任璐

摘 要：新能源汽車(chē)之所以無(wú)法普及，主要受動(dòng)力電池成本及性能制約。動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車(chē)的心臟。目前，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了巨大進(jìn)步，但是動(dòng)力電池產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本仍然難以滿(mǎn)足新能源汽車(chē)推廣普及需求，文章主要從物理和化學(xué)兩個(gè)層面分析探討動(dòng)力電池性能提升途徑，并對(duì)動(dòng)力電池未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；動(dòng)力電池；三元鋰電池

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）04-0050-02

Abstract： The reason why new energy vehicles can not be popularized is mainly due to the cost and performance constraints of power batteries. Power batteries are the heart of electric cars. At present， the power battery industry has made great progress， but the performance， quality and cost of power battery products are still difficult to meet the demand of the popularization of new energy vehicles. This paper analyzes and discusses the ways to improve the performance of power batteries from the physical and chemical aspects， and predicts the development trend of power batteries in the future.

Keywords： new energy vehicle； power battery； ternary lithium battery

1 提升動(dòng)力電池性能的物理途徑

1.1 圓柱電池

目前最成熟的技術(shù)就是18650電池，即通常所說(shuō)的5號(hào)電池。特斯拉汽車(chē)的動(dòng)力電池就是由7623顆5號(hào)電池串并聯(lián)組成。圓柱形電池由自動(dòng)化設(shè)備卷繞而成，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)化，普及率高。但是圓柱形電池也有其天生缺陷，因?yàn)轶w積小，所以單體容量較小，且在高強(qiáng)度放電時(shí)，發(fā)熱量大；使用壽命短，電池循環(huán)次數(shù)在1000次左右。

針對(duì)18650電池的缺點(diǎn)，特斯拉采取增大電芯尺寸的方式加以改進(jìn)，例如特斯拉Model3中用20700替代18650電芯，20700電池增加的尺寸大概為10%，而體積和能量?jī)?chǔ)存提升了1.33倍。20700電芯量產(chǎn)后，其動(dòng)力電池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%?？梢?jiàn)，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)做到極致，再往上提升的空間不大。

1.2 軟包電池

軟包電池，又稱(chēng)聚合物鋰電池，其內(nèi)部使用高分子膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，區(qū)別于電解液。其電池形狀不固定，可以根據(jù)實(shí)際需求制作成各種形狀。目前在蘋(píng)果手機(jī)電池中廣泛使用。軟包電池目前價(jià)格昂貴，主要因?yàn)楦叻肿与娊赓|(zhì)成本較高，其外包裝材料不同于普通電池，為鋁塑復(fù)合膜。其正負(fù)極材料與傳統(tǒng)鋰電池一樣。

由于采用鋁塑膜包裝，其安全性能得到較好提升，發(fā)生安全問(wèn)題時(shí)，軟包電池一般會(huì)鼓氣裂開(kāi)，而不會(huì)發(fā)生爆炸；軟包電池的優(yōu)點(diǎn)還包括：質(zhì)量輕、自耗電小、循環(huán)壽命長(zhǎng)等。但是，軟包電池也有缺點(diǎn)，比如一致性差，成本高，容易漏液。作為一種新型動(dòng)力電池，軟包電池未來(lái)提升空間很大。

1.3 方形電池

方形鋰電池，顧名思義，其形狀為方形，方便疊加，也方便置于汽車(chē)之中。其外殼通常是鋁制殼或鋼制作殼。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度高，國(guó)內(nèi)普及率高。方形電池多采用卷繞式或疊片式工藝，制造效率高，安全性好。隨著新能源汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，未來(lái)新能源汽車(chē)也將如現(xiàn)在的常規(guī)能源汽車(chē)一樣大規(guī)模生產(chǎn)，這就涉及到標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題?，F(xiàn)在的傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，大多數(shù)零部件大多采用標(biāo)準(zhǔn)件，全球通用，這樣一來(lái)不僅降低了制造成本，也降低了研發(fā)成本。未來(lái)的大趨勢(shì)是全球采取統(tǒng)一尺寸，統(tǒng)一規(guī)格的方形電池。這將極大的推動(dòng)動(dòng)力電池的發(fā)展。降低動(dòng)力電池的生產(chǎn)成本及研發(fā)成本，推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究成果也證明：圓柱形電池進(jìn)一步降低成本的空間很小，而方形電池則有很大的潛力。

1.4 電池PACK系統(tǒng)

電池PACK系統(tǒng)，即封裝電池組，指利用機(jī)械結(jié)構(gòu)將眾多單芯電池串并聯(lián)起來(lái)。并綜合考慮電池包系統(tǒng)的機(jī)械強(qiáng)度、熱管理、能量管理等問(wèn)題。電池包綜合管理系統(tǒng)（BMS）是各新能源汽車(chē)公司的核心技術(shù)，優(yōu)秀的PACK系統(tǒng)配上優(yōu)良的電池管理系統(tǒng)（BMS）可以讓動(dòng)力電池組系統(tǒng)比能量效率從65%提升到85%。65%是目前國(guó)內(nèi)的平均水平，而85%則是工信部擬定到2020年實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。PACK環(huán)節(jié)效率提升比較難，可以通過(guò)提升集成效率、減重、電池包與底盤(pán)一體化等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。值得一提的是，大眾汽車(chē)公司的MEB平臺(tái)在實(shí)現(xiàn)電池組效率提升和成本大幅下降上起到了模范作用。

對(duì)比分析以上提升動(dòng)力電池性能的物理途徑，筆者認(rèn)為，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)遇到天花板，未來(lái)提升空間不大；軟包電池與方形電池將來(lái)會(huì)有較大的競(jìng)爭(zhēng)力。動(dòng)力電池降成本的重要途徑就是標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化。未來(lái)全國(guó)動(dòng)力電池若能建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一形狀、統(tǒng)一尺寸以及批量生產(chǎn)，相信動(dòng)力電池的生產(chǎn)效率將大幅提升，成本將大幅下降。例如，當(dāng)年福特發(fā)明的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方式讓汽車(chē)的價(jià)格從2000美金降到了300美金。在未來(lái)大規(guī)模使用新能源汽車(chē)過(guò)程中，方形電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ摹Ｋ梢宰屓珖?guó)的新能源汽車(chē)都采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方形電池，續(xù)航里程大的純電動(dòng)汽車(chē)，方形電池可以疊加得多一些，續(xù)航里程短的混動(dòng)汽車(chē)，方形電池可以疊加得少一些。電池封裝系統(tǒng)也可以全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)動(dòng)力電池容量的不同，分別采取相應(yīng)的電池封裝技術(shù)，將方形電池封裝起來(lái)。將方形電池與封裝技術(shù)結(jié)合起來(lái)，形成全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方形電池封裝技術(shù)，將極大的降低動(dòng)力電池的生產(chǎn)成品，提升動(dòng)力電池性能。助力中國(guó)汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)，達(dá)到世界頂尖水平。

2 提升動(dòng)力電池性能的化學(xué)途徑

2.1 高鎳NCM與NCA正極材料

正極材料是動(dòng)力電池能量的短板，只要正極材料比容量提高就能提高電池能量密度。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g，而石墨負(fù)極材料的比容量高達(dá)400mAh/g。采用高容量的正極材料，能夠讓負(fù)極、隔膜、電解液用量之間的搭配更加完美，電池最終能量密度的提升直接取決于正極材料比容量的提升。動(dòng)力電池能量密度突破的關(guān)鍵就在于正極材料。

目前國(guó)內(nèi)NCM111和NCM 523型三元正極材料產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，并開(kāi)始大規(guī)模使用，而新型622NCM則于2016年開(kāi)始逐步在部分動(dòng)力電池企業(yè)中推廣，未來(lái)將逐步拓展至811NCM以及NCA材料。當(dāng)然三元鋰電池也有自己的瓶頸，它的正極理論比容量的最大值是300mAh/g，達(dá)到300mAh/g就已經(jīng)是極限。三元鋰電池是目前動(dòng)力電池廠(chǎng)商主攻的方向，未來(lái)將有新型的正極材料系統(tǒng)。

2.2 硅碳負(fù)極

動(dòng)力電池的負(fù)極材料主要是硅碳負(fù)極，即在石墨材料加入硅，其理論能量密度高達(dá)4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳負(fù)極材料，特斯拉在傳統(tǒng)石墨負(fù)極材料中加入10%的硅，使其能量密度達(dá)到550mAh/g以上。國(guó)內(nèi)貝特瑞公司研發(fā)的S1000型號(hào)硅碳負(fù)極材料的比容量更是高達(dá)1050mAh/g。負(fù)極材料目前沒(méi)有技術(shù)瓶頸，完全能滿(mǎn)足動(dòng)力電池的各種需求。

2.3 薄型化隔膜

隔膜在單體電池上主要用來(lái)隔開(kāi)正負(fù)極，讓電解液能夠通過(guò)隔膜在正負(fù)極之間交換物質(zhì)。受制于電池體積所限，以及提高電池能量密度的要求，動(dòng)力電池隔膜需要盡量輕、薄。隔膜性能決定了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池容量、安全性能等。優(yōu)質(zhì)隔膜對(duì)提升電池性能作用巨大。

隔膜技術(shù)有干法與濕法兩種制造工藝，干法成本較低但只適合小功率電池，濕法成本高但能適合大功率電池。早期，動(dòng)力電池主要采用干法隔膜，目前濕法隔膜開(kāi)始推廣使用，預(yù)計(jì)2020年干濕法薄膜技術(shù)各占一半，分別應(yīng)用于中低端與高端領(lǐng)域。隔膜工藝的核心技術(shù)掌握在日本旭化成公司手中。中國(guó)有大量企業(yè)生產(chǎn)隔膜，但無(wú)核心技術(shù)。旭化成干法現(xiàn)在可量產(chǎn)12微米隔膜，濕法可量產(chǎn)6-7微米。國(guó)內(nèi)企業(yè)大多只能生產(chǎn)干法20-40微米隔膜。對(duì)比與隔膜行業(yè)世界一流水平企業(yè)的差距，我國(guó)企業(yè)應(yīng)該引進(jìn)先進(jìn)工藝設(shè)備，苦練內(nèi)功，力爭(zhēng)取得突破。

2.4 新型電解液LiFSI

鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體。一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成。電解液在鋰電池正、負(fù)極之間起到傳導(dǎo)離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點(diǎn)的保證。電解液一般由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。

鋰電池主要使用的電解質(zhì)是六氟磷酸鋰。用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無(wú)爆炸危險(xiǎn)，適用性強(qiáng)。在鋰電池電解質(zhì)中添加LiFSI后，可提高離子導(dǎo)電率及電池充放電特性。比如，反復(fù)充放電300次后，1.2MLiPF6的情況下放電容量保持率會(huì)降至約60%，而在1.0MLiPF6中添加0.2MLiFSI后，保持率可超過(guò)80%。目前LiFSI已經(jīng)進(jìn)入商用，用此種電解質(zhì)廢棄電池處理工作相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)生態(tài)環(huán)境友好，因此該類(lèi)電解質(zhì)的市場(chǎng)前景十分廣泛。

對(duì)比分析以上四種提升動(dòng)力電池性能的化學(xué)途徑，筆者認(rèn)為，未來(lái)提升動(dòng)力電池比容量的關(guān)鍵點(diǎn)在正極材料。而正極材料目前是短板，補(bǔ)齊短板，動(dòng)力電池的比容量提升將有質(zhì)的飛躍。目前，全球廠(chǎng)商均集中力量研究三元鋰動(dòng)力電池，在鋰正極中主要是加入鎳、鈷、錳三元素。并不斷調(diào)配三種元素之間的比例以提升電池性能。未來(lái)更有前途的三元材料是鎳、鈷、鋁，不斷調(diào)配實(shí)驗(yàn)這三種材料間的配比，將會(huì)獲得能量密度更大的三元鋰電池。新型三元鋰電池通過(guò)與硅碳負(fù)極的適配，再搭配新型電解液LiFSI，并用更薄的濕法薄膜包裹，將使得新型動(dòng)力電池的能量密度更高、環(huán)境更友好、安全性更高以及循環(huán)壽命更長(zhǎng)。

3 動(dòng)力電池發(fā)展展望

現(xiàn)有體系下，電池能量密度的理論極限為300Wh/kg，如果要達(dá)到2025年，新體系動(dòng)力電池技術(shù)取得突破性進(jìn)展，單體比能量達(dá)500Wh/kg，有前景的方案包括固態(tài)鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等新的電化學(xué)體系電池。固態(tài)電池研大規(guī)模商用的可能性最高，因?yàn)楣虘B(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池在工作原理上并無(wú)區(qū)別，只是電解質(zhì)為固態(tài)與液態(tài)的區(qū)別。由于固態(tài)電池不再使用石墨負(fù)極，而是直接使用金屬鋰負(fù)極，所以大大減輕負(fù)極材料用量，使得整個(gè)電池的能量密度明顯提高。目前實(shí)驗(yàn)室已試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池，安全性能也比較高，不過(guò)該種電池體積較小，成本較高，目前僅在蘋(píng)果手機(jī)等高端小巧設(shè)備上有應(yīng)用。鋰硫電池的能量密度最高，目前實(shí)驗(yàn)室試制的鋰硫電池比能量密度可達(dá)500Wh/kg，硫作為正極材料理論比能量高達(dá)2600Wh/kg，且單質(zhì)硫成本低、對(duì)于環(huán)境友好，但是，鋰硫電池在試制過(guò)程中有諸多技術(shù)難題無(wú)法突破，包括安全性、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性等。鋰硫電池應(yīng)用前景廣闊，環(huán)境友好，如果試制成功，無(wú)異于一場(chǎng)革命，新能源汽車(chē)將會(huì)迅速取代傳統(tǒng)燃油汽車(chē)。鋰空氣電池的續(xù)航里程最長(zhǎng)，單次續(xù)航里程可達(dá)2000公里，不僅如此，鋰空氣電池比能量有望超過(guò)700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10倍，體積更小，重量更輕。但是鋰金屬過(guò)于活潑，碰見(jiàn)水蒸汽馬上會(huì)發(fā)生劇烈氧化還原反應(yīng)，其安全性、穩(wěn)定差。鋰空氣電池的應(yīng)用還有諸多技術(shù)難關(guān)要攻克。

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