動(dòng)力電池“黑科技”技術(shù)盤點(diǎn)！

近年來(lái)，隨著新能源汽車的快速蓬勃發(fā)展，動(dòng)力電池技術(shù)和相關(guān)集成管理技術(shù)層出不窮、節(jié)節(jié)開(kāi)花，如新材料技術(shù)（無(wú)鈷材料等）、新工藝技術(shù)（刀片電池等）、新集成技術(shù)（CTP等）、新管理技術(shù)（彈匣電池等）匯聚了材料廠、電池廠和整車廠的最新研發(fā)應(yīng)用成果。

壹

新材料、新工藝技術(shù)

目前新能源汽車動(dòng)力電池主要采用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，根據(jù)中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的公開(kāi)資料，2021年，我國(guó)三元鋰電池裝機(jī)量74.3GWh，占比48.1%，磷酸鐵鋰裝機(jī)量79.8GWh，占比51.7%，二者占據(jù)了近100%的動(dòng)力電池市場(chǎng)并且彼此難分伯仲，各有千秋。

三元電池的核心優(yōu)勢(shì)是能量密度，劣勢(shì)是成本和安全性能，而磷酸鐵鋰的核心優(yōu)勢(shì)是成本和安全性能，劣勢(shì)是能量密度。在此基礎(chǔ)上，材料廠、電池廠、整車廠不斷推出了新材料、新工藝技術(shù)，以期望達(dá)到電池能量密度、成本和安全的相對(duì)平衡。

01

無(wú)鈷電池

2019年7月9日，蜂巢能源（原長(zhǎng)城汽車動(dòng)力電池事業(yè)部）舉行品牌戰(zhàn)略規(guī)劃及產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，面向全球首發(fā)無(wú)鈷電池產(chǎn)品。

無(wú)鈷電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

本次發(fā)布的無(wú)鈷電池產(chǎn)品尺寸為44.3*220*100mm，容量156Ah，能量密度達(dá)到265Wh/kg，循環(huán)壽命可以滿足2000次。據(jù)蜂巢能源介紹，其無(wú)鈷材料性能可以達(dá)到NCM811的水平，但材料成本可以降低5~15%，電芯BOM成本降低約5%。

無(wú)鈷電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

目前，動(dòng)力電池正極材料主要包括NCM和LFP兩種材料，NCM材料由于含有Ni、Co、Mn三種元素而得名“三元材料”，所謂的無(wú)鈷電池就是在NCM材料基礎(chǔ)上取消了Co元素，即可以理解為NMx二元電池。

由于Co儲(chǔ)量較少，地殼豐度僅為0.0025%，且大部分Co資源都產(chǎn)自政局不穩(wěn)定的剛果（金），無(wú)法穩(wěn)定支撐汽車未來(lái)的全面電動(dòng)化過(guò)程，且價(jià)格昂貴，因此，取消Co元素后可以降低材料成本，規(guī)避對(duì)Co元素的依賴，但Co元素可以穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)，降低Li+/Ni2+混排，從而提升循環(huán)和倍率性能，取消Co元素后必然對(duì)材料性能產(chǎn)生不利效果，為了解決這一問(wèn)題，蜂巢能源對(duì)無(wú)鈷材料進(jìn)行以下改性：

1）陽(yáng)離子摻雜

摻雜無(wú)未成對(duì)的電子自旋元素，降低Li+/Ni2+混排，提升倍率性能；

摻雜M-O鍵能大的元素，穩(wěn)定O的八面體結(jié)構(gòu)，減緩Li+嵌入/脫出過(guò)程的晶胞體積變化，提升循環(huán)性能。

2）單晶化

區(qū)別于多晶材料（一次顆粒團(tuán)聚為二次球），單晶材料是單個(gè)分散的顆粒，具有更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，可以大幅提升電池高電壓下的循環(huán)性能和安全性能。

3)納米網(wǎng)絡(luò)包覆

在單晶顆粒表面包覆一層納米氧化物，減少正極材料與電解液的副反應(yīng)，從而有效改善高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。 2021年8月29日，蜂巢能源在第二十四屆成都國(guó)際車展上正式宣布，其開(kāi)發(fā)的全球首款無(wú)鈷電池包正式搭載長(zhǎng)城歐拉首款SUV車型櫻桃貓，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車。本次量產(chǎn)裝車的無(wú)鈷電池包的總電量82.5KWh，系統(tǒng)能量密度170Wh/kg，支持工況續(xù)航里程超600公里。

02

四元電池

2019年7月9日，蜂巢能源舉行品牌戰(zhàn)略規(guī)劃及產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，面向全球同時(shí)首發(fā)了NCMA四元電池產(chǎn)品。

四元電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

本次發(fā)布的四元電池產(chǎn)品尺寸為44.3*220*100mm，容量157Ah，能量密度達(dá)到265Wh/kg，循環(huán)壽命可以滿足2500次。

四元電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

NCMA四元電池指材料中含有Ni、Co、Mn、Al四種元素，即在NCM三元材料中摻雜第四元素，同時(shí)將Ni含量降低，制備單晶材料，可以達(dá)到NCM811相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，并且改善了高鎳材料產(chǎn)氣、循環(huán)和安全問(wèn)題。

第四元素（Al）的加入可以增強(qiáng)材料晶粒之間的邊界強(qiáng)度，減少有害相變轉(zhuǎn)變過(guò)程的微隙，從而提高循環(huán)性能和安全性能。但元素?fù)诫s種類過(guò)多，制備工藝更復(fù)雜，材料合成的一致性難以保證。

03

刀片電池

2020年3月29日，比亞迪在深圳衛(wèi)視舉行“刀片電池”超級(jí)發(fā)布會(huì)，刀片電池首次進(jìn)入大眾視野。據(jù)悉，刀片電池在重慶璧山基地量產(chǎn)，采用磷酸鐵鋰材料體系，將首次搭載于“比亞迪-漢”車型。

刀片電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

刀片電池是指電池外形像刀片一樣細(xì)長(zhǎng)扁平（如典型尺寸13.5mm*90mm*960mm）的鋰電池，內(nèi)部采用疊片工藝，單張極片長(zhǎng)度可達(dá)900mm以上，電池PACK時(shí)直接集成到電池包底部，取消了模組結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)電池包，刀片電池集成的空間利用率提高約50%，也就是說(shuō)，相同的體積下可裝配更多的刀片電池，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。

刀片電池外觀圖

刀片電池的核心優(yōu)勢(shì)：

1）超級(jí)利用率

傳統(tǒng)電池包采用電芯-模組-電池包的組裝方案，空間利用率約40%，刀片電池采用電芯-電池包的組裝方案，空間利用率約60%，由于取消了模組和梁結(jié)構(gòu)，刀片電池既作為能量體提供電能，又充當(dāng)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和支撐。

2）超級(jí)強(qiáng)度

刀片電池采用側(cè)立插入式排布，形成電芯陣列，電池堆強(qiáng)度極高，并且在電池堆上下兩面還粘貼了兩塊高強(qiáng)度板，對(duì)電池包強(qiáng)度進(jìn)行升級(jí)。

刀片電池的電芯陣列

3）超級(jí)安全

采用熱穩(wěn)定性良好的磷酸鐵鋰材料，可通過(guò)最嚴(yán)苛的針刺安全測(cè)試，且電池表面溫度不超過(guò)60℃。 刀片電池的隱憂：

1）低溫性能

磷酸鐵鋰材料本身低溫性能差，搭載磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車在低溫天氣下可能導(dǎo)致續(xù)駛里程急速降低。

2）可維修性

由于刀片電池直接集成到電池包底部，當(dāng)電池受損需要更換時(shí)，需要拆掉整個(gè)電池包，維修成本較高。

04

4680無(wú)極耳電池

2020年9月23日，特斯拉舉辦2020年度股東大會(huì)暨“電池日”活動(dòng)，特斯拉掌門人Elon Musk向全球展示了一款全新電池—4680無(wú)極耳電池。據(jù)悉，相比于此前的2170電池，這款新型電池可以提升5倍的能量，6倍的充電功率，16%的續(xù)駛里程，降低每度電成本約14%。

特斯拉“三代”圓柱電池

4680無(wú)極耳電池主要包括“4680”和“無(wú)極耳”兩大技術(shù)，4680代表直徑46mm，高度80mm的圓柱電池，通過(guò)增加單體電芯的尺寸可攤薄非活性物質(zhì)占比，降低固定成本和BMS難度。無(wú)極耳指的并不是沒(méi)有極耳，而是沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的焊接在集流體上的極耳，通過(guò)激光直接在集流體上切割出極耳形狀，然后與集流盤焊接，通過(guò)集流盤將電流引出到殼體，實(shí)現(xiàn)外電路的連接。

4680電池拆解內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

4680電池生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖

在4680電池應(yīng)用上，特斯拉采用CTC技術(shù)方案，即直接將電芯集成到汽車底盤上，從而可以大幅減少零部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)車身減重，續(xù)航提升，單位成本降低。

特斯拉 Model Y 底盤設(shè)計(jì)

搭載4680無(wú)極耳電池的Model Y 實(shí)物拆解圖

從實(shí)物圖中可以看到，組成Model Y的950顆4680電池縫隙間填充了大量粉色泡沫材料（聚氨酯），利用聚氨酯將單個(gè)電池之間牢牢粘結(jié)在一起，在沒(méi)有模組和電池包的情況下，也能實(shí)現(xiàn)與汽車底盤的可靠固定，并且泡沫材料具有一定的彈性，當(dāng)電動(dòng)汽車受到碰撞時(shí)，可以吸收電池受力的能量，具有較好的耐沖擊和耐振動(dòng)性能。

4680無(wú)極耳電池通過(guò)大圓柱方案實(shí)現(xiàn)了單體能量的大幅提升，極大簡(jiǎn)化了PACK的零部件，降低了成本，提升了續(xù)航，采用無(wú)極耳技術(shù)還大幅降低了電池內(nèi)阻（集流體內(nèi)阻可降低99%以上），減少了電池產(chǎn)熱，提高了安全性能。但4680電池工藝極其復(fù)雜（參考4680生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖，如極耳揉平和與集流盤的焊接等工藝難點(diǎn)），且對(duì)設(shè)備要求極高，除外，4680電池采用CTC車身一體化集成方案，同樣會(huì)面臨同刀片電池一樣的問(wèn)題，那就是可維修性很差，甚至有過(guò)之而無(wú)不及，業(yè)內(nèi)給出的評(píng)價(jià)是：特斯拉這種CTC電池包維修的可能性幾乎為零！

05

干法電池

特斯拉掌門人Elon Musk在2020年度股東大會(huì)暨“電池日”活動(dòng)上，向全球展示了一款全新電池—4680無(wú)極耳電池，據(jù)悉，該款電池采用了干法電極技術(shù)，亦可稱為“干法電池”。

特斯拉2020年“電池日”活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)圖

早在2019年5月，特斯拉以溢價(jià)55%的價(jià)格（2.18億美元）收購(gòu)了Maxwell公司，根據(jù)資料顯示，Maxwell成立于1965年，是一家生產(chǎn)超級(jí)電容器的公司，產(chǎn)品主要用于能源、工業(yè)和汽車領(lǐng)域，公司核心技術(shù)是超級(jí)電容技術(shù)和突破性的干法電極技術(shù)。 在鋰電池制造過(guò)程中，電極制備通常是采用濕法工藝，即將組成電極配方的干粉顆粒與溶劑混合分散形成漿料，然后涂覆在集流體上烘烤后形成電極。干法電極不使用任何溶劑，而是直接將組成電極配方的干粉顆粒高速混合，通過(guò)高速剪切使粘結(jié)劑PTFE纖維化，然后對(duì)混合后的粉末進(jìn)行熱輥壓形成自支撐膜，最后將自支撐膜在熱量作用下壓合粘接在集流體上形成電極。

干法電極制備過(guò)程實(shí)物圖

Maxwell 干法電極制備工藝示意圖

由于干法電極制備過(guò)程不使用任何溶劑，因此是一種綠色工藝，既節(jié)能環(huán)保，又可以降低材料成本，還有利于制備能量型電池的厚電極，并且其制造工藝特別適用于下一代摻硅補(bǔ)鋰和固態(tài)電池體系，可以說(shuō)是一種非常具有前景的極片制備工藝，但自支撐膜和集流體的接觸問(wèn)題以及干粉顆粒之間的接觸問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致電極的阻抗增加，其倍率相對(duì)更差，并且干法電極工藝難度較大，需要開(kāi)發(fā)專用設(shè)備，目前很難大規(guī)模應(yīng)用。

06

(半)固態(tài)電池

2021年1月9日，蔚來(lái)汽車“NIO Day”在成都舉辦，并發(fā)布了首款旗艦轎車ET7，宣稱搭載了150kWh固態(tài)電池，能量密度高達(dá)360Wh/kg，續(xù)駛里程突破1000km，隨后，創(chuàng)始人李斌一句“量產(chǎn)固態(tài)電池”更是震驚業(yè)界。

蔚來(lái)汽車發(fā)布150kWh固態(tài)電池現(xiàn)場(chǎng)圖

實(shí)際上，固態(tài)電池是一個(gè)較為寬泛的概念，傳統(tǒng)的鋰電池采用液態(tài)電解質(zhì)作為L(zhǎng)i+傳輸?shù)妮d體，而固態(tài)電池技術(shù)的核心就是針對(duì)電解質(zhì)的革新。根據(jù)電解質(zhì)中液態(tài)成分含量劃分為半固態(tài)電池（液體含量≤10%）、準(zhǔn)固態(tài)電池（液體含量≤5%）、全固態(tài)電池（液體含量0%），固態(tài)電池的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)將是一個(gè)“梯次滲透”的過(guò)程，最終的固態(tài)電池將完全采用固態(tài)電解質(zhì)，并且負(fù)極需要采用鋰金屬材料，才能充分發(fā)揮固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)，理論能量密度可達(dá)400~500Wh/kg甚至更高。

固態(tài)電解質(zhì)的研究主要包括三大類：聚合物、氧化物、硫化物。

1）聚合物固態(tài)電解質(zhì)由聚合物基體（如聚酯、聚酶、聚胺等）和鋰鹽（LiClO4、LiFP6等）組成，Li+以鋰鹽形式“溶于”聚合物基體，傳輸速率受到基體相互作用及鏈段活動(dòng)能力的影響，溫度越高，聚合物的離子電導(dǎo)率越高。目前主要研究的聚合物電解質(zhì)體系是PEO，其可與多種鋰鹽發(fā)生絡(luò)合，對(duì)鋰鹽溶解性好，但室溫電導(dǎo)率僅10-5S/cm，氧化電位也較低（3.8V），需要進(jìn)行改性來(lái)滿足高電壓體系，

2）氧化物固體電解質(zhì)包括晶態(tài)（鈣鈦礦型LLTO、NASICON型、石榴石型LLZO、LISICON型）和非晶態(tài)（LiPON型等）兩種物質(zhì)結(jié)構(gòu)。氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好，但其室溫電導(dǎo)率也較低，電解質(zhì)與電極顆粒接觸差。LiPON型電解質(zhì)制備工藝復(fù)雜、成本較高。

3）硫化物固體電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率較高，接近甚至超過(guò)有機(jī)電解液，并且熱穩(wěn)定性好、安全性能好，但硫化物對(duì)空氣較敏感，容易氧化，遇水容易產(chǎn)生硫化氫等有害氣體，且電化學(xué)穩(wěn)定性差，搭配高電壓正極時(shí)電解質(zhì)層部分貧鋰，增大了界面阻抗，搭配金屬鋰負(fù)極時(shí)生成的SEI膜阻抗也較大。

綜上所述，固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)非常鮮明。其可以大幅提升電池能量密度，較好的解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]問(wèn)題，由于固態(tài)電解質(zhì)不可燃，其安全性極好，并且可以在更高溫度下運(yùn)行。但是固態(tài)電解質(zhì)與電極之間是固-固接觸，接觸面積小，Li+傳輸效率低，功率性能較差，此外，固態(tài)電池的制造成本也較高。

根據(jù)蔚來(lái)汽車公開(kāi)信息判斷，本次蔚來(lái)發(fā)布的單體360Wh/kg的固態(tài)電池并非全固態(tài)電池，而是采用了部分液態(tài)電解質(zhì)，并搭配高鎳正極和硅碳負(fù)極，嚴(yán)格意義上是，只能算一款半固態(tài)電池。但根據(jù)其披露的電芯相關(guān)性能參數(shù)，相比現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池已有較大提升。

07

石墨烯電池

2021年1月15日，廣汽集團(tuán)全資子公司埃安新能源發(fā)布“廣汽埃安全新動(dòng)力電池科技”宣傳海報(bào)，預(yù)告顯示其石墨烯超級(jí)快充電池8分鐘可充滿80%電量。

廣汽埃安宣傳海報(bào)

石墨烯是一種從石墨中剝落的、以SP2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，是目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)，在鋰電池中使用可以大大降低電池內(nèi)阻，提升倍率性能，并且能夠提高電極材料的熱傳遞，提高電池的穩(wěn)定性和安全性能。

石墨烯分子結(jié)構(gòu)片段

但由于石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生“位阻效應(yīng)”，從而大大阻礙Li+的遷移，導(dǎo)致電池功率性能惡化，通常認(rèn)為當(dāng)石墨烯片徑小于活性物質(zhì)或與活性物質(zhì)相當(dāng)時(shí)，其對(duì)Li+的位阻效應(yīng)才可以忽略不計(jì)，然而當(dāng)石墨烯片徑減小時(shí)，其優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能將無(wú)法充分發(fā)揮，也就大大弱化了石墨烯的優(yōu)勢(shì)。 目前將石墨烯融入電池產(chǎn)業(yè)，主要有兩個(gè)方向，一是作為導(dǎo)電添加劑，二是作為負(fù)極主材料。假如動(dòng)力電池將石墨烯作為導(dǎo)電添加劑，雖能勉為其難接受其成本，但對(duì)電池的性能提高其實(shí)并不大，而如果作為負(fù)極主材料，電池造價(jià)將非常高，恐怕沒(méi)人愿意買單。 根據(jù)廣汽埃安披露的8分鐘充電80％的性能數(shù)據(jù)，初步判斷電池滿足5C～6C持續(xù)充電，這對(duì)于不采用石墨烯的鋰電池而言亦不是難事。綜上，廣汽埃安宣稱的石墨烯電池似乎并非直接以石墨烯作為負(fù)極主材料的技術(shù)革命，而更像是以石墨烯作為導(dǎo)電添加劑加入負(fù)極配方中一次商業(yè)行為。

08

摻硅補(bǔ)鋰電池

2021年1月13日，由上汽集團(tuán)、張江高科和阿里巴巴共同打造的智己汽車在上海舉行全球品牌發(fā)布會(huì)，發(fā)布了高端智能純電動(dòng)汽車品牌-IM智己。據(jù)悉，本次發(fā)布的一款純電動(dòng)轎車和一款純電動(dòng)SUV均搭載了智己汽車和寧德時(shí)代共同研制的摻硅補(bǔ)鋰電池，該電池單體能量密度高達(dá)300Wh/kg，系統(tǒng)能量密度240Wh/kg，續(xù)航里程最高可達(dá)1000km。

智己汽車品牌發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

“摻硅補(bǔ)鋰”是針對(duì)高能量鋰離子電池的配套技術(shù)，隨著人們對(duì)電池能量密度的更高追求，一種全新的Si負(fù)極材料受到廣泛研究，相比于常規(guī)的石墨負(fù)極，硅的容量是石墨的十倍以上，意味著僅需使用10%wt的硅材料，就能達(dá)到石墨相同的容量水平，從而能夠大幅減輕電池的質(zhì)量。然而，當(dāng)硅和鋰完全合金化后，其膨脹高達(dá)300%，是常規(guī)石墨的30倍左右，因此，在鋰電池的首次充電過(guò)程將會(huì)在硅表面形成更大面積的SEI膜，從而產(chǎn)生更多活性鋰損失。 由于硅的膨脹太大，通常難以單獨(dú)應(yīng)用到鋰電池中，而是和石墨摻混形成混合負(fù)極，即使摻雜的硅很少，也會(huì)對(duì)負(fù)極首次效率造成較大劣化，往往得不償失，因而針對(duì)摻硅負(fù)極的補(bǔ)鋰技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)為電化學(xué)體系提供額外的鋰源來(lái)形成SEI膜，從而將硅材料的高容量?jī)?yōu)勢(shì)徹底發(fā)揮出來(lái)。

鋰金屬直接接觸負(fù)極補(bǔ)鋰示意圖

目前主流的負(fù)極補(bǔ)鋰技術(shù)包括：短路法、電化學(xué)法和化學(xué)法。

1）短路法

將負(fù)極片直接和鋰金屬（鋰箔或鋰粉）接觸，在電解液環(huán)境中，鋰金屬和負(fù)極材料的電勢(shì)差導(dǎo)致電子定向移動(dòng)，鋰金屬產(chǎn)生的Li+釋放到電解液中，為保持電荷平衡，電解液中的Li+會(huì)嵌入負(fù)極材料中。

2）電化學(xué)法

將鋰金屬和負(fù)極片組裝成半電池，然后對(duì)半電池進(jìn)行放電，負(fù)極片的鋰化程度可以通過(guò)電流和電壓控制，最后將預(yù)嵌鋰的負(fù)極片拆解下來(lái)再與正極片組裝成全電池。

3）化學(xué)法

用低電勢(shì)的含鋰化學(xué)試劑與負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行還原實(shí)現(xiàn)補(bǔ)鋰，此種方法制備的鋰化試劑具有很高的化學(xué)活性，必須使用無(wú)水溶劑并在干燥的氣氛下進(jìn)行。

盡管摻硅補(bǔ)鋰所帶來(lái)的效果是顯著的，但是硅材料固有的膨脹特性將會(huì)嚴(yán)重惡化電池循環(huán)性能，且各種補(bǔ)鋰工藝目前均不太成熟，還存在相關(guān)的補(bǔ)鋰配套設(shè)備開(kāi)發(fā)問(wèn)題、高活性鋰金屬的安全問(wèn)題、鋰化程度的定量控制問(wèn)題等。

09

鈉離子電池

2021年7月29日，寧德時(shí)代舉辦鈉離子電池發(fā)布會(huì)，發(fā)布了其第一代鈉離子電池并首次亮相了鋰鈉混搭電池包。據(jù)悉，本次發(fā)布的鈉離子電池單體能量密度可達(dá)160Wh/kg，常溫充電15min，電量可達(dá)80%以上，即使在-20℃低溫環(huán)境下放電，其保持率也可達(dá)到90%以上。

寧德時(shí)代第一代鈉離子電池和磷酸鐵鋰電池性能對(duì)比圖

鈉離子電池是對(duì)鋰離子電池革命性的技術(shù)，主要的區(qū)別包括將正極材料替換為鈉離子體系，負(fù)極材料替換為硬碳或軟碳，集流體銅箔替換為鋁箔，但鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，是依靠Na+在正、負(fù)極材料之間嵌入、脫出實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，也可以稱之為“搖椅式電池”。

鈉離子電池工作原理

由于電荷載體由Li+替換為Na+，因此正極材料可采用含鈉過(guò)渡金屬氧化物NaxMO2（M=Co、Fe、Mn、Ni等）、普魯士藍(lán)類似物（含高Na，白色，也可稱普魯士白）NaxMa[Mb(CN)6]（Ma、Mb=Fe、Mn等），如鐵基普魯士白Na2Fe[Fe(CN)6]、錳基普魯士白Na2Mn[Fe(CN)6]、錳基高錳普魯士白Na2Mn[Mn(CN)6]、聚陰離子化合物等，電解液由鋰鹽替換為鈉鹽，由于Na+半徑（0.102nm）比Li+半徑（0.076nm）大，Na+無(wú)法嵌入常規(guī)石墨負(fù)極層間，因此鈉離子電池負(fù)極材料需要采用層間距更大、孔隙結(jié)構(gòu)更豐富的碳材料進(jìn)行儲(chǔ)鈉，但由于Na+在低電位下無(wú)法嵌入Al的晶格中，因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體，可以在一定程度上降低成本和提高能量密度。 相比鋰離子電池，鈉離子電池具有諸多優(yōu)勢(shì)：首先是成本優(yōu)勢(shì)，鈉資源儲(chǔ)量豐富，不適用Li、Ni、Co等貴重金屬，電解液用鈉鹽替代鋰鹽，并且可以采用低濃度鈉鹽實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率，負(fù)極集流體可以采用更便宜的鋁箔等，從材料體系組成來(lái)看，鈉離子電池成本比鋰離子電池便宜30%~40%。其次是安全性能和低溫性能，鈉離子電池可以實(shí)現(xiàn)零電存儲(chǔ)和運(yùn)輸，充電過(guò)程不易產(chǎn)生枝晶刺穿隔膜，并且Na比Li更穩(wěn)定，安全性能比鋰離子電池更好，除此之外，鈉離子電池電解液可以大量使用PC基溶劑，低溫性能也比較好。 雖然僅是用Na+替代了Li+，但其半徑差異性導(dǎo)致鈉離子電池綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如鋰離子電池，如Na+在正、負(fù)極材料中的嵌入和脫出阻力較大，對(duì)材料結(jié)構(gòu)破壞較大，循環(huán)可逆性差。更嚴(yán)重的問(wèn)題是，鈉離子電池工作電壓范圍2.8~3.5V，電壓平臺(tái)低，正極材料克容量基本也比較低（大約150mAh/g左右），壓實(shí)密度也低，負(fù)極材料克容量也不如石墨，導(dǎo)致鈉離子電池重量能量密度只有160Wh/kg左右，顯然無(wú)法取代鋰離子電池在高端消費(fèi)場(chǎng)景下的應(yīng)用，在儲(chǔ)能領(lǐng)域，循環(huán)性能又不如磷酸鐵鋰，所以目前來(lái)看，鈉離子電池仍然任重道遠(yuǎn)。 不過(guò)，在本次發(fā)布會(huì)上，寧德時(shí)代還提出了應(yīng)用鈉離子電池的AB電芯構(gòu)想，即將鋰離子電池和鈉離子電池組合形成鋰鈉混合電池包。通過(guò)BMS的算法控制實(shí)現(xiàn)不同電池體系的SOC均衡，從而在不同的環(huán)境或場(chǎng)景下發(fā)揮各自體系的優(yōu)勢(shì)，既彌補(bǔ)了鈉離子電池的能量密度短板，又發(fā)揮了其快速充電、低溫性能等優(yōu)勢(shì)，不失為一種較好的折中方案。

鋰鈉混合電池包構(gòu)想

10

M3P電池

2022年世界動(dòng)力電池大會(huì)在四川宜賓開(kāi)幕，寧德時(shí)代首席科學(xué)家吳凱在會(huì)上表示公司的M3P電池已經(jīng)量產(chǎn)，將于明年推向市場(chǎng)運(yùn)用。據(jù)了解，M3P電池采用基于磷酸鐵鋰體系研發(fā)的改性鐵鋰材料，既保持了磷酸鐵鋰的長(zhǎng)循環(huán)壽命和高安全性，而且能量密度比磷酸鐵鋰高10%~20%，預(yù)計(jì)在今年第四季度向特斯拉批量供應(yīng)，將搭載在Model Y車型72kWh電池包上。

寧德時(shí)代M3P電池

寧德時(shí)代未來(lái)將新能源汽車市場(chǎng)三個(gè)細(xì)分市場(chǎng)：1000km續(xù)航、700km續(xù)航和300~500km續(xù)航。 1）1000km續(xù)航：采用高鎳三元/低硅材料電池體系； 2）700km續(xù)航：采用M3P電池體系； 3）300~500km續(xù)航：采用鈉離子電池體系； M3P電池是基于材料創(chuàng)新的新型電池，但其確切的材料體系目前不清楚，根據(jù)某些公開(kāi)信息判斷M3P電池正極材料應(yīng)該完全采用或部分采用了具有與磷酸鐵鋰（LFP）相同橄欖石結(jié)構(gòu)的改性磷酸錳鐵鋰（LFMP）。寧德時(shí)代曾在調(diào)研中表示，M3P不是LFMP，還摻雜了其他金屬元素（研報(bào)認(rèn)為是Mg、Zn、Al中的兩種元素），公司內(nèi)部稱為“磷酸鹽體系的三元材料”。 LFMP和LFP理論容量均為170mAh/g，壓實(shí)密度均為2.3~2.6g/cm3，但LFMP放電平臺(tái)（4.1V）比LFP高（3.4V），因此理論上LFMP能量密度高20%左右，由于摻雜了Mn元素取代部分Fe，合成的工藝成本比LFP略高，但仍然遠(yuǎn)低于三元材料，Mn、Fe元素儲(chǔ)量豐富，價(jià)格便宜，因此M3P電池是一種介于鐵鋰電池和三元電池之間的折中技術(shù)方案。

LFMP的充放電曲線

雖然LFMP成本低廉、安全性好，能量密度還比LFP更高，但LFMP依然存在不少問(wèn)題： 1）LFMP的電子電導(dǎo)率比LFP低4個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)電性能極差，導(dǎo)致其倍率性能和循環(huán)性能差； 2）充放電過(guò)程雙平臺(tái)問(wèn)題導(dǎo)致BMS管理難度較大；

3）依然存在Jahn-Teller畸變和Mn2+溶解問(wèn)題，導(dǎo)致Li+擴(kuò)散困難和材料循環(huán)穩(wěn)定性差。

貳

電池包集成和管理技術(shù)

最傳統(tǒng)的電池包集成技術(shù)是CTM（Cell To Module），首先將若干電芯串并聯(lián)組成模組，然后將模組裝配到電池包內(nèi)，最后將電池包集成到汽車底盤。

傳統(tǒng)電池包集成方式

在動(dòng)力電池應(yīng)用于新能源汽車的早期階段，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，電池、模組、電池包尺寸五花八門，導(dǎo)致電芯開(kāi)發(fā)成本極高，并且不方便更換和維護(hù)。到后來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)了每輛車可以利用的空間位置具有一定的共性，根據(jù)這些空間尺寸，推算出模組的尺寸范圍，從而希望實(shí)現(xiàn)電芯尺寸的標(biāo)準(zhǔn)化。 2008年，大眾汽車全面進(jìn)軍電動(dòng)化，在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)化過(guò)程中率先推出了標(biāo)準(zhǔn)化模組。第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是355模組（355代表模組長(zhǎng)度，每排可放置3個(gè)模組），為了提高續(xù)航里程，減少零部件和增加空間利用率，進(jìn)一步降低成本，又推出了390模組（每排放置3個(gè)模組，模組更長(zhǎng)更緊湊）和590模組（每排放置2個(gè)模組，集成效率更高），單個(gè)模組的體積在逐漸增大。

標(biāo)準(zhǔn)模組尺寸和外形示意圖

在CTM結(jié)構(gòu)下，電芯被模組等結(jié)構(gòu)件保護(hù)較好，電池包強(qiáng)度高，成組難度小。但電芯組裝為模組空間利用率為80%，模組集成為電池包空間利用率為50%，最終電芯集成為電池包后空間利用率僅40%，隨著新能源汽車的快速普及以及鋰離子電池性能的極致開(kāi)發(fā)，在電池應(yīng)用層面，電池包集成效率亟待提升，大模組化、去模組化、車身一體化技術(shù)成為主流趨勢(shì)。

1

CTP

2019年9月，寧德時(shí)代全球首款CTP（Cell To Pack）電池包正式發(fā)布，將搭載于北汽EU5車型上。相比傳統(tǒng)電池包，采用全新CTP技術(shù)的電池包體積利用率提高15%~20%，零部件數(shù)量減少40%，生產(chǎn)效率提升50%，系統(tǒng)成本降低10%。在能量密度上，CTP電池包可高達(dá)200Wh/kg，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)高30%以上，可以大幅提升電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航能力。

寧德時(shí)代第一代CTP電池包

CTP技術(shù)包括兩個(gè)思路：一是大模組化，二是無(wú)模組化，寧德時(shí)代本次發(fā)布的CTP屬于大模組化技術(shù)，其核心邏輯是提高單體電芯的容量，同時(shí)將多個(gè)電芯堆疊組成更大的電池模組，從而大大減少模組數(shù)量，減少零部件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)能量密度提升和成本降低的目標(biāo)。

CTP技術(shù)路線

CTP技術(shù)除了采用大電芯組成大模組外，通常還會(huì)對(duì)模組之間的連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少零部件和簡(jiǎn)化裝配工藝過(guò)程。

寧德時(shí)代“套筒式”模組連接方式

雖然CTP電池包具有適用性強(qiáng)、空間利用率高、成本低、散熱性能好等優(yōu)勢(shì)，但由于木桶效應(yīng)，電池包整體性能將取決于組成電池包最差電芯的性能，因此，CTP結(jié)構(gòu)對(duì)電芯一致性提出了更高的要求，此外，如果出現(xiàn)電池故障需要更換，維修的便利性和成本都更高。

2

CTC

2020年“電池日”上，特斯拉首次公布CTC（Cell To Chassis）技術(shù)，Elon Musk表示，CTC集成技術(shù)配合前后車身一體化壓鑄技術(shù)，可以減少約370個(gè)零部件，實(shí)現(xiàn)車身減重10%，每千瓦時(shí)電池成本降低7%。

CTC技術(shù)路線

CTC技術(shù)省去了從電芯到模組，再到電池包的兩個(gè)裝配過(guò)程，直接將電池集成到車身底盤。CTC技術(shù)的本質(zhì)是將電池包上殼體和車身下地板合二為一，座椅直接安裝在電池包上蓋上，電池包既是能量提供裝置，又是整車結(jié)構(gòu)部件。

特斯拉Model Y車型CTC技術(shù)方案

為了解決電池包隔熱問(wèn)題，特斯拉在電池包內(nèi)部灌滿了膠，防止熱量向車內(nèi)傳導(dǎo)，同時(shí)，由于汽車側(cè)面是碰撞薄弱點(diǎn)，特斯拉在靠近車身門檻兩側(cè)灌膠更多，膠層更厚，當(dāng)汽車發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí)可以對(duì)內(nèi)部電池起到較好的緩沖保護(hù)作用。

特斯拉Model Y灌膠示意圖

CTC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是明顯的，由于越過(guò)了“模組”和“電池包”兩級(jí)裝配過(guò)程，直接將電池集成到車身地板上，將大大節(jié)省空間，或者說(shuō)在相同空間內(nèi)可以容納更多電池，從而提升了續(xù)航能力，同時(shí)，零部件和結(jié)構(gòu)件也大大減少，降低了重量、簡(jiǎn)化了流程、節(jié)約了成本，灌膠方案對(duì)電池“化零為整”，大大提高了車身的剛度。但CTC結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)也很突出，一方面對(duì)單體電池一致性提出了很高的要求，另一方面，由于電池整體集成在車身地板，且有膠水相互粘連，幾乎不可能進(jìn)行維修，維修成本極高。

3

JTM

2021年1月8日，國(guó)軒高科在合肥召開(kāi)第十屆科技大會(huì)，會(huì)上發(fā)布了210Wh/kg磷酸鐵鋰軟包電芯及JTM（Jelly Roll To Module）電池技術(shù)。據(jù)稱，采用JTM集成技術(shù)可以將模組成組效率提高到90%以上，搭配其高比能磷酸鐵鋰電池，可以做到模組能量密度近200Wh/kg，系統(tǒng)能量密度180Wh/kg，超過(guò)了NCM622三元體系水平，可滿足高端乘用車的續(xù)航需求。

JTM技術(shù)路線

JTM與其他電芯集成技術(shù)最大的不同在于，其他集成技術(shù)都是基于電芯為最小單元，而JTM以卷芯為最小單元，在電芯內(nèi)部并、串聯(lián)集成，與刀片電池較為類似，但刀片電池內(nèi)部為一個(gè)整體，而JTM可以想象成將刀片電池內(nèi)部分成了幾段，正因?yàn)槠洹叭嶂袔偂钡奶匦?，?guó)軒高科內(nèi)部又稱JTM電池為“變形金剛式的柔性模組”。 2022年6月17日，國(guó)軒高科JTM電池發(fā)明專利獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)。其描述的JTM電池制作流程大致是： 1）將至少一個(gè)卷芯進(jìn)行并聯(lián)層疊，然后分別對(duì)正極耳群和負(fù)極耳群進(jìn)行集中焊接； 2）用膠紙將多個(gè)并聯(lián)的卷芯固定，然后將極耳卡扣在導(dǎo)電組件的L型彎折部進(jìn)行焊接固定； 3）兩側(cè)的導(dǎo)電組件中間密封固定有絕緣袋，在卷芯整體裝入鋁殼之前，通過(guò)注液孔對(duì)并聯(lián)卷芯進(jìn)行注液； 4）通過(guò)導(dǎo)電連接片將多個(gè)并聯(lián)卷芯依次順序串聯(lián)，最后將其整體裝配入鋁殼中。

JTM電池將單卷芯在鋁殼內(nèi)部進(jìn)行并、串聯(lián)，減少了外部連接件的數(shù)量，能量密度更高，成本更低，且工藝簡(jiǎn)單，易形成標(biāo)準(zhǔn)化，而且各單卷芯能夠相互獨(dú)立，出現(xiàn)熱失控時(shí)不會(huì)相互蔓延，進(jìn)一步延遲了熱失控的發(fā)生，提高了電池安全性能。

4

彈匣電池

2021年3月10日，廣汽埃安重磅發(fā)布全球首創(chuàng)第一代彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)，由于采用了類似彈匣安全艙的設(shè)計(jì)，故而簡(jiǎn)稱“彈匣電池”，實(shí)現(xiàn)了行業(yè)首次三元鋰電池整包針刺不起火，宣稱重新定義了三元鋰電池主動(dòng)安全標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝，系統(tǒng)體積能量密度提升9.4%（302Wh/L），系統(tǒng)質(zhì)量能量密度提升5.7%（185Wh/kg），成本降低了10%。

彈匣電池系統(tǒng)安全技術(shù)

從材料層級(jí)來(lái)看，三元鋰電池雖然具有更高的能量密度，但其安全性能相比磷酸鐵鋰更差成為了消費(fèi)者購(gòu)買新能源汽車的主要疑慮。三元材料熱穩(wěn)定性差，在200℃左右就會(huì)發(fā)生分解，釋放O2，而磷酸鐵鋰在700℃以上才會(huì)分解，由于存在穩(wěn)固的P-O鍵，磷酸鐵鋰熱分解不會(huì)釋放O2，因此，三元鋰電池在發(fā)生熱濫用、針刺等極端測(cè)試時(shí)，更容易起火、爆炸。 三元鋰電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)過(guò)程

那么，廣汽埃安是如何實(shí)現(xiàn)三元鋰電池針刺不起火的呢？ 據(jù)悉，彈匣電池技術(shù)基于“防止電芯內(nèi)短路，短路后防止熱失控，以及熱失控后防止熱蔓延”的設(shè)計(jì)思路，主要包括四大核心技術(shù)：

1）超高耐熱穩(wěn)定的電芯

正極材料采用納米級(jí)包覆及摻雜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料本征改性和表面修飾結(jié)合，有效提升材料熱穩(wěn)定性和防止熱失控；電解液采用能對(duì)SEI膜進(jìn)行自修復(fù)的新型添加劑，改善電芯循環(huán)壽命；通過(guò)添加特殊電解液添加劑，當(dāng)電池溫度升高到120℃時(shí)，自發(fā)聚合形成高阻抗薄膜，大幅降低熱失控反應(yīng)產(chǎn)熱，使電芯耐熱溫度提升了30%。

2）超強(qiáng)隔熱電池安全艙

通過(guò)網(wǎng)狀納米孔隔熱材料和可耐1400℃高溫的上殼體，彈匣電池構(gòu)筑了超強(qiáng)隔熱的安全艙，當(dāng)單個(gè)電芯發(fā)生熱失控時(shí)，確保熱量不會(huì)蔓延至相鄰電芯，引起連環(huán)失控。

3）極速降溫三維速冷系統(tǒng)

通過(guò)全貼合液冷系統(tǒng)、高速散熱通道、高精準(zhǔn)的導(dǎo)熱路徑設(shè)計(jì)構(gòu)建三維速冷系統(tǒng)，彈匣電池實(shí)現(xiàn)了散熱面積提升40%，散熱效率提升30%，有效防止熱失控和熱蔓延。4）全時(shí)管控第五代電池管理系統(tǒng)采用車規(guī)級(jí)最新一代電池管理系統(tǒng)芯片，實(shí)現(xiàn)10次/s全天候數(shù)據(jù)采集，對(duì)電池系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)溫度超高時(shí)，可立即啟動(dòng)電池速冷系統(tǒng)為電池降溫。

彈匣電池四大核心技術(shù)

基于四大核心技術(shù)加持的彈匣電池，按照《GB 38031-2020 動(dòng)力汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》，采用強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)苛的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)針刺不起火（國(guó)標(biāo)要求5min內(nèi)不起火，預(yù)留逃生時(shí)間），針刺點(diǎn)附近最高溫度686.7℃，電池之間未發(fā)生熱擴(kuò)散，靜置48h后，針刺電芯電壓降為0V，溫度恢復(fù)室溫，整包外觀保持了較好的完整性。

彈匣電池通過(guò)安全技術(shù)升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了三元鋰電池整包不起火，對(duì)三元鋰電池在新能源汽車中的應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用，在系統(tǒng)層面較好的解決了三元鋰電池的安全問(wèn)題。

5

“三不”電池

2021年3月17日，東風(fēng)汽車旗下高端電動(dòng)車品牌嵐圖汽車舉辦了“三元鋰電池安全技術(shù)分享會(huì)”，首次展示了嵐圖FREE（純電版）的電池包、車體結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)的安全技術(shù)，并對(duì)電池包的安全技術(shù)進(jìn)行了全方位的解讀。 三元鋰電池包具有能量密度高、低溫性能好、倍率性能好等特點(diǎn)，但相應(yīng)的熱穩(wěn)定性更差，需要進(jìn)行更好的安全防護(hù)和熱管理，既要滿足高能量，又要滿足高安全，對(duì)電池技術(shù)帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。 而嵐圖FREE采用三元鋰電池作為動(dòng)力系統(tǒng)，卻可以做到整包“不冒煙、不起火、不爆炸”，被媒體稱為“三不”電池。此前廣汽埃安的彈匣電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了三元鋰電池整包在熱失控狀態(tài)下“不起火、不爆炸”，但嵐圖FREE又在彈匣電池的基礎(chǔ)上做到了“不冒煙”，似乎意味著三元鋰電池的系統(tǒng)安全技術(shù)又上升了一個(gè)新臺(tái)階。

嵐圖FREE三元鋰電池技術(shù)亮點(diǎn)

據(jù)悉，嵐圖汽車采用了三大安全技術(shù)：?jiǎn)误w電芯三維隔熱墻設(shè)計(jì)、電池安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型、電池PACK設(shè)計(jì)。

1）單體電芯三維隔熱墻設(shè)計(jì)

隔熱墻技術(shù)是嵐圖汽車三元鋰電池?zé)崾Э亍安幻盁煛钡氖讋?chuàng)核心技術(shù)，其原理是在電池包內(nèi)，使用超強(qiáng)高分子隔熱阻燃材料，將每個(gè)電芯分離，在電芯與電芯之間形成高效的阻熱阻燃隔熱層，并且單獨(dú)三維立體包裹，如同“琥珀”一樣。當(dāng)某個(gè)單體電芯發(fā)生熱失控時(shí)，三維隔熱墻的存在可以避免熱蔓延到周圍其他電芯，進(jìn)而防止出現(xiàn)連環(huán)熱失控，同時(shí)，每一個(gè)電芯底部都與高效液冷系統(tǒng)接觸，保證電池包具有穩(wěn)定的散熱能力，而在電芯頂部，還額外布置了可耐1000℃高溫的隔熱阻燃層，保護(hù)車內(nèi)人員安全。

“三維隔熱墻”技術(shù)詳情

2）電池安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型

嵐圖在對(duì)電池包原有溫度電壓預(yù)警基礎(chǔ)上，搭建了精確的電池安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警大數(shù)據(jù)模型，追蹤每一臺(tái)車、每一塊電池的使用數(shù)據(jù)，并將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)與云端大數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)對(duì)比，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，嵐圖會(huì)通過(guò)云端APP推送及車輛的預(yù)警系統(tǒng)，提醒用戶。

嵐圖BMS云端衛(wèi)士

3）電池PACK設(shè)計(jì)

在被動(dòng)安全上，嵐圖對(duì)電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了五大設(shè)計(jì)：車身防護(hù)、高強(qiáng)框架、壓力傳遞、形變吸能、電池雙保險(xiǎn)。

嵐圖電池PACK方案

a）車身防護(hù)：在車門門檻位置，采用雙層結(jié)構(gòu)的1500MPa超高強(qiáng)度熱成型鋼，前后車身內(nèi)部，采用行業(yè)最高等級(jí)的2000Mpa熱成型鋼，防止車輛發(fā)生膨脹或側(cè)翻時(shí)擠壓電池，從而保證電池的完整性。 b）高強(qiáng)框架：通過(guò)高強(qiáng)度鋁合金框架、多條加強(qiáng)筋強(qiáng)化其耐撞性，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，高強(qiáng)框架可以抵御20噸力的擠壓。 c）壓力傳遞：在電池包內(nèi)部設(shè)計(jì)多條縱橫加強(qiáng)梁，使得電池包受到外力時(shí)層層分解，從而保護(hù)內(nèi)部電芯。 d）形變吸能：嵐圖對(duì)電池包預(yù)設(shè)了超過(guò)30mm的形變吸能空間，在電池包受撞擊變形時(shí)，保護(hù)內(nèi)部電芯。

e）電池雙保險(xiǎn)：電芯雙極均設(shè)置有防爆閥，當(dāng)電池內(nèi)部壓力增大時(shí)，防爆閥被沖開(kāi)，避免電池發(fā)生爆炸。

6

大禹電池

2021年6月29日，長(zhǎng)城汽車咖啡智能2.0升級(jí)發(fā)布會(huì)在保定哈弗技術(shù)中心舉行，會(huì)上正式發(fā)布了“大禹電池”，自稱“永不起火、永不爆炸”。據(jù)介紹，大禹電池的命名主要是因?yàn)槠浒踩Ｕ系脑聿捎昧舜笥碇嗡摹白兌聻槭琛崩砟睿捎枚嗵荽螕Q流系統(tǒng)、快速極冷抑制系統(tǒng)、多級(jí)定向排爆系統(tǒng)、滅火盒系統(tǒng)來(lái)從PACK層級(jí)保障電池安全。

長(zhǎng)城汽車展示的大禹電池整包

大禹電池采用高鎳811三元材料，熱失控引發(fā)方式為加熱，實(shí)驗(yàn)中最高溫度超過(guò)1000℃，但全程無(wú)起火爆炸，并且大禹電池排除的煙氣溫度低于100℃。 大禹電池“變堵為疏”的理念包含了哪些技術(shù)元素呢？據(jù)了解，大禹電池主要從熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動(dòng)滅火、正壓阻氧、智能冷卻八個(gè)方面提升三元鋰電池整包安全性能。

大禹電池設(shè)計(jì)理念

1）熱源隔斷

大禹電池之間采用隔熱性能良好、又耐火焰沖擊的全新開(kāi)發(fā)的雙層復(fù)合材料取代傳統(tǒng)氣凝膠隔熱材料隔絕熱源，防止高溫傳導(dǎo)到周圍電芯引起連環(huán)反應(yīng)。在模組上方還布置了可耐1000℃高溫的隔熱材料，保護(hù)駕乘人員的安全。

2）雙向換流

通過(guò)對(duì)換流通道設(shè)計(jì)方案模擬仿真，實(shí)現(xiàn)換流強(qiáng)度和比例的精準(zhǔn)優(yōu)化，引導(dǎo)氣流和火流進(jìn)行雙向換流。

3）熱流分配

通過(guò)搭建燃燒模型、熱力學(xué)與流體力學(xué)擬合仿真、沖擊強(qiáng)度和壓力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)氣火流在不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)的均勻分布，為雙向換流起到了很好的輔助作用。

4）定向排爆

大禹電池設(shè)計(jì)了防爆閥，當(dāng)電池內(nèi)壓增大時(shí)，防爆閥優(yōu)先打開(kāi)，產(chǎn)生的火焰或氣流進(jìn)入模組上方預(yù)設(shè)的流道，將其定向排出遠(yuǎn)離相鄰電芯。

5）高溫絕緣

在高壓線束銅排表面涂抹了一層耐高溫絕緣材料，防止出現(xiàn)高壓電弧造成額外傷害。

6）自動(dòng)滅火

高壓氣流和火流被引導(dǎo)到電池包尾部的蜂窩狀滅火盒中，由于蜂窩狀結(jié)構(gòu)的多孔性和多層隔熱屏阻隔了空氣的大空間流動(dòng)，使之成為尺度十分有限的微小空間，空氣的自然對(duì)流換熱難以開(kāi)展，有效地阻礙了對(duì)流換熱的進(jìn)行，從而可實(shí)現(xiàn)火焰快速抑制和冷卻。

7）正壓阻氧

在電池包尾部設(shè)計(jì)了多層不對(duì)稱蜂窩狀通道，保證電池包內(nèi)壓始終大于外界，避免吸入氧氣導(dǎo)致火勢(shì)變大。

8）智能冷卻

當(dāng)BMS或智能云端監(jiān)測(cè)到電芯熱失控時(shí)，智能調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的流速和流量，從而給電芯降溫，將事故扼殺在搖籃中。

根據(jù)長(zhǎng)城汽車的規(guī)劃，“大禹電池”將率先搭載在沙龍品牌的第一款車型上。從2022年開(kāi)始這一電池技術(shù)將全面覆蓋長(zhǎng)城旗下的所有車型。

7

MTC

2022年4月25日，零跑汽車開(kāi)展以“智能時(shí)代，源力覺(jué)醒”為主題的智能動(dòng)力CTC技術(shù)線上發(fā)布會(huì)，首次公開(kāi)了其最新研發(fā)的CTC技術(shù)（零跑官宣CTC，嚴(yán)格講應(yīng)該是MTC，即Module To Chassis）。

MTC技術(shù)路線

據(jù)悉，零跑汽車MTC底盤一體化技術(shù)可使零部件數(shù)量減少20%，結(jié)構(gòu)件成本降低15%，電池布置空間增加14.5%，車身垂直空間增加10mm，綜合工況續(xù)航增加10%，該技術(shù)將在零跑純電動(dòng)汽車C01車型率先量產(chǎn)應(yīng)用，續(xù)航里程將達(dá)到700km。

零跑MTC底盤布置示意圖

如果將特斯拉CTC技術(shù)比作目前的電池一體化手機(jī)，那么零跑MTC就好比原來(lái)的電池分離式手機(jī)，當(dāng)電池發(fā)生故障時(shí)，只需要取下更換即可，非常方便。 零跑汽車MTC技術(shù)保留了模組設(shè)計(jì)，將模組直接集成到汽車底盤。其最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于，首次將電池托盤骨架結(jié)構(gòu)和車身梁結(jié)構(gòu)合二為一形成雙骨架環(huán)形梁式結(jié)構(gòu)，既能提高整體結(jié)構(gòu)效率，實(shí)現(xiàn)輕量化，又能通過(guò)車身縱、橫梁實(shí)現(xiàn)電池密封。

雙骨架環(huán)形梁式結(jié)構(gòu)

零跑汽車通過(guò)在乘員艙底部開(kāi)設(shè)容納空間，將模組從下往上通過(guò)栓接、膠接等固定方式懸吊在乘員艙底部，再用電池托盤和車身地板密封，取消了傳統(tǒng)電池包的上蓋板。

相比于特斯拉CTC技術(shù)，零跑汽車MTC似乎更是一個(gè)折中的技術(shù)，由于沒(méi)有取消模組結(jié)構(gòu)，因此集成效率、成本方面仍有提升空間，并且由于取消了傳統(tǒng)電池包的上蓋板，當(dāng)電池?zé)崾Э貢r(shí)對(duì)乘員艙威脅更大，但由于電池托盤容易拆解，當(dāng)需要維修時(shí)，不需要拆解車身地板和座椅，更加的方便和快捷，更是一種可行的量產(chǎn)化技術(shù)。

8

CTB

2022年5月20日，比亞迪隆重舉辦CTB技術(shù)暨海豹預(yù)售發(fā)布會(huì)，會(huì)上，比亞迪全球首發(fā)了CTB車身一體化技術(shù)及搭載CTB技術(shù)的e平臺(tái)3.0純電動(dòng)車型—海豹。 據(jù)介紹，海豹搭載CTB技術(shù)后，其動(dòng)力電池系統(tǒng)利用率提升66%，系統(tǒng)能量密度提升10%，可以實(shí)現(xiàn)700km的續(xù)航里程，其動(dòng)力電池仍然采用刀片電池，可以達(dá)到充電15min，行駛300km的快充能力。

比亞迪CTB底盤一體化布置示意圖

實(shí)際上，比亞迪CTB技術(shù)與特斯拉CTC有點(diǎn)類似，都是將電池上蓋板與車身地板合二為一，即減少了一層地板。但特斯拉電池上蓋板結(jié)合了座椅支架和橫向加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，而比亞迪橫向梁還保留在車身，用于提供更好的側(cè)向強(qiáng)度和扭轉(zhuǎn)剛度（似乎特斯拉集成技術(shù)更像CTB，而比亞迪集成技術(shù)更像CTC），因此，CTB的集成度略遜于CTC。CTB技術(shù)依然采用了刀片電池陣列式排布方式，本身具有極好的安全性能，并且電池包上蓋和電池托盤將刀片電池夾在中間，形成了類蜂窩結(jié)構(gòu)，根據(jù)比亞迪發(fā)布的測(cè)試視頻，電池艙可以承受50t重卡碾壓而裝回車身后仍可繼續(xù)使用，因此，比亞迪海豹號(hào)稱是“撞不斷的電動(dòng)汽車”。CTB技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是高安全、高強(qiáng)度、輕量化、低成本，其維修性比特斯拉CTC技術(shù)略好一些，但集成度方面相比CTC技術(shù)更保守。

搭載CTB集成技術(shù)的比亞迪海豹宣傳圖

9

魔方電池

2022年6月13日，上汽乘用車MG品牌首次發(fā)布了“魔方電池”，并亮相了搭載魔方電池的首款車型-MG MULAN。據(jù)介紹，魔方電池英文名是“ONE PACK”，采用了標(biāo)準(zhǔn)電池包，長(zhǎng)度均為1690mm，寬度均為1300mm，高度可選110mm、125mm和137mm，由于長(zhǎng)度和寬度固定，只需改變高度就能實(shí)現(xiàn)不同續(xù)航里程的需求，由于電池包長(zhǎng)度和寬度相同，魔方電池還采用了統(tǒng)一的電芯固定位置、統(tǒng)一的快換冷卻接口和統(tǒng)一的高低壓接口，意味著魔方電池可以實(shí)現(xiàn)換電功能。

魔方電池統(tǒng)一的長(zhǎng)度和寬度

魔方電池最大的技術(shù)特點(diǎn)就是采用了躺式電芯的布置，而傳統(tǒng)的電池包都是立式布置或者側(cè)立布置，魔方電池為何要“躺平”呢？

躺式電芯布置

1）整車布置效率更高

電池的厚度更薄，躺平后的電池包厚度也更薄，可以釋放更多的車內(nèi)空間，超薄電池還可以降低整包質(zhì)心高度，能有效抑制車輛高速行駛時(shí)的側(cè)傾，車身更加穩(wěn)定。并且，電池躺平后，上下兩塊電池之間不再布置隔熱材料，而只需在左右電池中間設(shè)置隔熱材料，減少了材料數(shù)量和用量。

2）循環(huán)壽命更長(zhǎng)

魔方電池設(shè)置了一個(gè)自適應(yīng)束縛裝置，可以適應(yīng)電池使用過(guò)程和全壽命周期保持一致的約束力，而傳統(tǒng)的立式電池兩端具有強(qiáng)約束力，長(zhǎng)期使用過(guò)程中會(huì)影響降低電芯約一半的循環(huán)壽命。

3）安全性能更好

魔方電池躺式布置，電池?zé)崾Э貒娚淇谠陔姵貍?cè)邊，不會(huì)向上噴射，在一定程度上降低了駕乘人員的傷害，并且相鄰電芯接觸面積小，降低了對(duì)周邊電芯的影響。 在解決躺式電芯的熱失控和散熱方面，魔方電池采用了以下方案：

1）熱隔離擋板

躺式電芯熱失控時(shí)主要從側(cè)面噴射火焰，正對(duì)噴射口的其他電池可能被直接引燃，魔方電池在其間布置了熱隔離擋板，防止正對(duì)噴射口的電芯被引燃。

躺式電芯之間的熱隔離擋板

2）立式冷卻系統(tǒng)

由于魔方電池躺平式電池結(jié)構(gòu)，為了保證每個(gè)電芯均勻散熱，采用了立式冷卻結(jié)構(gòu)解決方案，即將本該站立的電芯躺平，本該躺平的冷卻系統(tǒng)站立起來(lái)。

10

麒麟電池

2022年6月23日，寧德時(shí)代正式發(fā)布第三代CTP電池包技術(shù)-麒麟電池，通過(guò)對(duì)電池包的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將空間利用率從56%提高到72%，宣稱在相同的尺寸和化學(xué)體系設(shè)計(jì)下，其系統(tǒng)能量密度可達(dá)255Wh/kg，比特斯拉高出13%，整車?yán)m(xù)航里程可輕松突破1000km，采用全球首創(chuàng)大面冷卻技術(shù)，麒麟電池支持5min快速熱啟動(dòng)及10min快速充電至80%SOC，實(shí)現(xiàn)了續(xù)航、快充、安全、壽命、效率以及低溫性能的全面提升，預(yù)計(jì)將于2023年量產(chǎn)上市，首次搭載于吉利汽車旗下高端電動(dòng)汽車MPV—極氪009。

麒麟電池的結(jié)構(gòu)從上到下依次為：上蓋、三合一彈性?shī)A層、電池、托盤。創(chuàng)新重點(diǎn)之一是高度集成化的三合一彈性?shī)A層，將結(jié)構(gòu)梁（縱橫梁）、隔熱墊和水冷板替換為彈性?shī)A層，布置在每排電芯間，同時(shí)起到結(jié)構(gòu)支撐、冷卻散熱、電芯隔熱和膨脹緩沖四個(gè)功能。

麒麟電池包爆炸圖

麒麟電池將本該放置在電芯底部的水冷板（彈性?shī)A層）豎直放置于電芯之間，增加了4倍換熱面積、大幅提高了散熱性能，從而實(shí)現(xiàn)了電池的安全快充。據(jù)寧德時(shí)代報(bào)告，麒麟電池可以做到4C快充技術(shù)，實(shí)現(xiàn)5分鐘熱啟動(dòng)、10分鐘快充至80%。 此外，麒麟電池采用電芯倒置，防爆閥朝下設(shè)計(jì)，當(dāng)電芯發(fā)生熱失控時(shí)，高溫氣流將向汽車底部噴射，進(jìn)一步保護(hù)駕乘人員安全。

麒麟電池排列方式

麒麟電池是寧德時(shí)代在現(xiàn)有的方形電池技術(shù)路線下，通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，進(jìn)一步提升電池性能的重要方式。寧德時(shí)代采用了全球首創(chuàng)的電芯大面冷卻技術(shù)，取消了橫縱梁、水冷板與隔熱墊原本獨(dú)立的設(shè)計(jì)，集成為多功能彈性?shī)A層，實(shí)現(xiàn)了水冷、隔熱、緩沖功能三合一，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成度的較大提升。

結(jié) 語(yǔ)

隨著新能源汽車目前的快速發(fā)展到未來(lái)的最終全面普及，將離不開(kāi)電池材料的持續(xù)創(chuàng)新和集成技術(shù)的不斷改進(jìn)，電池技術(shù)將始終聚焦于成本、續(xù)航、安全、快充等幾個(gè)方面，只有這些核心指標(biāo)有了質(zhì)的飛躍，才有可能迎來(lái)真正屬于新能源汽車的時(shí)代！

審核編輯 ：李倩