包有32個模組，100度電池包只有12個模組。
蔚來官方宣傳體積利用率提升19.8%、能量密度提升37%和配件簡化40%。
簡單講同樣能量密度下，更省錢了。
原本70度的電池包，電芯單體能量密度是206Wh/kg，電池包的能量密度只剩136Wh/kg，單體能量密度只有特斯拉的80%，模組效率卻只贏特斯拉5%，可謂慘不忍賭。
改成12個模組後，體積利用率的增加跟減少的配件，都能增加模組的能量密度。
原本被配件占據的空間，現在能塞入更多電芯，重量增加卻不多(多塞的電芯要減去原本配件的重量，才是額外增加的重量)。
100度的電池包能量密度變成186Wh/kg，模組效率提高到80%左右(70度跟100度電池包採用的三元比例很相近，單體電芯能量密度差別不大，但電壓往上提升，能量密度也跟著升高)。
模組效率到80%，之後再靠模組優化的進步空間有限。
2.高鎳單晶的試驗
要提升電池包能量密度，最簡單的方法就是把鎳的比例提高，可是比例提高，安全性有很大疑慮，蔚來自燃差點把自己也燒掉，對安全深有體悟。
要把鎳堆高，可以，但一定要安全，蔚來經不起再燒一次。
所以100度電池包特別強調安全，很多改良針對安全進行，此處對150度電池包發展最重要是──採用單晶。
單晶技術不是什麼黑科技，只是結晶過程控制的區別，量產較為容易，而單晶的三元前軀體合成比多晶複雜，價格較高。
在三元材料比例相同下，單晶的克容量(mA·h/g)稍低於多晶，但單晶電壓可以更高，整體上兩者能量密度相差無幾。
蔚來採用的高鎳55(鎳55%、鈷12%、錳33%)跟普通的NCM523有何不同？
首先是鎳的比例略高於NCM523，多了5%，能量密度會略微提升。
不過鎳的提升不是那麼重要，重點是鈷的比例大幅下調，達到接近NCM811的水平，為之後無鈷高鎳的電池發展試驗。
單晶比起多晶有什麼優勢呢？
(1)更加安全
由於單晶的庫侖效率比多晶高很多，界面穩定性更好，並且在高電壓下的產氣極少。
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越能抑制副反應發生機率，也就減少危險的機率。
並且單晶峰值溫度比多晶高，熱穩定性更好。
(2)循環性能更好
單晶經歷充放電循環衰減比起多晶低很多。
攝氏40度下，單晶NCM523電池經過300次循環後，電容保持率有98%，多晶NCM523電池只剩92%。
攝氏55度下，單晶NCM523電池經過300次循環後，電容保持率在94%以上，多晶NCM523電池已經不足85%。
充放次數越多，差異越大。
既然有這麼多優點，技術難度也不高，為什麼各家廠商不全面採用？
因為單晶材料高電壓狀態下，有個難以忽視的問題：
高電壓造成正極材料與電解液的界面壓力提高
會形成表面缺氧(電解液產生的副反應)和晶界缺陷(界面阻坑增加)。
另外，單晶應對界面壓力時，會導致不同單晶顆料取向不一致，可能會使正極的晶體結構改變，產生不可逆的體積熱膨脹。
可以說這問題沒解決，單晶的高電壓優勢等於廢了，況且在熱膨脹可能發生的前提下，其他優勢蕩然無存。
既然正極的單晶沒法動，那只有動電解液的腦筋了。
3.電解液的解決方案
當前電解液的溶質主流是六氟磷酸鋰(LiPF6)，具有溶解度高、導電性好和電化學較穩定的優點，是目前綜合性能最好的鋰鹽，簡單講就是性價比高。
但LiPF6有兩個致命的缺點：
(1)熱穩定性不佳
LiPF6在高溫下會分解產生五氟化磷，會使溶解分解，產生二氧化碳等副反應，影響電池安全性。
低溫下易結晶，使SOC大幅下降。
(2)對水很敏感
遇水容易水解成氫氟酸，氫氟酸還會反過來促使LiPF6水解，水和鋰會生成氧化鋰，由於氧化鋰的低電子導電性，它的積累會造成電子的阻礙。
這會導致電導率下降，使電池的電容和循環壽命變差，更嚴重會使電池過充，進而產生大量氣體，當電池無法排出氣體到臨界點，便會爆炸。
LiPF6的缺點對單晶是不可忍受的，一定要尋找相對應的替代品。
這時，雙氟磺酼亞胺鋰(LiFSI)橫空出世。
LiFSI擁有全面輾壓LiPF6的性能，導電率跟熱穩定性比它高，又耐水解，此優勢使LiFSI在電池循環壽命、高/低溫表現和安全性都比LiPF6出色。
唯一的缺點──貴！
LiPF6現在的價格大多在7─10萬元/噸，電解液的價格才3─5萬元/噸，LiFSI就算已經大幅降價，一噸也要45萬元。
LiFSI在電解液中的比例上升後，還要額外加鋰鹽使之鈍化，不然容易腐蝕正極集流體的鋁箔，這些添加劑的鋰鹽不便宜，也推升LiFSI的應用成本。
現在大多做電解液添加劑，從原本加0.1%(LiFSI剛量產時，一噸破百萬元)，到現在2─10%。
好消息是近期LiFSI的產能會有數倍成長，天賜材料(002709-SZ)、新宙邦(300037-SZ)和日本觸媒(4114-JP)，在近期都有擴大生產的計畫。
其中以天賜材料最為激進，現有2300噸產能，2021年Q3預計擴產再加4000噸，2022年再加4000噸，有望把LiFSI的價格再往下殺。
目前還不知道蔚來LiFSI添加比例到幾%，不過有BMS的電化學阻抗測算，越多數據反饋，會讓蔚來對電池包的效能與成本做更好的控制。
不曉得高電壓單晶的試驗過程會發生什麼事，所以蔚來跟寧德時代合作的電池包，增加很多安全設計。
為避免熱失控的情況，應對LiPF6的熱穩定性不佳和水解問題，在電池單體間，有更好的隔熱阻燃材料，還沒法解決就利用無障礙煙道，在熱膨脹時會迅速利用壓力排煙。
為防止高電壓短路，有防高壓拉弧的製程，把腐蝕電芯的額外帶電去除，把可能短路之處包覆。
並且有全天開啟的熱失控傳感器(由漢威聯合(HON-US)提供)，能在感知異常第一時間主動開啟電池液冷降溫。
(三)150度電池包
一旦高電壓單晶的測試數據夠多，LiFSI隨著更大產能降價，會加速更加安全、電池循環壽命更長的100度電池包量產。
很可能蔚來的150度電池包到來的時間會比想像的快，到150度電池包後，蔚來不太會再把心思放在電池身上。
從李斌公布的150度電池包數據，此時電池包的能量密度已經到280Wh/kg以上，單體電芯能量密度到360Wh/kg，已經逼近QuantumScape(QS-US)的固態電池能量密度下限(380─500Wh/kg)。
李斌公布的技術路徑，正極採用超高鎳材料，達到高克容量，缺點也很明顯，循環壽命隨脫鋰量會高速下降，需要在材料表層塗抗侵蝕材料。
1.摻矽補鋰
然而抗侵蝕材料過厚會影響鋰離子穿梭，因此要做到奈米級包覆，才不會影響電池充放。
矽碳負極跟無機預鋰化，總歸一句話就是摻矽補鋰。
負極摻矽是降低負極使用量，同樣容量下，矽的理論克容量是4200mAh/g，遠比碳的克容量(372mAh/g)高。
要達到360Wh/kg，勢必要摻矽提升克容量，減少的負極容量能填入更多正極材料，同樣容量下，越多正極材料，能量密度自然越高。
不大量使用，自然是有問題。
矽基負極在充放電體積會膨脹到320%，相較之下，碳基負極只有12%，過度膨脹會造成電芯結構缺陷，循環壽命大幅降低。
所以矽只會少量添加，添加到滿足需求即可，謂之摻矽。
而鋰電池首次充放電，會造成大量鋰耗損，且不可逆，採用矽基，會把問題放大。
矽的膨脹率高，容易導致負極表面的SEI膜(固體電解質介面膜)不穩定，碳基的鋰耗損約5─10%，矽基高達15─35%。
既然已知會耗損這麼多鋰，那預先補充鋰離子不就好了？此謂之補鋰。
目前量產最大的問題：貴跟不安全
不論哪種補鋰的方法，要求製程條件都很嚴苛，成本居高不下；要是製程出問題，鋰的活性大，危險度高，容易失火。
2.原位固化
最後是原位固化的固液電解質。
原位固化是在隔離膜兩側塗覆固態電解質，在電池循環過程會與原本液態電解液起反應，生成SEI，向電極側延伸，形成：
正極─固態電解質─隔離膜─固態電解質─負極
利用固態不易燃，解決熱失控問題；利用液態的高離子電導，保障電池的性能。
目前在材料應用上還有許多難題，就看蔚來跟合作夥伴怎麼解決。
150度電池已經足夠滿足普通車主的續航需求，再高的能量密度電池包，有，更好；沒有，沒差，之後蔚來要努力的方向是降低電池包成本。
創作內容
蔚來(NIO-US)全戰略藍圖分析(四)電池技術
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