動力電池技術(shù)發(fā)展瓶頸分析及建議

張微

（工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心）

發(fā)展新能源汽車，是我國由汽車大國邁向汽車強(qiáng)國的必由之路。自2012 年國務(wù)院發(fā)布實(shí)施《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020 年）》[1]以來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了舉世矚目的成就，成為引領(lǐng)世界汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要力量。

2020 年10 月27 日，由工業(yè)和信息化部指導(dǎo)、中國汽車工程學(xué)會組織全行業(yè)專家修訂編制的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》[2（]以下簡稱“技術(shù)路線圖2.0”）在上海正式對外發(fā)布，進(jìn)一步研究確認(rèn)全球汽車技術(shù)“低碳化、信息化、智能化”發(fā)展方向，“新能源汽車將逐漸成為主流產(chǎn)品，汽車產(chǎn)業(yè)基本實(shí)現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型”成為2035 年我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的六大目標(biāo)之一。為了更好地落實(shí)“技術(shù)路線圖2.0”規(guī)劃目標(biāo)，以下從3 個方面分析新能源汽車發(fā)展中動力電池的技術(shù)瓶頸，并提出對策建議供行業(yè)參考。

1 2019-2020 年中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)狀況

1.1 動力電池產(chǎn)業(yè)態(tài)勢

2019 年，我國新能源汽車及動力電池產(chǎn)業(yè)面臨“內(nèi)憂外患”的緊迫形勢。

在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面，國內(nèi)動力電池產(chǎn)能結(jié)構(gòu)性過剩問題仍然存在，2019 年度新能源汽車的市場表現(xiàn)差強(qiáng)人意，連續(xù)6 個月出現(xiàn)負(fù)增長，對動力電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了負(fù)面影響。

在產(chǎn)品成本方面，企業(yè)降本增效的壓力和挑戰(zhàn)還較大：一是上游原材料價格波動對電池成本影響較大，二是目前依靠技術(shù)迭代實(shí)現(xiàn)成本大幅縮減的路徑還在摸索。

在政策導(dǎo)向方面，2019 年度補(bǔ)貼大幅退坡后，整車企業(yè)將資金壓力傳導(dǎo)至電池企業(yè)，部分企業(yè)市場議價能力較弱，盈利水平大幅降低，營收方面過度依賴補(bǔ)貼回款，已經(jīng)出現(xiàn)經(jīng)營難以為繼的情況。

在技術(shù)發(fā)展方面，動力電池關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)仍需加強(qiáng)，關(guān)鍵材料和新型材料、固態(tài)電池等方面的研發(fā)投入仍然不足，核心技術(shù)專利較為缺乏，成套自動化裝備水平不高，動力電池產(chǎn)品一致性、可靠性還有待提升。

從國內(nèi)市場來看，隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國動力電池在生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品性能上均呈現(xiàn)較大幅度的提升，已涌現(xiàn)出一批具有國際競爭力的優(yōu)勢企業(yè)，但整體上面臨市場增長乏力、成本居高不下、產(chǎn)品安全和質(zhì)量一致性、技術(shù)亟待創(chuàng)新突破等問題。許多鋰電池相關(guān)事故的原因，都指向鋰電池的質(zhì)量缺陷問題，比如生產(chǎn)過程中引入毛刺，活性物質(zhì)涂覆不均，極耳焊接工藝缺陷等問題。

從實(shí)踐中看，在規(guī)范實(shí)施系統(tǒng)性質(zhì)量管控的基礎(chǔ)上，電池產(chǎn)品如果出現(xiàn)質(zhì)量問題,主要原因仍然與電池產(chǎn)品的設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)。例如，為了提升動力電池的能量密度而使用較薄的隔膜，但卻會造成產(chǎn)品的制造質(zhì)量管控難度提升，產(chǎn)品很容易產(chǎn)生瑕疵等質(zhì)量問題。

因此，電芯的設(shè)計(jì)仍然是提高電芯安全性的根本，而質(zhì)量瑕疵是次生原因所在。

1.2 新能源及動力電池產(chǎn)業(yè)2019 年度主要特點(diǎn)

1.2.1 新能源汽車產(chǎn)量出現(xiàn)首次下滑

據(jù)行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計(jì)，全年共計(jì)生產(chǎn)新能源汽車117.68 萬輛，同比下降3.56%；其中新能源乘用車100.73 萬輛、新能源客車9.91 萬輛、新能源專用車11.39 萬輛，以乘用車為市場主體。新能源乘用車中純電動、插電式混合動力車分別為75.18 萬輛、25.55 萬輛。全年總體出現(xiàn)新能源汽車產(chǎn)量下滑，主要受補(bǔ)貼退坡的影響。

1.2.2 動力電池裝車量持續(xù)呈現(xiàn)正增長

2019 年度盡管新能源汽車銷量出現(xiàn)首次下滑，但隨著單臺車平均帶電量的增加，全年動力電池裝車量仍呈現(xiàn)正增長[3]，共計(jì)裝車62.2 GWh，同比增長9.2%。其中，三元電池為40.5 GWh，磷酸鐵鋰電池為20.2 GWh，錳酸鋰電池為0.5 GWh，鈦酸鋰電池為0.4 GWh，三元電池裝車量仍占據(jù)市場主體地位。

從外形工藝看，2019 年方形電池占比進(jìn)一步提升，圓柱電池市場份額持續(xù)收窄。2019 年我國方形、軟包和圓柱動力電池裝車量分別為51.8GWh、6.3GWh 和4.1GWh,分別占動力電池總裝車量的83.2%、10.1%和6.7%。

包裝路線作為影響能量密度的重要因素，競爭格局隨能量密度趨勢發(fā)生變動。電池包裝路線分為方形、圓柱和軟包3 類，理論能量密度上限從高到低依次為軟包、方形和圓柱。2019 年乘用車中，方形電池裝機(jī)量為34.32 GWh（同比增長45.04%），軟包電池裝機(jī)量為5.86 GWh（同比增長16.55%），圓柱電池裝機(jī)量為2.06 GWh（同比下降53.03%），方形電池裝機(jī)量和增速超過軟包、圓柱形2 類電池，對圓柱形電池的替代趨勢明顯，如表1～表3 所示。

表1 2019 年方形電池裝車量前五名企業(yè)

表2 2019 年軟包電池裝車量前五名企業(yè)

表3 2019 年圓柱電池裝車量前五名企業(yè)

1.2.3 動力電池產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提高

2019 年，隨著補(bǔ)貼大幅度退坡和市場對電池產(chǎn)品質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，2019 年全年共計(jì)79 家動力電池企業(yè)為整車配套，相比2018 年減少14 家。

排名前3、前5、前10 的動力電池企業(yè)動力電池裝車量分別為 45.6 GWh、49.2 GWh 和 54.7 GWh，占總裝車量比分別為73.4%、79.1%和87.9%，行業(yè)集中度明顯上升。

1.2.4 動力電池技術(shù)水平進(jìn)一步提升（帶動成本下降）

根據(jù)2019 年6 月26 日開始執(zhí)行的新補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)，160 Wh/kg 以上車輛能夠獲得1 倍補(bǔ)貼，新能源汽車動力電池能量密度提升將是行業(yè)發(fā)展的重要方向，補(bǔ)貼政策或許能夠幫助推動高能量密度電池占比。2019 年動力電池系統(tǒng)能量密度的分布，進(jìn)一步證明電池產(chǎn)品的優(yōu)勝劣汰。預(yù)計(jì)2020 年160 Wh/kg 的電池占比將會顯著提升。

2019 年動力電池裝機(jī)主要集中在140 Wh/kg 以上區(qū)間，其中又以按2018 年標(biāo)準(zhǔn)可獲得1.1 倍補(bǔ)貼系數(shù)的140～150 Wh/kg 的產(chǎn)品裝機(jī)最多。

2019 年160 Wh/kg 以上電池裝機(jī)量為9.86 GWh，主要供應(yīng)商為寧德時代（6.26 GWh）、比亞迪（1.51 GWh）、孚能科技（0.37 GWh）。

2019 年度，三元電池和磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度分別達(dá)到182 Wh/kg、145 Wh/kg，帶動電池成本進(jìn)一步下降。以寧德時代、天津力神為代表，300 Wh/kg 的單體電池產(chǎn)品技術(shù)開發(fā)已取得顯著進(jìn)展；以中科院物理所、衛(wèi)藍(lán)等為代表，固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)也取得一定程度的進(jìn)展。

1.2.5 動力電池安全成為全產(chǎn)業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2019 年全年起火事故車輛高達(dá)70余輛，事故比例較高。

盡管整車安全涉及到多個方面，不能單單歸咎于某單個技術(shù)環(huán)節(jié)，但整車安全控制技術(shù)、電池安全技術(shù)及熱擴(kuò)散控制技術(shù)，以及充電安全預(yù)警技術(shù)等，是產(chǎn)業(yè)能否高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵所在。

2 新能源汽車動力電池技術(shù)問題瓶頸

2.1 鋰電芯的安全問題是技術(shù)瓶頸的根本

從技術(shù)路線圖1.0 發(fā)布以來的技術(shù)實(shí)踐可以看到，鋰電芯的安全問題是技術(shù)瓶頸的根本。在近十多年的電池行業(yè)研究中，已確定鋰電芯的安全問題跟材料有很大的關(guān)聯(lián)性。比如隔膜材料，目前PE/PP/PE 塑料復(fù)合隔膜的融解溫度基本在150℃左右，但雙面陶瓷涂覆的PE 隔膜融解溫度則可以達(dá)到180℃以上，選擇后者可以有效地提高電芯耐高溫能力，并降低熱失控的機(jī)率。

不同正負(fù)極材料的鋰電池，安全性差異也較大。LiFePO4 電芯的能量密度較低，但其熱穩(wěn)定性更好，三元電芯的能量密度較高，但其安全性較差，選擇前者無疑有利于電池安全性的提高。

最關(guān)鍵的是鋰電池電解液本身便是可燃性材料。全球許多鋰電池研究機(jī)構(gòu)都在研究利用難燃性的電解液，或者阻燃性的添加劑，來改善鋰電池的安全性。然而，這些開發(fā)技術(shù)多數(shù)仍然不夠成熟，通常會影響電池效能或者壽命，因此仍然無法被市場所接受。以現(xiàn)階段新能源汽車推廣應(yīng)用的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)而言，鋰電池起火風(fēng)險始終是無法避免的安全議題。

2.2 電池系統(tǒng)輕量化技術(shù)是技術(shù)瓶頸的工程難題

行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，圓柱電芯模組的成組效率約為90%，系統(tǒng)成組效率約為70%；軟包電池模組的成組效率約為89%，系統(tǒng)成組效率約為65%；方殼電池模組的成組效率約為92%，系統(tǒng)成組效率約為75%。

按照目前的成組效率計(jì)算，要達(dá)到《促進(jìn)汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動》中提出的2020 年新型鋰離子電池系統(tǒng)能量密度達(dá)到260 Wh/kg 的要求，圓柱單體電芯需達(dá)到370 Wh/kg，軟包單體電芯需要達(dá)到400 Wh/kg，方殼單體電芯需要達(dá)到347 Wh/kg，難度較大。

基于行業(yè)組分材料分析，提高成組效率成為提高動力電池系統(tǒng)能量密度的另一條出路。動力電池系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)，是提高系統(tǒng)成組效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，對提高動力電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度起到非常重要的作用。

動力電池模塊和箱體結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是在保證電池包結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，減少非儲能物質(zhì)的運(yùn)用。通過CAD/CAE/CAM 一體化技術(shù)對電池箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和分析，實(shí)現(xiàn)箱體內(nèi)部零部件的精簡、整體化和輕量化，是電池箱體設(shè)計(jì)過程中的主要方法。

輕質(zhì)新材料的使用，比如已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)運(yùn)用鋁合金材料；同時，高強(qiáng)鋼強(qiáng)度的大幅提升，可以幫助實(shí)現(xiàn)箱體的薄壁化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)動力電池包的輕量化設(shè)計(jì)。復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)度等優(yōu)良性能，如SMC、BMC 等熱固性復(fù)合材料在動力電池箱體輕量化發(fā)展方向上能夠發(fā)揮重要作用。碳纖維復(fù)合材料由于高成本的限制，應(yīng)用較少，但隨著復(fù)合材料的成本降低，未來復(fù)合材料有望在電池包箱體上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。

3 動力電池系統(tǒng)的安全防護(hù)作為解決方案突破點(diǎn)

動力電池系統(tǒng)是由電芯、模組、控制系統(tǒng)、輔助功能模塊、外殼等組成的一個完整系統(tǒng)。在整車行駛過程中，電池系統(tǒng)不斷受到各種嚴(yán)苛的機(jī)械環(huán)境條件，比如高低溫沖擊、振動和機(jī)械沖擊，道路石子撞擊、交通車輛碰撞等異常情況，電氣連接部分逐漸或突然松脫，造成連接處阻抗明顯增大，產(chǎn)生大量熱量，熱量傳導(dǎo)給電池，最終導(dǎo)致局部電池?zé)崾Э夭⒀杆贁U(kuò)散到整個電池造成整個車輛的起火。

市場上多起整車起火案例或電池產(chǎn)品的起火案例，都與電氣連接松脫有關(guān)。比如2008 年2 月豐田普銳斯插電式混合汽車的起火事件，由于電池模組輸出端的連接點(diǎn)組裝工藝出錯，造成連接處無法有效鎖緊，并且無緊固裝置。

為此，應(yīng)從設(shè)計(jì)、質(zhì)量管控和濫用防護(hù)等3 方面協(xié)同考慮動力電池系統(tǒng)安全防護(hù)措施。尤其是設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)動力電池系統(tǒng)安全的首要條件。建議在電池系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)方面，關(guān)注電池包外殼機(jī)械強(qiáng)度、內(nèi)部塑料絕緣件絕緣衰減、電池包內(nèi)部的線纜固定、電氣連接鎖緊裝置、高壓電路防護(hù)、動力電池高壓互鎖、電池系統(tǒng)熱管理等關(guān)鍵相關(guān)因素，對動力電池系統(tǒng)開展正向設(shè)計(jì)。

此外，多材料、輕量化的動力電池包箱體設(shè)計(jì)開發(fā)，是未來發(fā)展趨勢之一，在箱體不同部位應(yīng)用不同材料、實(shí)現(xiàn)最優(yōu)箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時，開展高強(qiáng)鋼、高性能鋁合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、工程塑料和合成橡膠及制品等車輛輕量化關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

還應(yīng)強(qiáng)調(diào)，動力電池的安全標(biāo)準(zhǔn)無法涵蓋所有的濫用情況,尤其是極端濫用條件，比如說高速碰撞、碰撞后落水、異物刺穿等情況，動力電池廠家應(yīng)根據(jù)整車的性能和安全要求以及失效風(fēng)險分析制定電池的安全方案和測試驗(yàn)證規(guī)范，將相關(guān)風(fēng)險控制在整車行業(yè)可接受的水平。

4 結(jié)論

新能源汽車未來十五年的發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步仍然日新月異，企業(yè)將繼續(xù)面臨汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)外部環(huán)境不斷發(fā)生變化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。文章所介紹的新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、特點(diǎn)、發(fā)展趨勢、存在問題、建議及解決方案，因調(diào)研收集材料局限，分析僅為一己之言，還望企業(yè)實(shí)體參考使用。為了保障新能源汽車技術(shù)發(fā)展的科學(xué)性、時效性和引領(lǐng)性，希望行業(yè)同仁在工業(yè)和信息化部的指導(dǎo)下，按照新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃（2021～2035 年）及新能源汽車技術(shù)路線圖2.0 的指引，持續(xù)開展動力電池技術(shù)攻關(guān)工程，為行業(yè)總體發(fā)展提供有效解決方案。