為什麼特斯拉電池的循環壽命不高，但是它跑得久？
上一篇我們講的是《特斯拉的電池續航能力到底有多強？》。今天我們談藝術。不要緊張，你沒看錯，就是藝術。今天我們談關於電池性能的平衡的藝術。
這是在我和張華博士聊完之後，最強烈的感受。【本文嘉賓是張華博士：復旦大學材料物理專業本科，美國加州大學洛杉磯分校材料科學與工程博士，發射資本董事。】
我問張華，目前動力電池的續航究竟還可以提升多少，快速充電可以有多快，有什麼辦法可以減少電池的衰減。
張華回了我一句，你要是覺得有一個電池，續航超級牛逼，對其他性能又沒有影響，那你可能就太過於天真。
電池是一個很全方位的產品，你要提升某一方面的性能，註定會犧牲其他方面的性能，你得到一樣東西，註定會失去一樣東西，這是電池設計研發的理解基礎。
我楞了一下，沒想到我濃濃的八卦之魂突然進入了禪定時刻。
張華是誰？
在寫完《特斯拉的電池續航能力到底有多強？》之後，我在微博和朋友圈預告過，電池系列會有續篇。只是，和之前不同的是，這次我邀請了一位比我更了解電池的朋友，來幫助我一起完成關於電池性能的系列內容。
張華，就是我提到的這位朋友。他是畢業於 UCLA 的材料科學與工程專業的博士，同時也是發射資本的董事，在電池相關領域深耕多年。在他的幫助下，我們對電池問題的探討可以回到更本質的層面上來。
特斯拉能跑很遠沒錯，但是它的循環壽命並不高
目前業內對電池的主要關注點是，要降低電池的成本，提高電池的容量，同時又希望電池的壽命不要降低太多，能夠滿足消費者日常的使用。聽上去十分有理想。
張華在此就提醒到，如果你看到電池某一方面的性能特彆強，你一定要反思一下，它付出的代價到底是什麼。
在動力電池的性能上，我們目前最看重的是能量密度和壽命，其次就是充放電的速度和對溫度的響應。能量密度提高，通常的代價是電池的循環壽命會變差，充放電速度也會變差。
張華拿特斯拉舉例。比如說，和比亞迪的磷酸鐵鋰電池比起來，特斯拉的電池的確能量密度更高，但是它的循環壽命和磷酸鐵鋰卻有兩倍左右的差距。
特斯拉 18650 和寶馬 i3 電池的循環壽命對比
等等。特斯拉不是續航里程高，電池能量密度高，可以慢充也可以快充，同時衰減得也很慢嗎。
特斯拉的這張續航里程衰減圖被廣為傳播。
來源: 特斯拉論壇
你看圖中的這條曲線，在行駛 20 萬公里之後，特斯拉的續航里程還能保持在初始續航里程的 90% 到 95% 之間。這是來自 286 位 Model S 車主的統計數據。在圖中，車主用他們可計量的單位「續航里程」來評估電池的衰減情況。
這個沒有問題。只是，續航里程代表的是在一次充放電過程中車輛所能行駛的距離。而循環壽命代表的是在一個電池有效的生命周期里，可以充放電多少次。
我們來做一個粗略的數學題。同樣跑 20 萬公里，特斯拉充放電一次跑 500 公里，跑完全程需要充放電 400 次。其他電動車充放電一次跑 200 公里，跑完全程需要充放電 1000 次。
簡單說，就是電池生命周期總續航 = 單次續航里程 循環壽命。也就是說，儘管特斯拉電池的循環壽命並沒有那麼優秀，但是它一次充放電可以跑的續航里程高，則在電池生命周期里，特斯拉能跑的總續航里程是可以比對手更高的。
所以，我們看到的結果是，特斯拉的電池不易於衰減這件事被車主們廣為稱道。但是，這並不代表特斯拉電池的循環壽命更高。
電池結構是參透循環壽命的關鍵問題
電池的循環壽命是怎麼被影響的呢？首先，我們來看電池是怎麼充放電的。
鋰離子電池的放電過程
鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的運動過程。從學術上來說，鋰離子主要做兩個運動，一個叫嵌入，一個叫脫出。
鋰離子是嵌在電池結構中的，在每次運動過程中，鋰離子都要從原來的結構中脫身，跑到另外一邊。張華打了個比方，這有點像你從一個房間搬運一堆東西到另一個房間。
不管是放電還是充電，鋰離子都是從電池的一極跑到另外一極。
對電池壽命的認識，要建立在對電池結構認識的基礎上。在充放電過程中，每一次參與運動的鋰離子越少，對結構的破壞越小。每一次參與運動的鋰離子跑得越慢，對結構的破壞也越小。如果鋰離子跑得差不多了，還要持續從裡面抽取鋰離子，對電池就會有損傷。
結構越不穩定，被破壞得越多，循環壽命自然就會變差。所以，我們通常強調，鋰離子電池的充放電要淺充淺放，不要挑戰電池的「極限」。
其次，我們來關心材料。不同的電極材料有不同的電池結構。我們通過改變電極的材料比例來提高電池的能量密度的時候，電池的循環壽命也在發生變化。比如，特斯拉的 NCA 電池就比比亞迪的磷酸鐵鋰電池循環壽命更差。
而特斯拉在 21700 電池上應用硅碳負極，硅加得越多，電池結構越容易被破壞，循環壽命就越容易受到影響。電極材料對壽命的影響，也建立在電池結構上。
最後，溫度也是一樣。零度以下的低溫也會對電池的結構帶來負面影響，甚至是永久損傷。
因此，充放電過程（深度/速度）、電池材料以及溫度這三個因素，都可以通過對電池結構的影響，影響電池的循環壽命。
說到這裡，我們順便可以理解一下電池管理系統的作用。電池管理系統的核心目的就是為了保障電池在性能和壽命上的穩定。所以，電池管理系統主要做兩件事，一個管理內部環境與外界的交互，也就是管理電池的充放電過程。一個管理外部環境與電池的交互，也就是溫度（熱）管理。
有人說，車輛上表顯數據顯示電池消耗為 0 了，但是車還能再跑一會兒，這也是防止電池放電深度過高的一種管理。
大電池在充放電過程中可以更任性一點
那電池究竟充放電多少比較合適呢？
我們來認識三個詞。一個是 SoC（State of Capacity），表示電池的當前容量。一個是 DoD（Depth of Discharge），表示電池放電的深度。還有一個是 C（Current），表示電池充放電的倍率。
深度和速度，是充放電過程中的重要影響因素。
SoC 和 DoD
首先來看深度。
電池放電的深度是跟整個電池的容量有關的。比如說特斯拉的電池是 90 度電，其他電動車 45 度電。同樣開百公里 5 秒，特斯拉用了 0.1% 的電池容量，其他電動車用了 0.2% 的電池容量，對電池的傷害程度是不同的。
放電深度對循環壽命的影響，來源: Stephen Grinwis ；也就是說，深度考察的不是絕對數值，而是容量比例。大電池在這裡佔了一定的優勢。
而在速度上，充放電的倍率越高，所需要的時間就越短，循環壽命也會越短。在同一輛車上，迅速地啟動，和緩慢地啟動，對電池的消耗是不一樣的，損傷也是不一樣的。快速加速，相當於電池快速地放電。
那我們期待的快速充電對電池是不是有損耗呢？肯定有，但我們更關心的問題是，這個損耗有多大。
如果一般充電樁慢充的循環壽命是 700 次，相匹配的快充的循環壽命是 500 次，對正常用車影響不會特別大。如果慢充的循環壽命是 700 次，快充的循環壽命是 100 次，那強推快充就沒有太大意義了。這也是為什麼不建議用充 Macbook 的電源去充 iPhone 的原因。
而談到不同的車型，由於特斯拉電池大，在同樣的加速度下，電流更小，相當於是一次慢放過程。從慢放的角度來說，電池衰減得更慢。
如果在這個基礎上，把電池的充放電速度提升 25% 。那麼特斯拉的 25% 增速是 0.1% 的 25% ，其他電動車的 25% 增速是 0.2% 的 25% ，結果是不同的。
在駕駛過程中，同樣一次充放電過程，特斯拉消耗的電池容量比例低，進而降低了循環壽命的負面影響。所以說，特斯拉用大電池，彌補了循環壽命的缺點。儘管特斯拉電池可用的次數少，但是它跑得遠啊。這也是為什麼，儘管特斯拉循環壽命不高，但是用戶在感知上認為特斯拉的電池是足夠使用的。
這就是在和張華交流的過程中，讓我感受最深的一點。
看上去特斯拉所採用的 NCA 電池有很多短板，然而特斯拉通過電芯數量的堆積克服了電池性能上的短板。我們以為做的是加法，但這卻不是你以為的那種簡單的加法。
當然，張華並不推崇盲目提高電池續航，犧牲電池其他性能的做法。畢竟，電池續航數字是最容易被評估的，而對電池的其他性能則需要車主們付出大量時間才能體驗到。
只是，在目前的充電環境下，在撬動車主對電動車的興趣下，續航是一個無法避開的問題。除非，我們要探索其他的新能源，這個話題下次可以繼續聊。
最後，張華的建議是，電池的充放電深度通常在 20% 到 80% 之間比較好。
作者：42號車庫
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