动力电池性能提升途径及发展展望

任璐

摘 要：新能源汽车之所以无法普及，主要受动力电池成本及性能制约。动力电池是电动汽车的心脏。目前，动力电池产业已经有了巨大进步，但是动力电池产品性能、质量和成本仍然难以满足新能源汽车推广普及需求，文章主要从物理和化学两个层面分析探讨动力电池性能提升途径，并对动力电池未来发展趋势进行展望。

关键词：新能源汽车；动力电池；三元锂电池

中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：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 提升动力电池性能的物理途径

1.1 圆柱电池

目前最成熟的技术就是18650电池，即通常所说的5号电池。特斯拉汽车的动力电池就是由7623颗5号电池串并联组成。圆柱形电池由自动化设备卷绕而成，生产效率高，生产流程标准化，普及率高。但是圆柱形电池也有其天生缺陷，因为体积小，所以单体容量较小，且在高强度放电时，发热量大；使用寿命短，电池循环次数在1000次左右。

针对18650电池的缺点，特斯拉采取增大电芯尺寸的方式加以改进，例如特斯拉Model3中用20700替代18650电芯，20700电池增加的尺寸大概为10%，而体积和能量储存提升了1.33倍。20700电芯量产后，其动力电池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%。可见，圆柱电池的发展已经做到极致，再往上提升的空间不大。

1.2 软包电池

软包电池，又称聚合物锂电池，其内部使用高分子胶态或固态电解质，区别于电解液。其电池形状不固定，可以根据实际需求制作成各种形状。目前在苹果手机电池中广泛使用。软包电池目前价格昂贵，主要因为高分子电解质成本较高，其外包装材料不同于普通电池，为铝塑复合膜。其正负极材料与传统锂电池一样。

由于采用铝塑膜包装，其安全性能得到较好提升，发生安全问题时，软包电池一般会鼓气裂开，而不会发生爆炸；软包电池的优点还包括：质量轻、自耗电小、循环寿命长等。但是，软包电池也有缺点，比如一致性差，成本高，容易漏液。作为一种新型动力电池，软包电池未来提升空间很大。

1.3 方形电池

方形锂电池，顾名思义，其形状为方形，方便叠加，也方便置于汽车之中。其外壳通常是铝制壳或钢制作壳。其特点是结构简单、能量密度高，国内普及率高。方形电池多采用卷绕式或叠片式工艺，制造效率高，安全性好。随着新能源汽车工业的发展，未来新能源汽车也将如现在的常规能源汽车一样大规模生产，这就涉及到标准化问题。现在的传统燃油汽车，大多数零部件大多采用標准件，全球通用，这样一来不仅降低了制造成本，也降低了研发成本。未来的大趋势是全球采取统一尺寸，统一规格的方形电池。这将极大的推动动力电池的发展。降低动力电池的生产成本及研发成本，推动新能源汽车产业加速发展。美国卡内基梅隆大学的研究成果也证明：圆柱形电池进一步降低成本的空间很小，而方形电池则有很大的潜力。

1.4 电池PACK系统

电池PACK系统，即封装电池组，指利用机械结构将众多单芯电池串并联起来。并综合考虑电池包系统的机械强度、热管理、能量管理等问题。电池包综合管理系统（BMS）是各新能源汽车公司的核心技术，优秀的PACK系统配上优良的电池管理系统（BMS）可以让动力电池组系统比能量效率从65%提升到85%。65%是目前国内的平均水平，而85%则是工信部拟定到2020年实现的目标。PACK环节效率提升比较难，可以通过提升集成效率、减重、电池包与底盘一体化等方式来实现。值得一提的是，大众汽车公司的MEB平台在实现电池组效率提升和成本大幅下降上起到了模范作用。

对比分析以上提升动力电池性能的物理途径，笔者认为，圆柱电池的发展已经遇到天花板，未来提升空间不大；软包电池与方形电池将来会有较大的竞争力。动力电池降成本的重要途径就是标准化与模块化。未来全国动力电池若能建立统一标准、统一规格、统一形状、统一尺寸以及批量生产，相信动力电池的生产效率将大幅提升，成本将大幅下降。例如，当年福特发明的标准化生产方式让汽车的价格从2000美金降到了300美金。在未来大规模使用新能源汽车过程中，方形电池是最具发展潜力的。它可以让全国的新能源汽车都采用统一标准的方形电池，续航里程大的纯电动汽车，方形电池可以叠加得多一些，续航里程短的混动汽车，方形电池可以叠加得少一些。电池封装系统也可以全国统一标准，依据动力电池容量的不同，分别采取相应的电池封装技术，将方形电池封装起来。将方形电池与封装技术结合起来，形成全国统一标准的方形电池封装技术，将极大的降低动力电池的生产成品，提升动力电池性能。助力中国汽车工业实现弯道超车，达到世界顶尖水平。

2 提升动力电池性能的化学途径

2.1 高镍NCM与NCA正极材料

正极材料是动力电池能量的短板，只要正极材料比容量提高就能提高电池能量密度。正极材料的比容量一般为100-200mAh/g，而石墨负极材料的比容量高达400mAh/g。采用高容量的正极材料，能够让负极、隔膜、电解液用量之间的搭配更加完美，电池最终能量密度的提升直接取决于正极材料比容量的提升。动力电池能量密度突破的关键就在于正极材料。

目前国内NCM111和NCM 523型三元正极材料产品已经量产，并开始大规模使用，而新型622NCM则于2016年开始逐步在部分动力电池企业中推广，未来将逐步拓展至811NCM以及NCA材料。当然三元锂电池也有自己的瓶颈，它的正极理论比容量的最大值是300mAh/g，达到300mAh/g就已经是极限。三元锂电池是目前动力电池厂商主攻的方向，未来将有新型的正极材料系统。

2.2 硅碳负极

动力电池的负极材料主要是硅碳负极，即在石墨材料加入硅，其理论能量密度高达4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳负极材料，特斯拉在传统石墨负极材料中加入10%的硅，使其能量密度达到550mAh/g以上。国内贝特瑞公司研发的S1000型号硅碳负极材料的比容量更是高达1050mAh/g。负极材料目前没有技术瓶颈，完全能满足动力电池的各种需求。

2.3 薄型化隔膜

隔膜在单体电池上主要用来隔开正负极，让电解液能够通过隔膜在正负极之间交换物质。受制于电池体积所限，以及提高电池能量密度的要求，动力电池隔膜需要尽量轻、薄。隔膜性能决定了电池内部结构、内阻等，直接影响电池容量、安全性能等。优质隔膜对提升电池性能作用巨大。

隔膜技术有干法与湿法两种制造工艺，干法成本较低但只适合小功率电池，湿法成本高但能适合大功率电池。早期，动力电池主要采用干法隔膜，目前湿法隔膜开始推广使用，预计2020年干湿法薄膜技术各占一半，分别应用于中低端与高端领域。隔膜工艺的核心技术掌握在日本旭化成公司手中。中国有大量企业生产隔膜，但无核心技术。旭化成干法现在可量产12微米隔膜，湿法可量产6-7微米。国内企业大多只能生产干法20-40微米隔膜。对比与隔膜行业世界一流水平企业的差距，我国企业应该引进先进工艺设备，苦练内功，力争取得突破。

2.4 新型电解液LiFSI

锂电池电解液是电池中离子传输的载体。一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。

锂电池主要使用的电解质是六氟磷酸锂。用含氟锂盐制成的电池性能好，无爆炸危险，适用性强。在锂电池电解质中添加LiFSI后，可提高离子导电率及电池充放电特性。比如，反复充放电300次后，1.2MLiPF6的情况下放电容量保持率会降至约60%，而在1.0MLiPF6中添加0.2MLiFSI后，保持率可超过80%。目前LiFSI已经进入商用，用此种电解质废弃电池处理工作相对简单，对生态环境友好，因此该类电解质的市场前景十分广泛。

对比分析以上四种提升动力电池性能的化学途径，笔者认为，未来提升动力电池比容量的关键点在正极材料。而正极材料目前是短板，补齐短板，动力电池的比容量提升将有质的飞跃。目前，全球厂商均集中力量研究三元锂动力电池，在锂正极中主要是加入镍、钴、锰三元素。并不断调配三种元素之间的比例以提升电池性能。未来更有前途的三元材料是镍、钴、铝，不断调配实验这三种材料间的配比，将会获得能量密度更大的三元锂电池。新型三元锂电池通过与硅碳负极的适配，再搭配新型电解液LiFSI，并用更薄的湿法薄膜包裹，将使得新型动力電池的能量密度更高、环境更友好、安全性更高以及循环寿命更长。

3 动力电池发展展望

现有体系下，电池能量密度的理论极限为300Wh/kg，如果要达到2025年，新体系动力电池技术取得突破性进展，单体比能量达500Wh/kg，有前景的方案包括固态锂电池、锂硫电池和锂空气电池等新的电化学体系电池。固态电池研大规模商用的可能性最高，因为固态锂电池和液态锂电池在工作原理上并无区别，只是电解质为固态与液态的区别。由于固态电池不再使用石墨负极，而是直接使用金属锂负极，所以大大减轻负极材料用量，使得整个电池的能量密度明显提高。目前实验室已试制出能量密度为300-400Wh/kg的全固态电池，安全性能也比较高，不过该种电池体积较小，成本较高，目前仅在苹果手机等高端小巧设备上有应用。锂硫电池的能量密度最高，目前实验室试制的锂硫电池比能量密度可达500Wh/kg，硫作为正极材料理论比能量高达2600Wh/kg，且单质硫成本低、对于环境友好，但是，锂硫电池在试制过程中有诸多技术难题无法突破，包括安全性、倍率性能和循环稳定性等。锂硫电池应用前景广阔，环境友好，如果试制成功，无异于一场革命，新能源汽车将会迅速取代传统燃油汽车。锂空气电池的续航里程最长，单次续航里程可达2000公里，不仅如此，锂空气电池比能量有望超过700Wh/kg。金属空气电池是以金属为燃料，与空气中的氧气发生氧化还原反应而产生电能的一种特殊燃料电池。锂空气电池的比能量是锂离子电池的10倍，体积更小，重量更轻。但是锂金属过于活泼，碰见水蒸汽马上会发生剧烈氧化还原反应，其安全性、稳定差。锂空气电池的应用还有诸多技术难关要攻克。

参考文献：

[1]刘坤，徐睿杰.锂电池隔膜的安全性与高性能化[J].价值工程，2012（36）.

[2]王浩，杨聚平，王莉，等.锂离子电池的安全性问题[J].新材料产业，2012（09）.