更安全 新能源汽车动力电池技术弯道超车

新能源汽车在经过了多年的发展和国家的扶持，如今在技术上已经趋于成熟，并且除了传统车企外，还吸引了一大批新势力加入新能源造车行列。现在更多的消费者在购车时，也将新能源车型纳入了选择清单。与普通消费品不同的是，汽车属于大件商品，且价值相对较高，用户在选择时往往都会比较谨慎，不仅会从品牌还会考虑该品牌的造车技术。而汽车的技术要求相对较高，也只有真正有技术沉淀的车企才会在造车大军中生存下来，这一点已经在传统车企中早已验证——像众泰等靠模仿外观的车企已经被市场淘汰，而在新能源汽车中有所建树的比亚迪，如今正风生水起。

对于新能源汽车来说，电池、电控、电机系统已经成了新的“三大件”，这三大件也是新能源汽车最核心的部分。其中电池更被人们所看重，这是因为电池系统的优劣直接影响安全和驾驶体验，因为新能源汽车发生自燃的案例数不胜数。为此，市面上出现了比亚迪的刀片电池技术、广汽研发的弹匣电池技术、长城的大禹电池技术、宁德时代的CTP（Cell to Pack）技术、江淮的蜂窝电池技术。可以看到，一大批国产电池技术已经到来，这也让中国的新能源汽车处于世界领先地位。关于这些电池技术，你可能还很陌生，没关系，本文就能让你读懂国内新能源汽车电池技术的发展现状。

电池材料已达到90%国产化率

新能源汽车的动力电池是三大核心零部件之一，占整车制造成本的40%左右，可见其重要性。同时，电池性能的好壞也决定了整车的安全性和续航里程，其重要程度不言而喻。简而言之，想要发展新能源汽车，电池是最关键的。就当前来看，我国在动力电池产业的布局上已经实现了上下游贯通，电池性能得到了大幅提升，并且制造成本也在逐渐下降，技术和制造能力处于世界领先。

有数据显示，其实从2014年以后，我国的锂离子电池各项性能均达到国际领先水平，与此同时成本还下降了80%以上。其中，磷酸铁锂动力电池单体能量密度达到160 ～190瓦时/公斤，售价降低到0.5元/瓦时左右，循环寿命普遍达到4000次左右;三元材料动力电池单体能量密度达到220～280瓦时/公斤，售价降低到0.6元/瓦时左右，循环寿命普遍达到2000次以上。

而从基础材料方面来看，正负极、隔膜、电解液等电池材料核心技术多点突破，与国际先进水平相当，国产化率超过90%。硅碳负极材料部分企业走在世界前列，隔膜材料湿法加涂覆生产工艺协同优势显著，电解液生产形成了比较成熟的产业链。

此外，我国的电池制造装备能力也实现了同步发展，智能制造技术工艺和质量控制水平达到世界先进水平，装备国产化率大幅提升，主要装备国产化率达到90%以上。

此外，从公开数据来看，中国已成为全球动力电池专利申请第一大国，专利数占全球申请总数的40%以上。中国申请人动力电池专利申请量，从2015年开始便始终保持在1000项/年的高位，2018年甚至一举突破了1500项。从这些数字可以看出，我国新能源汽车产业的创新热情和成果正以指数形式增长，并已经占据全球汽车市场领头羊的位置。在有了国家的政策扶持，车企在新能源产业上的创新热情也持续高涨，我国也诞生了一批具备全球竞争力的动力电池企业，例如比亚迪、宁德时代、蜂巢能源，以及还有广汽、长城等传统汽车企业。

宁德时代：国产电池龙头

如果要说国产新能源企业，那么宁德时代是不得不提到的一家电池厂商。这家成立于2011年的电池制造商，只用了不到10年时间就成了国内率先具备国际竞争力的动力电池制造商。2018年6月11日，宁德时代在深交所创业板挂牌上市，至此宁德时代一路高歌。根据海外媒体公布的数据，国产动力电池巨头宁德时代，正在领跑全球。今年前八个月，宁德时代在全球动力电池市场的份额占比高达30%，而韩国SK创新、三星SDI、LG三家韩国企业，前八个月市场份额加起来占比仅33%。也就是说，宁德时代凭借一己之力就能抗衡韩国三家有电池技术优势的企业。而就在前不久，宁德时代的市值再创新高，达到了14000亿元。

近30年来，三元锂电池与磷酸铁锂电池两强争霸，随着今年7月宁德时代钠离子电池的发布，这一局面已被打破。宁德时代钠离子电池在性能、性能、集成效率以及安全性上表现突出，同时还能适应高寒、高功率等应用场景，为产业发展带来了新思路。

钠离子电池与Cell to Pack电池技术提升宁德时代竞争力

2019年，宁德时代提出了CTP（Cell to Pack）的概念，代表其路线从电芯跨越到整包解决方案。2020年，宁德时代正式给出了新开发路线图，正在设计第二代、第三代CTP电池系统。这条路径的终极目标，在整车续航进一步提升和降成本要求下，宁德时代计划在2025年左右推出其第四代高度集成化的CTC电池系统。

由于省去了电池模组组装环节，较传统电池包，CTP电池包体积利用率提高了15%～20%，电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了5 0%，将大幅降低动力电池的制造成本。同时，得益于内部结构的化繁为简，CTP电池包能量密度较传统电池包将提升了10%～15%。传统的电池包能量密度平均为180Wh/kg，而CTP电池包能量密度可达到200Wh / kg以上。目前，宁德时代已经取得超70项CTP核心专利，预计后期还将有更多的新技术应用在CTP电池包以保障产品安全。业内人士指出，动力电池去模组对优化电池包利用空间和提升能量密度以及降成本有积极作用，比较适用于标准电池箱，有助于车企和电池企业降低制造成本，有望成为未来动力电池技术主流之一。当前，除了宁德时代之外，包括蜂巢能源、比亚迪等电池企业也在研发CTP技术，预计后期或将有更多电池企业推出CTP电池。

在技术原理上，宁德时代CTP技术是将一个大的模块通过若干个塑料散热片分割成小空间，这些塑料散热片可以像电脑硬盘一样插入小空间。每个电池的侧面还贴有一个导热硅胶垫片，并且在电池宽度方向的散热板上有一个冷却通道，可以直接与外部冷却管路连接。这可以减少大约 40%来自模块之间连接线束、侧板、底板等的部件。去掉电池模块，将电池直接集成到电池组中，可以提高电池组的空间利用率，减轻电池组的质量，提高能量密度，降低成本。宁德时代CTP 技术电池的固定梁将箱体分隔为多个容置腔，电池包包括多个电池单体，且多个电池单体在垂直于高度方向的平面内分为多组，各组电池单体均具有至少两个电池单体且分别设在不同的容置腔内。最底层的电池单体与箱体内底面之间、各组电池单体中的相邻两个电池单体之间、以及约束部件与最顶层的电池单体之间设有粘接层。另外，宁德时代董事长曾毓群介绍说，“我们正在研究一种新的电池集成技术，这种技术可以将电池直接安装到电动车的底盘上。”通过采用这项新技术，电动汽车的续航里程可能超过800公里。这项技术的正式名称为CTC（Cell to Chassis），Chassis即底盘。此技术是将电芯和底盘集成一起，再把电机、电控、整车高压如直流转换器DC/DC、车载充电机OBC等通过创新的架构集成在一起，并通过智能化动力域控制器优化动力分配和降低能耗。

不同于宁德时代CTC技术的发布时间尚未确定，钠离子电池的发布时间却近在咫尺。钠离子电池和锂离子电池的工作原理相似，但钠离子电池由于能量密度低、充放电效率慢、初期成本等问题，短时间内无法替代电动汽车锂离子电池，因此市场普遍认为，具有性能安全、温度范围适应性宽等特性的钠离子电池更多将用于储能领域。

钠离子电池并非新技术，今年6月28日，由中科海纳和中科院物理所联合打造的全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统在山西太原综改区正式投入运行。据中科海纳总经理唐堃介绍，这次启用的兆瓦时级钠离子电池储能系统，综合能量效率达到86.8%。目前我国的钠离子电池产业化还处于初级阶段，钠离子电池现在处于多种技术路线共同发展的状态，正负极材料性能还需提高，与正负极匹配的电解液体系还有待进一步开发。宁德时代钠离子电池之所以备受关注，原因在于储能业务是宁德时代在成立之初便定下的另一个主业务目标：宁德时代副董事长黄世霖曾表示，公司以前也做了很多技术储备，相信未来公司在储能领域也能保持很好的竞争力。

此外，宁德时代还在超级快充技术、超长寿命电池技术、电池自加热&BMS技术上不断创新。同时，宁德时代将建立了从产品设计、电芯制造、系统集成、BMS管理、售后服务、报废回收等完整的安全保障体系，全方位保障动力电池安全。

刀片电池呼声更高

2020年3月29日比亚迪正式发布了刀片电池，该电池采用磷酸铁锂技术，将首先搭载于“汉”车型。该电池续航里程达到了三元锂电池的同等水平，通过了电池安全测试领域的“珠穆朗玛峰”针刺测试，从容化解安全、续航、寿命三大难题。刀片电池直接将电池部件拉长像刀片一样集成在电池包的边框上，省去模组和大部分结构件，由电芯直接成包，而且更薄的厚度也进一步降低了穿刺过程中的热量累积，提升了电池包的强度和安全。据比亚迪给出的数据，刀片电池pack较普通磷酸铁锂电池体积能量密度超过330Wh/L，成本下降30%、单位体积能量密度提升50%。由于刀片电池比传统方形电池更薄，因此散热效果更好。

对于刀片状长条形电池，隔板将壳体内部分隔出若干个容纳腔，容纳腔内设有極芯组，极芯组含有一个极芯或两个极芯并联，极芯组之间通过极芯连接件串联连接，极芯连接件贯穿相邻两个极芯组之间的隔板。第一代刀片电池内部共有3组极芯组;隔板上设置有可以通过电解液的注液孔，注液孔连通隔板两侧相邻的两个容纳腔，即使从某一个容纳腔处注入电解液，电解液也能够由注液孔流至其他容纳腔，保证各个容纳腔均能够很好地注入电解液。最终电池长度L=400～2500mm。

常见的新能源汽车，其宽度一般在1米以上，长度则在数米;而新能源汽车的动力电池包，一般放置在新能源汽车的底部;目前市场上的动力电池包，一般都是宽度方向与新能源汽车的宽度大概一致，大概在1米以上。长度则根据新能源汽车的底部预留空间而定，一般都在2米以上。整个动力电池包无论在长度还是宽度方向，都超过1米;而目前单体电池的长度一般在0.3米左右，所以在动力电池包中，需要并排设置至少3个单体电池，甚至更多。并排设置多个单体电池，对每个单体电池均需要添加固定结构，同时，相邻两个单体电池之间需要通过外设的动力连接件进行动力连接。导致单体电池安装结构较多，不仅成本提高，而且导致整体重量上升;同时，单体电池安装结构占用了较多的包体内部空间，造成动力电池包整体容量降低，单体电池并排设置越多，空间浪费就越多。另外，因需要设置多个外置动力连接件进行动力连接，导致内阻增加，提高了动力电池包在使用中的内耗。

单体刀片电池的长度L设计成600mm～2500mm，由于单体电池本体足够的长，在单体电池的外表面设有支撑区，可以直接将单体电池支撑到支撑区。汽车底盘上设有向下凹陷的腔体以便装配单体电池，这样，在电池包内无须设置任何加强筋，电池包中放置电池阵列，单体电池与单体电池之间通过胶黏结，直接通过连接的单体电池承担加强筋的作用，极大地简化了电池包的结构，且减少了加强筋占用的空间以及单体电池的安装结构占用的空间，从而进一步提高空间利用率，以进一步提高续航能力。

通过刀片电池单体的尺寸参数等的设计，可以提升电池的散热效果。刀片电池在同等条件的快充下，其温升较传统电池均有不同程度的降低，具有优于现有技术的散热效果，将该单体电池组装成电池包时，电池包的温升也有所降低。电池包通过单体刀片电池的排布、尺寸参数以等因素的设计，空间利用率能够突破现有电池包的限制，从而实现更高的能量密度。传统的磷酸铁锂电池包含三层结构：电芯、模组、电池包，其中电芯和模组的支撑固定结构件会占据很大一部分空间。刀片电池省去了模组和大部分支撑结构，由电芯直接成包，空间利用率大大提升了。同样的电池体积里，现在可以塞下比以前多得多的电芯。据比亚迪给出的数据，对电池包的重塑使刀片电池单位体积能量密度提升50%，相当于原来满充能跑400公里的电动车，如今能跑600公里。尽管三元锂电池续航久动力足，但“热失控”一直是它挥之不去的噩梦。刀片电池安全性远胜三元锂电池，用比亚迪董事长王传福的话来说，“搭载刀片电池的新能源汽车，将把‘自燃这个词从新能源汽车的字典里彻底抹掉”。为了证明这一点，比亚迪在刀片电池的发布会上公布了一段刀片电池针刺穿透测试的视频。针刺穿透测试是行业内公认的对电池电芯安全性最为严苛的检测手段。这一测试要求用钢针把电池电芯刺穿，造成电芯内部的大面积短路。此外，除了刀片电池外，比亚迪还在研发GCTP技术，这与宁德时代的CTC技术路线有些相似。比亚迪 GCTP的集成效率能够达到86%以上，除了大模组方案外，采用胶粘剂取代结构件的成组形式;除了功能集成铝托盘，还有功能集成复合材料托盘。这两个方案趋势，均是具有对部分上游供应链颠覆的走向：即胶接取代焊接等，复合材料取代金属材料，这对搞结构件，箱体，焊接，成型设备的企业来说是重创。目前，还不知道这个趋势有多快，在比亚迪内部又有多少的比例在更换。

广汽弹匣电池技术

3月10日，广汽发布新一代动力电池安全技术——弹匣电池系统安全技术，从命名中我们不难理解，弹匣电池系统就是将电池置于形似弹匣的安全舱内，这套“弹匣电池”系统有4个核心技术：超高耐热稳定电芯、超强隔热电池安全舱、三维降温冷却系统、第五代电池管理系统，弹匣电池技术可以应用于磷酸铁锂和三元锂两种材料的电池包中。弹匣电池的设计通过了中汽中心针刺热扩散试验权威验证，实现了三元锂电池整包针刺不起火。国标的热失控标准是热失控实验在5分钟内不能起火，弹匣电池将之提高至不起火的水平。那么什么是热扩散呢？热扩散是指电池包或系统内一个电池单体热失控引发其余单体接连发生热失控的现象。电动汽车用动力电池热扩散测试项目的目的是验证电池系统在动力电池单体发生热失控时能否具备有效保护驾乘人员安全逃生的能力。根据目前国家强制性标准 GB 38031-2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》，简单来说，就是把动力电池满电（充电至90%SOC以上），然后采用强制的措施引爆电池（采用直径为3mm-8mm的钢针，以0.1mm/s-10mm/s的速度，贯穿电池），并且需要布置温度传感器，确认检测出来电芯确实发生热失控了，（监测点的温升速率dT/dt≥1℃/s，电压下降1/4），然后测试电芯是否起火。

如何实现三元锂电池的热失控完美抑制？弹匣电池技术是从电芯本征安全提升、整包被动安全强化、再到主动安全防控的一整套安全技术。弹匣电池的4大核心技术：超耐热稳定电芯、超强隔热设计、极速降温的速冷系统、全时管控的第五代电池管理系统。下面，我们一一进行解读。

超高耐热电芯

通过正极材料的纳米级包覆及掺杂技术、新型添加剂的应用实现SEI膜的自我修复。高安全电解液，自聚合高阻抗界面膜，大幅降低热失控反应热。这一系列关键技术的应用，使电芯的耐热温度提升30%。电芯正极是三元锂材料，目前尚不清楚具体配比。

超强隔热电池仓

作为三元锂电池，为了实现高安全性，仅电芯层面的提升是不够的。弹匣电池采用超强隔热电池安全仓，网格纳米孔融热材料，可以使相邻电芯不发生热失控。这个电池安全仓就相当于一个弹匣，把电芯与电芯之间隔开。电池包采用耐高温壳体可承受1400℃高温。

另外，彈匣电池配备了急速降温三维冷却系统和全时管控第五代电池管理系统。前者采用全贴合液冷集成系统，高效散热通道设计，高精准导热路径设计，散热面积提升40%，散热效率提高30%。后者是除了上述的硬件的改善外，BMS软件给弹匣电池的安全性提供了最后一层屏障。最新一代电池管理系统芯片，可实现每秒10次全天候数据采集，相比前代系统提升100倍。可以24小时对电池状态进行监测，发现异常时，立即启动电池速冷系统为电池降温。

广汽还在发布会上视频展示了针刺实验。实验结果显示：整包在试验过程中热事故信号发出5分钟后，仅出现短暂冒烟（1分钟），无起火和爆炸现象。静置48小时后，电压降至0V，温度恢复至室温。针刺后只有被刺电芯模块热失控，没有蔓延到其他电芯。打开电池整包，观察内部结构完好。比亚迪的发布刀片电池时，展示了针刺实验。很多读者好奇，弹匣电池的针刺实验与刀片电池的针刺实验有何区别呢？

从公布的视频可以看到，这次弹夹电池针刺试验用的是整包，钢针以一定的速度从电池包外侧刺入。从实验结果看，被针刺之后，温度超过600℃，电池包外表皮的漆已经鼓起。我们都知道，电池包装在车上的，这个温度是否对损坏其他部件导致严重的事故，这点是存疑的。而在刀片电池的针刺实验中，刀片电池被刺后出现冒烟情况，但没有起火和爆炸。值得注意的是，比亚迪用的是单体电芯测试，采取的是更苛刻的老国标。简单来说，弹匣电池通过针刺实验，是基于电池包整个系统性的技术。它是把电芯放到“弹匣”内，结合先进的散热技术和电池管理系统防止单个的电芯热失控蔓延到其他电芯，而三元电芯并没有本质上的技术突破。弹匣电池的确在三元电池耐高温方面有了很大的进步，也是业内首次实现了三元锂电池整包针刺不起火，对动力电池发展而言是个突破性成果。这也印证了广汽“重新定义三元锂电池的安全标准”的说法。不过弹匣电池也并非完美，比如隔热仓和散热系统也会增加电池包的重量。为了安全背着大量的壳体，所以在电芯材料一样的前提下，采用弹匣电池这种结构后，整包的能量密度必然会低于普通三元锂电池包。此外电池包的成本也会明显提高。

号称永不起火的长城大禹电池技术

长城作为传统车企，在SUV汽车的销量上已经登顶数月。当然，在新能源大趋势的环境下，长城汽车也在电池技术上进行了投入了大量的精力进行研发。在今年的7月份长城的一场发布会上，长城汽车正式公布了其大禹电池技术。从这一技术名称来看，似乎是想借助“大禹治水”来解决新能源汽车电池“火”的问题。大禹电池技术是集热源隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、高温绝缘、自动灭火、正压阻氧、智能冷切等8个设计理念，在采用全新开发的双层复合材料的电芯以及采用高温绝热复合材料模组的双重防护下，大禹电池技术实现了对热源的高效隔断。此外，智能冷切的设计理念，可以使得在电池管理系统识别到电芯触发热失控的时候，通过BMS和云端双重监控，确保整台车能够及时开启冷切系统，并有效抑制热流的扩散。突破电池本征、PACK设计、BMS 3大维度39个热失控故障节点，全面保障电池安全，实现“控+导=通”热失控安全矩阵，保证在“大容量高镍电芯”“电池包任意位置”“加热两个电芯并连续触发热失控”的情况下都能实现不起火、不爆炸。其内部分为热源高效隔断、双向换流、热流分配、定向排爆、自动灭火、正压阻氧、高温绝缘、智能冷却等多项核心技术，接下来我们将分别进行解析。

写在最后

不论是刀片电池还是弹匣电池抑或者大禹电池和蜂窝电池技术，它们其实都代表着国内新能源车企和电池企业在电池技术领域的不断探索和创新所取得的成果。这些电池技术的面世，开启了以电池包层面的技术创新。在接下来的时间，我们也相信会有越来越多的企业加入电池技术的研发之中，这对于提升新能源汽车的产业发展提供巨大的动力支持。从电池技术的发展来看，我国在新能源汽车产业上已经实现了弯道超车，这对节省燃油、降低能耗和污染是一项重大举措，我们相信未来国内的新能源汽车会持续领跑全球。