動力電池的技術現狀及發展趨勢

邢 妍，戴日輝

（1.中國電子系統工程第二建設有限公司設計總院，江蘇 無錫 214115；2.海裝沈陽局，黑龍江 哈爾濱 150078）

0 引 言

近期“碳達峰”“碳中和”等有關減少碳排放的熱點詞成為了國內外各行業討論的焦點，汽車行業內的新能源汽車與減少碳排放相關，從全球范圍來看，目前絕大部分汽車使用燃油作為動力，行駛過程排放大量CO2，顯然在一定程度上阻礙了碳達峰目標的完成。為積極響應這一目標，部分歐美國家已經發布未來禁售燃油車的規定，我國也一直在積極推廣新能源汽車，設置購買補貼，延長補貼期限，極大地促進了國內新能源汽車產業的健康有序發展。

據商務部數據統計，2020年我國新能源汽車銷量約占汽車總銷量的5.4%，而根據國務院通過的新能源汽車產業最新規劃，2025年新能源汽車銷量需占到25%左右，可見新能源汽車產業仍然具有很大的發展空間。動力電池作為新能源汽車的核心部件，占到整車成本的30%～40%。近年來，市場推動下動力電池在成本控制和能量密度提高等方面得到快速發展，這離不開動力電池技術的創新驅動[1]。動力電池在技術研發上的突破發展直接影響到新能源汽車在整個汽車市場的地位，有必要總結動力電池發展現狀及未來發展方向，為動力電池技術研究提供可靠參考。本文整理與分析目前動力電池的主流技術，探討未來動力電池發展方向以及技術創新路線。

1 動力電池的技術現狀

1.1 動力電池分類

目前，市場上的新能源汽車中使用最多的動力電池有鉛酸蓄電池、鎳氫電池以及鋰離子電池。其中，鉛酸蓄電池目前主要應用于低速車和電動自行車等領域，在低端領域仍然占有較大市場份額，但是存在污染大和能量密度低等問題，不再是汽車動力電池的研究方向[2]。鎳氫電池在鋰離子電池技術不成熟時期一度成為新能源汽車電池的主選方案，但是隨著鋰離子電池技術的發展，其各方面性能相比均存在不小劣勢，目前主要運用于電動工具領域，在新能源汽車市場領域也已逐步淘汰[3]。

鋰離子電池是新能源汽車動力電池中應用最廣泛的一種，其相比前述兩種電池存在巨大優勢。表1為3類電池技術特點對比情況，由表1可知鋰離子電池在能量密度、壽命以及記憶效應等方面具有明顯優勢，已經成為汽車動力電池的主流選擇，因此本文以下分析總結內容將主要針對鋰離子電池[4]。

表1 3類電池性能及用途對比情況

1.2 鋰離子電池分類

根據電極材料的選擇，鋰離子電池可分為三元鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰以及鈦酸鋰等4類。表2簡要概括了當前主流鋰離子電池的技術特點及應用領域，由表2可知，磷酸鐵鋰電池因其成本低和穩定性高等優點，在客車裝機量上具有明顯優勢，三元鋰電池則在乘用車領域占據主導地位[5]。

表2 4類鋰離子動力電池技術現狀總結

據中國汽車動力電池產業創新聯盟數據統計，2021年1月—2021年3月國內三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池銷量分別占動力電池總銷量的46.67%和53.25%，合計占總產量的99.9%以上，而錳酸鋰和鈦酸鋰電池銷量僅占比0.06%和0.03%，如圖1所示。因此可以說動力電池的發展與技術創新基本集中在三元鋰和磷酸鐵鋰兩類技術路線電池上。

圖1 不同正極材料動力電池的銷量占比

1.3 鋰離子電池技術發展

下面介紹兩種主流路線電池技術發展狀況，首先磷酸鐵鋰電池在成本控制、安全性以及循環壽命等方面具有明顯優勢，大范圍運用于客車和公交車等新能源汽車上。目前，市場上常見的電池能量密度約為130 W·h/kg，相比三元鋰電池，其能量密度略顯不足。

2020年之前，國內一致不看好磷酸鐵鋰電池在乘用車領域的運用，認為其由于能量密度限制原因將逐漸退出乘用車市場，磷酸鐵鋰電池廠商代表比亞迪也逐步在其量產新車上配備三元鋰電池，但進入2020年以后，整機商綜合考慮汽車成本和安全性等多重因素后，開始面向市場發布配備磷酸鐵鋰電池的新車。因此，磷酸鐵鋰電池裝機量在2020全年和2021年統計中均有明顯進步。

磷酸鐵鋰電池的技術進步與市場回暖離不開一直致力于研發的代表廠商比亞迪。2020年，比亞迪重磅發布刀片電池（圖2），新型電池包減少了冗余模組，將比質量能量密度提升至140 W·h/kg，大幅提升體積利用率，并且相比傳統技術減少20%～30%的成本。刀片電池首發搭載至比亞迪旗艦漢EV車型，續航里程達600 km，此外電池包還可順利通過針刺試驗，相比三元鋰電池包安全性更高[6]。

圖2 比亞迪刀片電池

三元鋰電池具有能量密度高和體積小等獨特優勢，在電動乘用車領域一直屬于霸主地位。其主要分為兩種技術路線，一種是國內廠商寧德時代主導開發的NCM（鎳鈷錳）技術路線，另一種是特斯拉提供的NCA（鎳鈷鋁）技術路線，由日本松下負責研發。

NCM電池根據各組分相對含量已發展至最新的NCM811，即大幅提高鎳含量，增加比能量密度。寧德時代最新的NCM811電池產品能量密度已經突破300 W·h/kg。NCA電池由特斯拉和松下聯合開發，采用圓柱封裝電池，其生產效率高，成本低，電池最新型號為21700型，能量密度達300 W·h/kg。

雖然三元鋰電池在乘用車領域占據主流市場，但仍然存在亟需解決的幾大問題，具體概括如下。一是熱穩定性能差，當汽車遭遇如熱失控、碰撞擠壓以及充放電等特殊狀況時，電池包內部出現短路，瞬時積累大量熱量，引發電池包起火[7]。由于三元鋰電池熱穩定性差，因此電池包起火事故偶見報道，如今消費者對電池使用安全性愈發重視，動力電池廠商需引起足夠重視。二是成本高，上文提及三元鋰電池的高成本一定程度上影響了其在乘用車領域的裝機量，為此電池廠商也在做技術創新，如寧德時代和蜂巢能源等采用CTP技術，直接將電芯集成至電池包，減少零部件數量，增加體積利用率，大幅降低電池制造成本。三是循環壽命短，三元鋰電池循環壽命相比磷酸鐵鋰和鈦酸鋰電池偏短，不少廠商采用軟包疊片式電池封裝路線，有利于改善電池包安全性和循環壽命[5]。

2 動力電池的發展趨勢

2.1 新型動力電池發展方向

2.1.1 固態鋰電池

相比于傳統液態鋰離子電池，固態鋰電池是用固態電解質代替有機電解質，在大幅度提升其安全性和能量密度的同時，還可以有效降低新能源汽車的安全隱患和續航里程的問題[8-9]。推出首款容量為150 kW·h的固態電池包，能量密度達360 W·h/kg，續航里程達1000 km，預計于2022年底上市。據悉此電池采用混合固液電解質，非真正意義上的全固態電池，如研發成功也是固態鋰電池技術上的一次飛躍。

2.1.2 燃料電池

燃料電池通過電化學反應將燃料化學能直接轉換成電能，為一種高效發電裝置，其能量轉換率高，可基本實現零排放，非常適用于當前社會對于低碳和綠色等發展的要求，具有較大發展前景。目前，氫燃料電池在國內有一定的發展基礎，但是供應鏈還不完整，基礎材料和關鍵部件上嚴重依賴進口，另外氫氣的制備、存儲以及運輸等技術還不成熟，其高成本使得自身還不完全具備商業價值[10]。

2.2 電池技術發展趨勢

動力電池技術相比10年前發展迅速，在提高能量密度、延長循環壽命以及成本控制等方面取得了重大成果。本文通過調研文獻資料并結合自身理解，提出以下3點動力電池技術發展趨勢。

一是動力電池技術發展及更新迭代速度加快，競爭越來越激烈，有望形成技術壁壘，加速淘汰落后產能，行業集中度愈發明顯。據中國汽車動力電池產業創新聯盟數據統計，動力電池裝機量前10名廠商如圖3所示，這些電池企業占據總裝機量的91.8%，其中寧德時代的裝機量遙遙領先第二名，霸主地位仍難撼動。

圖3 中國動力電池企業裝車輛量分布情況

二是大力推進電池成本降低，促進新能源汽車產業健康快速發展。目前，國內已形成一套較為完整的新能源汽車產業鏈，但電池包成本仍處于較高水平，相比同等級燃油車，電動車成本明顯高出不少?，F階段電池企業提出的無鈷鋰電池方案和CTP封裝路線均有利于降低電池成本，未來有望在原材料和模塊化封裝路線上取得重大突破，再次大幅降低成本，使得電動汽車真正實現市場化發展，贏得消費者信賴[11]。

三是電池高安全性和高能量密度同步并進。當前NCM811三元鋰電池包采用高鎳方案，這在一定程度上提高了電池包能量密度，但是在安全性方面卻大打折扣，鎳含量的提高降低了電池循環性能和穩定性，高鎳電池在極端情況下容易出現熱失控，從而影響電池及整車安全性。據悉后續鎳含量達90%的電池將實現量產，在增加能量密度同時也需著重考慮使用穩定性。

3 結 論

本文從技術層面以及市場需求等方面對新能源汽車動力電池進行了分析，比對不同類型動力電池的優缺點，并對動力電池技術產業的未來發展趨勢進行展望。目前新能源動力電池仍處于上升階段，技術尚未完善，需要更多的優化創新，同時也需要兼顧電池包的綜合性能，如高能量密度和電池穩定性。

隨著國內新能源政策的進一步推動，有理由相信動力電池技術將在未來實現進一步的突破和創新發展。創新驅動發展，各大電池企業也應適應時代潮流，增加研發投入，吸引更多人才投入電池技術研究，多維度攻關電池技術，實現動力電池技術的快速發展。動力電池的低成本化、高能量密度、高安全性以及長循環壽命等發展趨勢將逐步實現，相信更加理想化的動力電池前景可待，未來可期。