动力电池技术究竟发展到了哪一步？

日前，国内动力电池行业频频爆出大新闻。一是上汽切入动力电池领域，与中国第二大动力电池公司、世界第三大动力电池企业当代安培科技有限公司结婚，成立动力电池系统公司；随后，有消息称比亚迪将拆分动力电池部门，敞开大门或向所有车企供货。据报道，此举可能会改变全球市场结构。不仅如此，国内电动汽车市场连续两年产销居世界第一，累计推广超过100万辆，占全球市场50%以上。中国已经超过美国，成为电动汽车市场的霸主。可以说，电动汽车行业前景无限、发展迅速，关键在于动力电池技术水平的提高。

电动汽车的发展需要更好的电池。动力电池的比能量、寿命、安全性和价格对纯电动汽车的发展非常重要。其中，比能高、使用寿命长的锂离子电池是最实用的电动汽车电池，广泛应用于混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。目前，商用动力电池的技术水平和未来10年的预期目标如图1所示。然而，在实际的产品生产中，这些指标往往相互矛盾，需要权衡和考虑电池相关的性能。电池性能的提高需要考虑电极材料、电解质和隔膜的性能，装配技术、电池系统分组和管理技术的跟进也非常重要。本文旨在从电池材料技术、单体电池设计制造技术和电池系统技术等方面总结以锂离子电池为核心的动力电池的发展成果，并展望未来！

图1现有动力电池的技术指标和未来10年的发展目标。

1.锂电池材料技术

正极和负极材料

锂电池的阳极和阴极材料体系非常丰富（图2）。目前，钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂和镍钴锰锂等正极材料的研究已经成熟。钴酸锂材料的比容量为200-210Ma h/g，其真实密度和极片压实密度是现有正极材料中最高的。商用钴酸锂/石墨系统的充电电压可以提高4.40V，已经可以满足智能手机和平板电脑对高体积能量密度柔性电池的需求。锰酸锂具有原料成本低、生产工艺简单、热稳定性高、耐过充电性能好、放电电压平台高、安全性高的优点。它适合作为轻型电动汽车的低成本电池，但存在理论容量低、循环过程中锰的溶解可能影响电池在高温环境中的寿命等问题。国产锰酸锂材料主要满足移动电源、电动工具和电动自行车的需求，并有向低端发展的趋势。NCM三元层状正极材料主要用于动力电池。除了镍、钴和锰分别占1/3的lini1/3co1/3mn1/3o2在动力电池中的成熟应用外，容量更高的LiNi0.5Co0.2Mn0.3o2也已进入批量应用，通常与锰酸锂混合用于电动汽车电池。铝掺杂镍钴氧化物锂（NCA）的能量密度接近高压钴酸锂电池的能量密度。近年来，电动汽车制造商特斯拉使用这种计算机电池驱动电动汽车，这种材料也可以与锰酸锂混合制造汽车动力电池。国内NCA前驱体已形成稳定的生产能力，少数企业已完成NCA正极材料的开发并正在产品推广过程中。磷酸铁锂电池具有较高的安全性和较长的使用寿命。目前，纳米功率材料和高密度磷酸锰锂材料发展迅速。高能大功率材料性能趋于稳定，成本进一步降低，逐步满足国内市场需求和现阶段我国新能源汽车推广需求。高压尖晶石锂镍锰氧化物和高压高比容量富锂锰基阴极材料仍在开发中。

图2锂离子电池电极材料体系

负极材料

石墨、硬/软碳和合金材料可以用作动力电池的阳极材料。石墨是目前广泛使用的阳极材料，其可逆容量已达到360Ma h/g。。非晶态硬碳或软碳可以满足电池在更高倍率和更低温度下的应用需求，并开始应用，但主要与石墨混合。钛酸锂负极材料具有最佳的倍率性能和循环性能，适用于大电流快速充电电池，但所生产的电池比能低，成本高。20世纪90年代，纳米硅被提议用作高容量阳极。目前，通过掺杂少量纳米硅来提高碳阳极材料的容量是一个热点。含有少量纳米硅或氧化硅的阳极材料已进入小批量应用阶段，可逆容量达到450Ma h/g。然而，由于嵌入硅中的锂的体积膨胀，在实际使用中循环寿命会降低的问题需要进一步解决。

浴液

锂离子电池的电解质通常与高介电常数的环状碳酸酯和低介电常数线性碳酸酯混合。一般来说，锂离子电池的电解质应满足高离子电导率（10-3~10-2 S/cm）、低电子电导率、宽电化学窗口（0~5V）和良好热稳定性（-40~60℃）的要求。六氟磷酸锂等新型锂盐、溶剂纯化、电解质制备和功能添加剂技术不断进步。目前的发展方向是进一步提高其工作电压和……

提高电池的高温和低温性能。安全的离子液体电解质和固体电解质正在开发中。

缺乏相互理解

聚烯烃微孔膜由于其优异的机械财产、良好的电化学稳定性和相对低廉的价格，是目前锂离子电池隔膜市场的主要产品。包括聚乙烯（PE）单层膜、聚丙烯（PP）单层膜和PP/PE/PP三层复合微孔膜。国内有许多制造商使用干法，许多企业使用湿法PE隔膜可以批量生产。随着陶瓷涂层技术的普及，耐高温高压隔膜将成为未来的研发方向。

2.单电池技术

到目前为止，锂离子电池的基本设计仍然与SONY在1989年的专利申请中公布的设计相同。单体的形状为圆柱形、方形金属外壳（铝/钢）和方形软包装。圆柱形电池最初主要用于根据电池组的结构设计和电池发热的计算分析，采用不同的热管理技术，得到成本低、工艺简单、安全可靠的电池热管理散热方案。根电池结构的轻量化需要以电池系统和车辆的相关结构为研究对象，考虑它们之间的耦合特性，开展结构抗振综合优化设计的关键技术研究，从结构设计优化和材料选择两个方面分析了其抗冲击性和轻量化。对零件材料、结构设计和连接的设计方案进行了优化。在电池安全方面，应在电气安全、机械安全和热安全的基础上研究电池系统的总体方案设计，对电池系统进行故障诊断与预测、热安全监测和预警与防控等关键技术。

4.展望未来

在未来很长一段时间内，锂离子电池仍将是最适合电动汽车的电池。锰酸锂正极材料、三元系正极材料、磷酸亚铁锂负极材料、复合碳正极材料、陶瓷镀膜隔膜、电解质盐和功能电解质技术的发展，支撑了电池技术的进步和产业发展。随着电池系统技术的发展，其安全性和可靠性将在未来几年得到进一步提高。

研究了锂离子动力电池的寿命模型及其影响参数、电池分组模式的特点、高效大容量锂离子电池组的平衡策略、单体电池充放电的热模型以及电池组温度场的分析与控制方法，需要进行电池组的优化和快速充电方法。动力电池系统应结合整车产品进行重新设计，并根据未来汽车动力电池的需求升级设计和制造模式。同时，要在动力电池基础材料、电池制造和系统技术全产业链上下功夫，提高产品质量，降低规模化生产成本，增强产业竞争力。日前，国内动力电池行业频频爆出大新闻。一是上汽切入动力电池领域，与中国第二大动力电池公司、世界第三大动力电池企业当代安培科技有限公司结婚，成立动力电池系统公司；随后，有消息称比亚迪将拆分动力电池部门，敞开大门或向所有车企供货。据报道，此举可能会改变全球市场结构。不仅如此，国内电动汽车市场连续两年产销居世界第一，累计推广超过100万辆，占全球市场50%以上。中国已经超过美国，成为电动汽车市场的霸主。可以说，电动汽车行业前景无限、发展迅速，关键在于动力电池技术水平的提高。

电动汽车的发展需要更好的电池。动力电池的比能量、寿命、安全性和价格对纯电动汽车的发展非常重要。其中，比能高、使用寿命长的锂离子电池是最实用的电动汽车电池，广泛应用于混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车。目前，商用动力电池的技术水平和未来10年的预期目标如图1所示。然而，在实际的产品生产中，这些指标往往相互矛盾，需要权衡和考虑电池相关的性能。电池性能的提高需要考虑电极材料、电解质和隔膜的性能，装配技术、电池系统分组和管理技术的跟进也非常重要。本文旨在从电池材料技术、单体电池设计制造技术和电池系统技术等方面总结以锂离子电池为核心的动力电池的发展成果，并展望未来！

图1现有动力电池的技术指标和未来10年的发展目标。

1.锂电池材料技术

正极和负极材料

锂电池的阳极和阴极材料体系非常丰富（图2）。目前，钴酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂和镍钴锰锂等正极材料的研究已经成熟。钴酸锂材料的比容量为200-210Ma h/g，其真实密度和极片压实密度是现有正极材料中最高的。商用钴酸锂/石墨系统的充电电压可以提高4.40V，已经可以满足智能手机和平板电脑对高体积能量密度柔性电池的需求。锰酸锂具有原料成本低、生产工艺简单、热稳定性高、耐过充电性能好、放电电压平台高、安全性高的优点。它适合作为轻型电动汽车的低成本电池，但存在理论容量低、循环过程中锰的溶解可能影响电池在高温环境中的寿命等问题。国产锰酸锂材料主要满足移动电源、电动工具和电动自行车的需求，并有向低端发展的趋势。NCM三元层状正极材料主要用于动力电池。除了镍、钴和锰分别占1/3的lini1/3co1/3mn1/3o2在动力电池中的成熟应用外，容量更高的LiNi0.5Co0.2Mn0.3o2也已进入批量应用，通常与锰酸锂混合用于电动汽车电池。铝掺杂镍钴氧化物锂（NCA）的能量密度接近高压钴酸锂电池的能量密度。近年来，电动汽车制造商特斯拉使用这种计算机电池驱动电动汽车，这种材料也可以与锰酸锂混合制造汽车动力电池。国内NCA前驱体已形成稳定的生产能力，少数企业已完成NCA正极材料的开发并正在产品推广过程中。磷酸铁锂电池具有较高的安全性和较长的使用寿命。目前，纳米功率材料和高密度磷酸锰锂材料发展迅速。高能大功率材料性能趋于稳定，成本进一步降低，逐步满足国内市场需求和现阶段我国新能源汽车推广需求。高压尖晶石锂镍锰氧化物和高压高比容量富锂锰基阴极材料仍在开发中。

图2锂离子电池电极材料体系

负极材料

石墨、硬/软碳和合金材料可以用作动力电池的阳极材料。石墨是目前广泛使用的阳极材料，其可逆容量已达到360Ma h/g。。非晶态硬碳或软碳可以满足电池在更高倍率和更低温度下的应用需求，并开始应用，但主要与石墨混合。钛酸锂负极材料具有最佳的倍率性能和循环性能，适用于大电流快速充电电池，但所生产的电池比能低，成本高。20世纪90年代，纳米硅被提议用作高容量阳极。目前，通过掺杂少量纳米硅来提高碳阳极材料的容量是一个热点。含有少量纳米硅或氧化硅的阳极材料已进入小批量应用阶段，可逆容量达到450Ma h/g。然而，由于嵌入硅中的锂的体积膨胀，在实际使用中循环寿命会降低的问题需要进一步解决。

浴液

锂离子电池的电解质通常与高介电常数的环状碳酸酯和低介电常数线性碳酸酯混合。一般来说，锂离子电池的电解质应满足高离子电导率（10-3~10-2 S/cm）、低电子电导率、宽电化学窗口（0~5V）和良好热稳定性（-40~60℃）的要求。六氟磷酸锂等新型锂盐、溶剂纯化、电解质制备和功能添加剂技术不断进步。目前的发展方向是进一步提高其工作电压和……

提高电池的高温和低温性能。安全的离子液体电解质和固体电解质正在开发中。

缺乏相互理解

聚烯烃微孔膜由于其优异的机械财产、良好的电化学稳定性和相对低廉的价格，是目前锂离子电池隔膜市场的主要产品。包括聚乙烯（PE）单层膜、聚丙烯（PP）单层膜和PP/PE/PP三层复合微孔膜。国内有许多制造商使用干法，许多企业使用湿法PE隔膜可以批量生产。随着陶瓷涂层技术的普及，耐高温高压隔膜将成为未来的研发方向。

2.单电池技术

到目前为止，锂离子电池的基本设计仍然与SONY在1989年的专利申请中公布的设计相同。单体的形状为圆柱形、方形金属外壳（铝/钢）和方形软包装。圆柱形电池最初主要用于根据电池组的结构设计和电池发热的计算分析，采用不同的热管理技术，得到成本低、工艺简单、安全可靠的电池热管理散热方案。根电池结构的轻量化需要以电池系统和车辆的相关结构为研究对象，考虑它们之间的耦合特性，开展结构抗振综合优化设计的关键技术研究，从结构设计优化和材料选择两个方面分析了其抗冲击性和轻量化。对零件材料、结构设计和连接的设计方案进行了优化。在电池安全方面，应在电气安全、机械安全和热安全的基础上研究电池系统的总体方案设计，对电池系统进行故障诊断与预测、热安全监测和预警与防控等关键技术。

4.展望未来

在未来很长一段时间内，锂离子电池仍将是最适合电动汽车的电池。锰酸锂正极材料、三元系正极材料、磷酸亚铁锂负极材料、复合碳正极材料、陶瓷镀膜隔膜、电解质盐和功能电解质技术的发展，支撑了电池技术的进步和产业发展。随着电池系统技术的发展，其安全性和可靠性将在未来几年得到进一步提高。

研究了锂离子动力电池的寿命模型及其影响参数、电池分组模式的特点、高效大容量锂离子电池组的平衡策略、单体电池充放电的热模型以及电池组温度场的分析与控制方法，需要进行电池组的优化和快速充电方法。动力电池系统应结合整车产品进行重新设计，并根据未来汽车动力电池的需求升级设计和制造模式。同时，要在动力电池基础材料、电池制造和系统技术全产业链上下功夫，提高产品质量，降低规模化生产成本，增强产业竞争力。

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