动力电池技术究竟发展到了哪一步

日前，国内动力电池行业大新闻频频爆出，先是上汽切入动力电池板块，与国内第二大、全球第三大动力电池企业宁德时代联姻，成立动力电池系统公司;随后有消息称比亚迪将分拆动力电池部门，开放门户或向所有车企供货，有报道称这一举动或将改变全球市场格局。而且，国内电动汽车市场连续两年产销量居世界第一，累计推广超过100万辆，占全球市场保有量50%以上。中国超越美国坐上电动汽车市场的头把交椅，可以说电动汽车行业前景无限、发展迅猛，其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，动力蓄电池的比能量、寿命、安全性和价格，对纯电驱动汽车的发展至关重要。其中具有比能量高、寿命长等优点的锂离子电池是目前最具实用价值的电动汽车电池，在混合动力汽车、纯电动汽车和燃料电池汽车上均得到广泛应用。目前商用动力电池的技术水平和未来10年预期可达到的目标见图1，而实际产品生产中往往这些指标又是互相矛盾的，电池相关性能需要权衡考虑。电池性能的提高需兼顾电极材料、电解液、隔膜的性能，同时装配技术、电池系统成组、管理技术的跟进也至关重要。本文旨在从电池材料技术、单体电池设计和制造技术、电池系统技术等方面总结目前以锂离子电池为核心的动力电池发展成就，同时展望未来!

图1 现有动力电池的技术指标以及未来10 年的发展目标[1]

1. 锂电材料技术

正负极材料

锂电正负极材料体系非常丰富(图2)，目前，钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰锂等正极材料研究已趋于成熟。钴酸锂材料比容量有200-210 mA·h/g，其材料真密度和极片压实密度均是现有正极材料中最高的，商用钴酸锂/石墨体系的充电电压可提升4.40 V，已经可满足智能手机和平板电脑对高体积能量密度软包电池的需求[3]。锰酸锂原料成本较低、生产工艺简单、热稳定性高、耐过充性好、放电电压平台高、安全性高。适合作为轻型电动车辆的低成本电池，但存在理论容量比较低，循环过程中可能有锰元素的溶出影响电池在高温环境中的寿命等问题。国内锰酸锂材料主要满足移动电源、电动工具和电动自行车市场的需求，有向低端发展的趋势。NCM三元层状正极材料主要应用于动力型电池，除镍、钴、锰各占1/3 的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2在动力电池中的应用较为成熟外[4]，较高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2也已经进入批量应用，一般与锰酸锂混合应用于电动车辆电池。铝掺杂的锂镍钴氧(NCA)能量密度可接近高电压钴酸锂电池，近几年电动汽车厂商特斯拉将这种电脑电池用于驱动电动汽车，该材料也可以与锰酸锂混合用于制造车用动力电池，国内NCA前驱体已形成稳定产能，少数企业已完成NCA正极材料开发，处于产品推广过程中。磷酸铁锂电池安全性高、寿命长[5]，目前纳米化的功率型材料和高密度的磷酸锰铁锂材料发展速度较快，高能量型和高功率型材料的性能趋于稳定，成本进一步降低，逐步满足了国内市场需求和现阶段中国新能源汽车推广的需要，高电压尖晶石镍锰酸锂和高电压高比容量富锂锰基正极材料仍在研发之中。

图2 锂离子电池电极材料体系[2]

负极材料

可用于动力电池的负极材料有石墨、硬/软碳以及合金材料，石墨是目前广泛应用负极材料，可逆容量已能达到360 mA·h/g。无定形硬碳或软碳可满足电池在较高倍率和较低温度应用的需求，开始走向应用，但主要是与石墨混合应用。钛酸锂负极材料具有最优的倍率性能和循环性能，适用于大电流快充电池，但生产的电池比能量较低且成本较高。纳米硅在20世纪90年代即被提出可用于高容量负极[8]，通过少量纳米硅掺杂来提升碳负极材料容量是目前研发的热点，添加少量纳米硅或硅氧化物的负极材料已开始进入小批量应用阶段，可逆容量达到450 mA·h/g。但因锂嵌入硅后导致其体积膨胀，在实际使用时循环寿命会出现降低的问题有待进一步解决。

电解液

锂离子电池电解液一般以高介电常数的环形碳酸酯与低介电常数的线性碳酸酯混合[6]。一般来说锂离子电池的电解质应该满足离子电导率高(10-3~10-2 S/cm)、电子电导低、电化学窗口宽(0~5 V)、热稳定性好(-40~60℃)等要求[2]。六氟磷酸锂及其它新型锂盐、溶剂提纯、电解液配制、功能添加剂技术持续进步，目前的发展方向是进一步提高其工作电压和改善电池高低温性能，安全型离子液体电解液和固体电解质正在研制中。

隔膜

聚烯烃微孔膜以其优良的力学性能、良好电化学稳定性以及相对廉价的特点，是目前锂离子电池隔膜市场的主要品种[7]。包括聚乙烯(PE)单层膜、聚丙烯(PP)单层膜以及PP/PE/PP三层复合微孔膜。国内采用干法工艺生产的厂家较多，湿法工艺PE隔膜也已经有多家企业可以量产。随着陶瓷涂层技术得到了推广，耐高温和高电压的隔膜将成为是未来的研发方向。

2. 单体电池技术

至今锂离子电池的基本设计仍与SONY公司于1989年专利申请公布的相同[8]，单体的形状有圆柱、方形金属壳(铝/钢)和方形软包散装，圆柱电池原来主要用于笔记本电脑，现在特斯拉等公司选用的18650圆柱电池用于电动汽车。方形电池一般容量较大，电芯通过卷饶、Z形叠片、卷绕+叠片、正极包膜叠片、叠片+卷绕等方式制作。圆柱型电芯技术最成熟，制造成本较低，但大型圆柱电池的散热能力较差，故一般选用小圆柱电池。车用电池组容量大，电池数量多，管理系统较为复杂和昂贵。方形电池中卷绕结构电池制作工艺较简单，但主要适合于软极片电池，采用除尖晶石正极材料外磷酸铁锂和三元材料的电池均可用此方法。可靠性高、寿命长的叠片式电池适应于各种材料体系，通用Volt插电式混合动力汽车和日产Leaf纯电动汽车的电池均采用叠片工艺制造。至2015年，磷酸铁锂单体电池的比能量达到140 W·h/kg，三元材料混合锰酸锂单体电池的比能量达到180 W·h/kg，国际上采用NCA的小圆柱电池比能量达到240 W·h/kg，未来几年锂离子单体电池的比能量将进一步提升，预期至2020年最高可达到300 W·h/kg。

3. 电池系统技术

从商品化的锂离子动力电池系统角度看，关键核心技术包括电池成组技术(集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等)、电池管理系统(BMS)电磁兼容技术、信号的精确测量(如单体电压、电流等)技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等[9]。

图3 简易动力电池系统图

而BMS及电池系统的其他关键核心部件包括传感器、控制器、执行器等部件基本上由汽车电子技术强国(德、日、美)垄断。国内目前部分企业已成功开发智能电表，可以替代国外电流、电压、绝缘传感器。影响电动汽车推广应用的首要因素是锂离子动力电池的安全性和使用成本，除了电池本体的安全性、寿命及一致性进一步提升外，电池模块化技术、电池成组技术(集成电池配组、热管理、碰撞安全、电安全等)也与国外有较明显的差距。目前国际汽车企业电池成组技术较为成熟，国内研究单位在BMS电磁兼容技术、信号的精确测量技术、电池状态精确估计、电池均衡控制技术等方面开展了较为深入研[2]。

电池电管理关键技术研发包括综合电池电化学模型、电气安全设计、电池状态估计、均衡管理、故障诊断与标定以及充电管理等方面。电池热管理关键技术及系统研发需根据电池组的结构设计和电池产热计算分析，研究不同热管理技术的散热均温效果，得到成本低、工艺简单、安全可靠性强的电池热管理散热方案。根电池结构轻量化需以电池系统及整车的相关结构为研究对象，考虑相互间的耦合特性，从结构设计优化与材料选型两个方面开展结构抗振、抗冲击和轻量化的集成优化设计关键技术研究工作。对零部件材料、结构设计、联接等设计方案进行优化，电池安全性方面需在电气安全、机械安全和热安全的基础上开展电池系统的安全性整体方案设计研究，针对电池系统开展故障诊断预测、热安全监测预警和防控关键技术。

4. 展望

在未来相当长一段时间里，锂离子电池仍是最适用的电动汽车电池，锰酸锂正极材料、三元体系正极材料、磷酸铁锂正极材料、复合碳负极材料、陶瓷涂层隔膜、电解质盐及功能电解液技术的发展支撑了电池技术的进步和产业发展。电池系统技术在应用中进步，安全性和可靠性将在未来几年得到进一步提升。

锂离子动力电池的寿命模型及模型影响参数的研究，电池成组方式特性研究，高效大容量锂离子电池组均衡策略研究，单体电池充放电热模型与成组电池包温度场分析和控制方法研究，成组电池优化快速充电方法研究等有待开展。动力电池系统应结合整车产品进行重新设计并根据未来车用动力电池的需求进行设计制造模式的升级，在动力电池基础材料、电池制造和系统技术全产业链上同时下功夫，提高产品质量，降低规模化生产成本，提升产业竞争力。