動力電池技術究竟發展到了哪一步？

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時間：1900/1/1 0:00:00

日前，國內動力電池行業頻頻爆出大新聞。一是上汽切入動力電池領域，與中國第二大動力電池公司、世界第三大動力電池企業當代安培科技有限公司結婚，成立動力電池系統公司；隨后，有消息稱比亞迪將拆分動力電池部門，敞開大門或向所有車企供貨。據報道，此舉可能會改變全球市場結構。不僅如此，國內電動汽車市場連續兩年產銷居世界第一，累計推廣超過100萬輛，占全球市場50%以上。中國已經超過美國，成為電動汽車市場的霸主。可以說，電動汽車行業前景無限、發展迅速，關鍵在于動力電池技術水平的提高。

電動汽車的發展需要更好的電池。動力電池的比能量、壽命、安全性和價格對純電動汽車的發展非常重要。其中，比能高、使用壽命長的鋰離子電池是最實用的電動汽車電池，廣泛應用于混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車。目前，商用動力電池的技術水平和未來10年的預期目標如圖1所示。然而，在實際的產品生產中，這些指標往往相互矛盾，需要權衡和考慮電池相關的性能。電池性能的提高需要考慮電極材料、電解質和隔膜的性能，裝配技術、電池系統分組和管理技術的跟進也非常重要。本文旨在從電池材料技術、單體電池設計制造技術和電池系統技術等方面總結以鋰離子電池為核心的動力電池的發展成果，并展望未來！

圖1現有動力電池的技術指標和未來10年的發展目標。

1.鋰電池材料技術

正極和負極材料

鋰電池的陽極和陰極材料體系非常豐富（圖2）。目前，鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸亞鐵鋰和鎳鈷錳鋰等正極材料的研究已經成熟。鈷酸鋰材料的比容量為200-210Ma h/g，其真實密度和極片壓實密度是現有正極材料中最高的。商用鈷酸鋰/石墨系統的充電電壓可以提高4.40V，已經可以滿足智能手機和平板電腦對高體積能量密度柔性電池的需求。錳酸鋰具有原料成本低、生產工藝簡單、熱穩定性高、耐過充電性能好、放電電壓平臺高、安全性高的優點。它適合作為輕型電動汽車的低成本電池，但存在理論容量低、循環過程中錳的溶解可能影響電池在高溫環境中的壽命等問題。國產錳酸鋰材料主要滿足移動電源、電動工具和電動自行車的需求，并有向低端發展的趨勢。NCM三元層狀正極材料主要用于動力電池。除了鎳、鈷和錳分別占1/3的lini1/3co1/3mn1/3o2在動力電池中的成熟應用外，容量更高的LiNi0.5Co0.2Mn0.3o2也已進入批量應用，通常與錳酸鋰混合用于電動汽車電池。鋁摻雜鎳鈷氧化物鋰（NCA）的能量密度接近高壓鈷酸鋰電池的能量密度。近年來，電動汽車制造商特斯拉使用這種計算機電池驅動電動汽車，這種材料也可以與錳酸鋰混合制造汽車動力電池。國內NCA前驅體已形成穩定的生產能力，少數企業已完成NCA正極材料的開發并正在產品推廣過程中。磷酸鐵鋰電池具有較高的安全性和較長的使用壽命。目前，納米功率材料和高密度磷酸錳鋰材料發展迅速。高能大功率材料性能趨于穩定，成本進一步降低，逐步滿足國內市場需求和現階段我國新能源汽車推廣需求。高壓尖晶石鋰鎳錳氧化物和高壓高比容量富鋰錳基陰極材料仍在開發中。

圖2鋰離子電池電極材料體系

負極材料

石墨、硬/軟碳和合金材料可以用作動力電池的陽極材料。石墨是目前廣泛使用的陽極材料，其可逆容量已達到360Ma h/g。。非晶態硬碳或軟碳可以滿足電池在更高倍率和更低溫度下的應用需求，并開始應用，但主要與石墨混合。鈦酸鋰負極材料具有最佳的倍率性能和循環性能，適用于大電流快速充電電池，但所生產的電池比能低，成本高。20世紀90年代，納米硅被提議用作高容量陽極。目前，通過摻雜少量納米硅來提高碳陽極材料的容量是一個熱點。含有少量納米硅或氧化硅的陽極材料已進入小批量應用階段，可逆容量達到450Ma h/g。然而，由于嵌入硅中的鋰的體積膨脹，在實際使用中循環壽命會降低的問題需要進一步解決。

浴液

鋰離子電池的電解質通常與高介電常數的環狀碳酸酯和低介電常數線性碳酸酯混合。一般來說，鋰離子電池的電解質應滿足高離子電導率（10-3~10-2 S/cm）、低電子電導率、寬電化學窗口（0~5V）和良好熱穩定性（-40~60℃）的要求。六氟磷酸鋰等新型鋰鹽、溶劑純化、電解質制備和功能添加劑技術不斷進步。目前的發展方向是進一步提高其工作電壓和……

提高電池的高溫和低溫性能。安全的離子液體電解質和固體電解質正在開發中。

缺乏相互理解

聚烯烴微孔膜由于其優異的機械財產、良好的電化學穩定性和相對低廉的價格，是目前鋰離子電池隔膜市場的主要產品。包括聚乙烯（PE）單層膜、聚丙烯（PP）單層膜和PP/PE/PP三層復合微孔膜。國內有許多制造商使用干法，許多企業使用濕法PE隔膜可以批量生產。隨著陶瓷涂層技術的普及，耐高溫高壓隔膜將成為未來的研發方向。

2.單電池技術

到目前為止，鋰離子電池的基本設計仍然與SONY在1989年的專利申請中公布的設計相同。單體的形狀為圓柱形、方形金屬外殼（鋁/鋼）和方形軟包裝。圓柱形電池最初主要用于根據電池組的結構設計和電池發熱的計算分析，采用不同的熱管理技術，得到成本低、工藝簡單、安全可靠的電池熱管理散熱方案。根電池結構的輕量化需要以電池系統和車輛的相關結構為研究對象，考慮它們之間的耦合特性，開展結構抗振綜合優化設計的關鍵技術研究，從結構設計優化和材料選擇兩個方面分析了其抗沖擊性和輕量化。對零件材料、結構設計和連接的設計方案進行了優化。在電池安全方面，應在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎上研究電池系統的總體方案設計，對電池系統進行故障診斷與預測、熱安全監測和預警與防控等關鍵技術。

4.展望未來

在未來很長一段時間內，鋰離子電池仍將是最適合電動汽車的電池。錳酸鋰正極材料、三元系正極材料、磷酸亞鐵鋰負極材料、復合碳正極材料、陶瓷鍍膜隔膜、電解質鹽和功能電解質技術的發展，支撐了電池技術的進步和產業發展。隨著電池系統技術的發展，其安全性和可靠性將在未來幾年得到進一步提高。

研究了鋰離子動力電池的壽命模型及其影響參數、電池分組模式的特點、高效大容量鋰離子電池組的平衡策略、單體電池充放電的熱模型以及電池組溫度場的分析與控制方法，需要進行電池組的優化和快速充電方法。動力電池系統應結合整車產品進行重新設計，并根據未來汽車動力電池的需求升級設計和制造模式。同時，要在動力電池基礎材料、電池制造和系統技術全產業鏈上下功夫，提高產品質量，降低規模化生產成本，增強產業競爭力。日前，國內動力電池行業頻頻爆出大新聞。一是上汽切入動力電池領域，與中國第二大動力電池公司、世界第三大動力電池企業當代安培科技有限公司結婚，成立動力電池系統公司；隨后，有消息稱比亞迪將拆分動力電池部門，敞開大門或向所有車企供貨。據報道，此舉可能會改變全球市場結構。不僅如此，國內電動汽車市場連續兩年產銷居世界第一，累計推廣超過100萬輛，占全球市場50%以上。中國已經超過美國，成為電動汽車市場的霸主。可以說，電動汽車行業前景無限、發展迅速，關鍵在于動力電池技術水平的提高。