動力電池目前面臨的問題以及發展趨勢是什么？

在文章開始之前，讓我問你一個問題：為什么我們要提高電池的能量密度？答案其實很簡單：焦慮，確切地說是里程焦慮。我們希望通過提高能量密度來獲得更高的巡航范圍。在國家政策的支持下，中國動力電池取得了長足進步，關鍵性能指標得到改善，成本降低，電池分組和BMS（電池管理系統）技術也取得了一些進展。根據科技部部長萬鋼給出的數據，目前81%的純電動乘用車產品續航里程超過300公里，系統能量密度超過140Wh/kg的產品已成為主流，單體能量密度發展更快，基本超過250Wh/kg，并且一些已經達到300Wh/kg的預定目標。然而，在這樣的成就背后仍然存在許多問題：目前鋰電池技術存在哪些問題？未來動力電池的發展趨勢是什么？高比能材料的研究進展如何？電池安全“鋰電池有潛力成為動力電池的主流技術，但瓶頸是高比能動力電池的安全性”。在今年的百人會上，中國科學院院士歐陽明在大一開始就開門見山。

此前，國家補貼門檻提高，三元鋰逐漸取代磷酸亞鐵鋰成為主流，電池能量密度和車輛續航里程大幅提高，但這一增長背后存在著熱失控的危險。首先，簡單理解一下什么是熱失控（主要是高溫熱失控）：動力電池在工作時會產生熱量，在正常情況下是可控的。然而，當電池溫度過高或充電電壓過高時，電池內部的化學反應會接二連三地發生，從而產生連鎖反應，從而導致電池內部壓力和溫度急劇上升，進而導致電池熱失控、爆炸或燃燒。熱失控的原因有很多，主要有兩個方面：內部原因和外部原因。內部因素：材料和制造工藝會對電池的性能產生影響，從而導致電池狀態（SOC等）的差異、電池使用時間過長、鋰沉淀、隔膜熔化等現象導致內部短路，從而導致熱失控；外部原因有很多，如過度充電、過度放電、車輛可靠性老化、充電不規律、密封性差和碰撞。

（圖片來自@42 Garage）為了讓電池穩定工作，需要從內部控制原材料和制造工藝的質量，以保持生產的一致性；

但即便如此，也無法完全保證，這需要BMS（電池管理系統）從外部控制電池組的溫度，以使電池發揮最佳效率。如今，為了追求高能量密度和長電池壽命，電池中隔板的厚度減小，這對電池安全造成了一定的安全隱患，并且容易造成熱失控。此外，國家補貼政策的快速調整與動力電池系統的開發周期不協調，導致產品沒有得到充分驗證，從而存在安全隱患。如何在保證電池安全的同時提高電池的能量密度，是目前需要解決的問題。未來，電池的發展方向應著眼于當下，從業者應著眼長遠。“一個行業共識是，傳統液體介質鋰電池的能量密度無法大幅提高，三元鋰電池將在未來3-5年內達到技術瓶頸”。這是天空汽車董事長兼首席執行官張海亮在百人會上的觀點。在這種情況下，什么樣的電池將成為研究的主流？固態電池？

事實上，固態電池并不是一項完全的技術創新。它只是用可以傳導鋰離子的固體電解質取代了現有鋰電池中的隔膜或電解質。結構略有不同，但工作原理幾乎相同。相對而言，固態電池比傳統的鋰電池更安全，并且具有更高的能量密度。根據高歐陽明給出的前景，電池正極的發展方向是將鈷還原為無鈷，負極會添加硅，硅的含量會逐漸增加，甚至是全硅。為了減少有機溶劑并逐漸提高鋰鹽的濃度，未來可能有必要開發全固體電解質，但目前仍有許多技術瓶頸需要克服，大規模商業化預計在2025-2030年（稍后）。管理電池（MFB）是最終解決方案嗎？你不能兩全其美。電池材料的活性高、性能好、衰減快、穩定性差等反應活性與穩定性之間存在內在矛盾。“我們制造電池的科學家和工程師基本上每天都在玩妥協的游戲。賓夕法尼亞州立大學教授王朝陽說。

（圖片來自@42 Garage）在他看來，由于現有材料無法滿足我們對反應性和穩定性的要求，我們應該建立一個新的電池系統：第一步是鈍化材料，增加電池內阻，確保電池的安全，并通過熱刺激快速調節電化學功率特性，使電池輸出高功率；

在第二步中，在原來的電池結構中添加一塊鎳片（只有5微米厚），將正極和負極連接起來，形成一個回路，可以快速加熱電池。速度有多快？每秒2-5度，從25度到60度，只需要7秒。王朝陽說，這種電池的熱管理非常簡單。在未來，不需要主動的熱管理，自然對流就足夠了。事實上，這并不是最新的技術。早在兩年前，王朝陽就在《自然》雜志上發表了這篇文章。就在去年，搭載這項技術的汽車已經進行了一項實驗，并將在不久的將來進行第二次實驗。高容量富鋰正極材料？如果高能量密度動力電池要達到300Wh/kg，正極容量將達到200mAh/g，如果能量密度達到400Wh/kg，則正極材料將超過250mAh/g，并且如果考慮密度，則可能達到270mAh/g以上。。商用正極材料如錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰、鈷酸鋰等，其比能很難滿足400Wh/kg鋰離子動力電池的能量密度要求。計算表明，利用富鋰氧化物陰極材料和高比容量硅陰極構建比能為400Wh/kg的鋰離子電池是一條可行的技術路線。這是北京大學教授夏定國的觀點。

去年11月，夏定國團隊制備了一種O2配置的錳基富鋰動力電池正極材料，比放電容量超過400mAh/g（比能量密度超過1380Wh/kg）。在研發初期，研究人員發現這種材料存在充放電效率低、倍率性能差、循環穩定性差、充放電過程中電壓持續衰減等問題。后期，夏定國團隊通過表面改性和電子結構調整對電池進行了優化，提高了材料的穩定性。然而，該材料本身仍存在電壓滯后等問題，需要進一步研究和實驗。換句話說，這種材料從實驗室到現實還有很長的路要走。綜上所述，目前動力電池的主要問題是，隨著能量密度的增加，熱失控的概率呈上升趨勢。從整個發展規劃來看，動力電池的發展路線將是這樣的：正極中的鈷還原為無鈷，負極中的硅添加，電解液中的有機溶劑還原，并逐漸向全固態方向發展。在補貼逐步退出，國家逐步取消對續航里程和能量密度的詳細要求后，技術的決策權將回歸企業，市場將選擇產品。

在文章開始之前，讓我問你一個問題：為什么我們要提高電池的能量密度？答案其實很簡單：焦慮，確切地說是里程焦慮。我們希望通過提高能量密度來獲得更高的巡航范圍。在國家政策的支持下，中國動力電池取得了長足進步，關鍵性能指標得到改善，成本降低，電池分組和BMS（電池管理系統）技術也取得了一些進展。根據科技部部長萬鋼給出的數據，目前81%的純電動乘用車產品續航里程超過300公里，系統能量密度超過140Wh/kg的產品已成為主流，單體能量密度發展更快，基本超過250Wh/kg，并且一些已經達到300Wh/kg的預定目標。然而，在這樣的成就背后仍然存在許多問題：目前鋰電池技術存在哪些問題？未來動力電池的發展趨勢是什么？高比能材料的研究進展如何？電池安全“鋰電池有潛力成為動力電池的主流技術，但瓶頸是高比能動力電池的安全性”。在今年的百人會上，中國科學院院士歐陽明在大一開始就開門見山。

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此前，國家補貼門檻提高，三元鋰逐漸取代磷酸亞鐵鋰成為主流，電池能量密度和車輛續航里程大幅提高，但這一增長背后存在著熱失控的危險。首先，簡單理解一下什么是熱失控（主要是高溫熱失控）：動力電池在工作時會產生熱量，在正常情況下是可控的。然而，當電池溫度過高或充電電壓過高時，電池內部的化學反應會接二連三地發生，從而產生連鎖反應，從而導致電池內部壓力和溫度急劇上升，進而導致電池熱失控、爆炸或燃燒。熱失控的原因有很多，主要有兩個方面：內部原因和外部原因。內部因素：材料和制造工藝會對電池的性能產生影響，從而導致電池狀態（SOC等）的差異、電池使用時間過長、鋰沉淀、隔膜熔化等現象導致內部短路，從而導致熱失控；外部原因有很多，如過度充電、過度放電、車輛可靠性老化、充電不規律、密封性差和碰撞。

（圖片來自@42 Garage）為了讓電池穩定工作，需要從內部控制原材料和制造工藝的質量，以保持生產的一致性；

但即便如此，也無法完全保證，這需要BMS（電池管理系統）從外部控制電池組的溫度，以使電池發揮最佳效率。如今，為了追求高能量密度和長電池壽命，電池中隔板的厚度減小，這對電池安全造成了一定的安全隱患，并且容易造成熱失控。此外，國家補貼政策的快速調整與動力電池系統的開發周期不協調，導致產品沒有得到充分驗證，從而存在安全隱患。如何在保證電池安全的同時提高電池的能量密度，是目前需要解決的問題。未來，電池的發展方向應著眼于當下，從業者應著眼長遠。“一個行業共識是，傳統液體介質鋰電池的能量密度無法大幅提高，三元鋰電池將在未來3-5年內達到技術瓶頸”。這是天空汽車董事長兼首席執行官張海亮在百人會上的觀點。在這種情況下，什么樣的電池將成為研究的主流？固態電池？

事實上，固態電池并不是一項完全的技術創新。它只是用可以傳導鋰離子的固體電解質取代了現有鋰電池中的隔膜或電解質。結構略有不同，但工作原理幾乎相同。相對而言，固態電池比傳統的鋰電池更安全，并且具有更高的能量密度。根據高歐陽明給出的前景，電池正極的發展方向是將鈷還原為無鈷，負極會添加硅，硅的含量會逐漸增加，甚至是全硅。為了減少有機溶劑并逐漸提高鋰鹽的濃度，未來可能有必要開發全固體電解質，但目前仍有許多技術瓶頸需要克服，大規模商業化預計在2025-2030年（稍后）。管理電池（MFB）是最終解決方案嗎？你不能兩全其美。電池材料的活性高、性能好、衰減快、穩定性差等反應活性與穩定性之間存在內在矛盾。“我們制造電池的科學家和工程師基本上每天都在玩妥協的游戲。賓夕法尼亞州立大學教授王朝陽說。

（圖片來自@42 Garage）在他看來，由于現有材料無法滿足我們對反應性和穩定性的要求，我們應該建立一個新的電池系統：第一步是鈍化材料，增加電池內阻，確保電池的安全，并通過熱刺激快速調節電化學功率特性，使電池輸出高功率；

在第二步中，在原來的電池結構中添加一塊鎳片（只有5微米厚），將正極和負極連接起來，形成一個回路，可以快速加熱電池。速度有多快？每秒2-5度，從25度到60度，只需要7秒。王朝陽說，這種電池的熱管理非常簡單。在未來，不需要主動的熱管理，自然對流就足夠了。事實上，這并不是最新的技術。早在兩年前，王朝陽就在《自然》雜志上發表了這篇文章。就在去年，搭載這項技術的汽車已經進行了一項實驗，并將在不久的將來進行第二次實驗。高容量富鋰正極材料？如果高能量密度動力電池要達到300Wh/kg，正極容量將達到200mAh/g，如果能量密度達到400Wh/kg，則正極材料將超過250mAh/g，并且如果考慮密度，則可能達到270mAh/g以上。。商用正極材料如錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰、鈷酸鋰等，其比能很難滿足400Wh/kg鋰離子動力電池的能量密度要求。計算表明，利用富鋰氧化物陰極材料和高比容量硅陰極構建比能為400Wh/kg的鋰離子電池是一條可行的技術路線。這是北京大學教授夏定國的觀點。

去年11月，夏定國團隊制備了一種O2配置的錳基富鋰動力電池正極材料，比放電容量超過400mAh/g（比能量密度超過1380Wh/kg）。在研發初期，研究人員發現這種材料存在充放電效率低、倍率性能差、循環穩定性差、充放電過程中電壓持續衰減等問題。后期，夏定國團隊通過表面改性和電子結構調整對電池進行了優化，提高了材料的穩定性。然而，該材料本身仍存在電壓滯后等問題，需要進一步研究和實驗。換句話說，這種材料從實驗室到現實還有很長的路要走。綜上所述，目前動力電池的主要問題是，隨著能量密度的增加，熱失控的概率呈上升趨勢。從整個發展規劃來看，動力電池的發展路線將是這樣的：正極中的鈷還原為無鈷，負極中的硅添加，電解液中的有機溶劑還原，并逐漸向全固態方向發展。在補貼逐步退出，國家逐步取消對續航里程和能量密度的詳細要求后，技術的決策權將回歸企業，市場將選擇產品。

標簽：北京發現天際汽車

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