材料和電池制造技術(shù)的進步為電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展

電動汽車的發(fā)展需要更好的電池，動力蓄電池的比能量、壽命、安全性和價格，對純電驅(qū)動汽車的發(fā)展至關(guān)重要。圖1列出了目前商用動力電池的技術(shù)水平和未來10年預(yù)期可達到的目標(biāo)，往往這些指標(biāo)又是互相矛盾的，在實際產(chǎn)品設(shè)計中相關(guān)性能需要兼顧考慮。材料和電池制造技術(shù)的進步為電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展提供支撐，鋰離子電池具有比能量高、自放電低、壽命長等優(yōu)點，是目前最具實用價值的電動汽車電池，在混合動力汽車、純電動汽車和燃料電池汽車上均得到廣泛應(yīng)用。

圖 1 現(xiàn)有動力電池的技術(shù)指標(biāo)以及未來 10 年的發(fā)展目標(biāo)

十二五期間，中國高功率型鋰離子動力電池功率密度達到 4500 W/kg，高能量型磷酸鐵鋰動力電池能量密度達到 140（W·h）/kg，三元/錳酸鋰混合正極材料動力電池能量密度達到 180（W·h）/kg，在系統(tǒng)集成技術(shù)和能力方面取得較大進展和突破，動力電池系統(tǒng)的比能量達到 100（W·h）/kg以上，鋰離子動力電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平已經(jīng)具備支撐電動汽車開展大規(guī)模商業(yè)化運行的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)條件。

以下從鋰離子電池材料技術(shù)、單體電池設(shè)計和制造技術(shù)、電池系統(tǒng)技術(shù)等幾個方面，對電動汽車動力電池技術(shù)的研發(fā)予以評述。

1、鋰離子電池材料技術(shù)

鋰離子電池采用可嵌入鋰的材料作負極，含鋰的化合物作正極，聚丙烯/聚乙烯多孔膜作隔離層，鋰鹽溶于有機溶劑作電解液，正極材料、負極材料、隔膜和電解液構(gòu)成鋰離子電池的四種關(guān)鍵材料。鋰離子電池正負極材料體系非常豐富，高電位可逆釋放鋰離子的含鋰化合物和低電位可逆儲存鋰離子的材料均可構(gòu)成其正極和負極材料。

圖 2 鋰離子電池電極材料體系

正極材料

隨著摻雜和表面改進技術(shù)的發(fā)展以及電解液技術(shù)的進步，鈷酸鋰/石墨體系的充電電壓提升至 4.40 V，材料比容量可提升至 200至210（mA·h）/g，加之其材料真密度和極片壓實密度均是現(xiàn)有正極材料中最高的，可滿足智能手機和平板電腦對高體積能量密度軟包電池的需求。

尖晶石結(jié)構(gòu)的錳酸鋰（LiMn2O4）具有三維鋰離子擴散通道，原料成本比較低、生產(chǎn)工藝簡單、熱穩(wěn)定性高、耐過充性好、放電電壓平臺高、安全性高。缺點是理論容量比較低，循環(huán)過程中可能有錳元素的溶出影響電池在高溫環(huán)境中的壽命等問題，可在其表面包覆 Al2O3 形成 LiMn(2- x)AlxO4 的固溶體來改善 LiMn2O4 的高溫循環(huán)性能和儲存性能，適合作為輕型電動車輛的低成本電池。國內(nèi)錳酸鋰材料因行業(yè)競爭價格下降明顯，主要滿足移動電源、電動工具和電動自行車市場的需求，有向低端發(fā)展的趨勢，高溫循環(huán)性能有待進一步提升。

NCM 三元層狀正極材料主要應(yīng)用于動力型電池，除鎳、鈷、錳各占 1/3 的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 在動力電池中的應(yīng)用較為成熟外，較高容量的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 也已經(jīng)進入批量應(yīng)用。NCM 三元材料一般與錳酸鋰混合應(yīng)用于電動車輛電池，以 NCM 為主要正極活性材料的單體電池的比能量可提升至 180至200（W·h）/kg，更高容量的富鎳三元材料也在開發(fā)中，與鋰鎳鈷氧（NCA）相比是否具有優(yōu)勢尚不得而知，鋁摻雜的鋰鎳鈷氧最早由法國 Saft 公司開發(fā)應(yīng)用于衛(wèi)星電池，松下將其應(yīng)用于筆記本電腦電池，其能量密度可接近高電壓鈷酸鋰電池，近幾年電動汽車廠商特斯拉將這種電腦電池用于驅(qū)動電動汽車，該材料也可以與錳酸鋰混合用于制造車用動力電池，國內(nèi) NCA 前驅(qū)體已形成穩(wěn)定產(chǎn)能，少數(shù)企業(yè)已完成 NCA 正極材料開發(fā)，處于產(chǎn)品推廣過程中。

磷酸鐵鋰電池安全性高、壽命長，中國是當(dāng)前全球主要的磷酸鐵鋰材料和電池生產(chǎn)地。目前納米化的功率型材料和高密度的磷酸錳鐵鋰能量型材料的穩(wěn)定性均得到較快的發(fā)展，逐步滿足了國內(nèi)市場需求和現(xiàn)階段中國新能源汽車推廣的需要，特別是客車和專用車輛應(yīng)用方面，也應(yīng)用于電力儲能和通訊后備電源領(lǐng)域。高能量型和高功率型材料的性能趨于穩(wěn)定，成本進一步降低，高電壓尖晶石鎳錳酸鋰和高電壓高比容量富鋰錳基正極材料仍在研發(fā)之中。

負極材料

可用于動力電池的負極材料有石墨、硬/軟碳以及合金負極材料。

石墨材料是目前廣泛應(yīng)用的鋰離子電池負極材料，可逆容量達到 360（mA·h）/g，已至極限，中間相碳微球充電倍率性能優(yōu)于天然石墨，但成本偏高，無定形硬碳或軟碳可滿足電池在較高倍率和較低溫度應(yīng)用的需求，開始走向應(yīng)用，但主要是與石墨混合應(yīng)用。

鈦酸鋰負極材料具有最優(yōu)的倍率性能和循環(huán)性能，特別是適合大電流充電應(yīng)用，近年來通過表面改性和電解液匹配技術(shù)已基本解決電池漲氣問題，可以應(yīng)用于需要快速充電的電池，缺點是生產(chǎn)的電池比能量較低和成本較高。

納米硅在 20 世紀 90 年代即被提出可用于高容量負極，通過摻少量納米硅材料提升碳負極材料容量至今仍是研發(fā)熱點，可逆容量達到 450（mA·h）/g 的添加少量納米硅或硅氧化物的負極材料已開始進入小批量應(yīng)用階段，但因鋰嵌入硅后體積膨脹導(dǎo)致其在電池中實際使用時循環(huán)壽命出現(xiàn)偏差的問題還需要解決。

電解液

鋰離子電池電解液一般以高介電常數(shù)的環(huán)形碳酸酯與低介電常數(shù)的線性碳酸酯混合作為有機溶劑，以六氟磷酸鋰作為溶質(zhì)。隨著電極材料的不斷改善和更新，對與之匹配電解質(zhì)的要求也越來越高。

一般來說，鋰離子電池的電解質(zhì)應(yīng)該符合離子電導(dǎo)率高（10^(-3)至10^(-2) S/cm）、電子電導(dǎo)低、電化學(xué)窗口寬（0至5 V）、工作溫度范圍寬、熱穩(wěn)定性好（-40至60℃）等特性要求。除此之外，還有許多各種類別的添加劑，主要分為導(dǎo)電添加劑、成膜添加劑、升壓添加劑、阻燃添加劑等。六氟磷酸鋰及其它新型鋰鹽、溶劑提純、電解液配制、功能添加劑技術(shù)持續(xù)進步，目前的發(fā)展方向是進一步提高其工作電壓和改善電池高低溫性能，安全型離子液體電解液和固體電解質(zhì)正在研制中。

隔膜

聚烯烴微孔膜以其優(yōu)良的力學(xué)性能、良好電化學(xué)穩(wěn)定性以及相對廉價的特點，是目前鋰離子電池隔膜市場的主要品種，包括聚乙烯（PE）單層膜、聚丙烯（PP）單層膜以及 PP/PE/PP 三層復(fù)合微孔膜。

國內(nèi)采用干法工藝生產(chǎn)的廠家較多，濕法工藝 PE 隔膜也已經(jīng)有多家企業(yè)可以量產(chǎn)。隔膜陶瓷涂層技術(shù)得到了推廣，耐高溫和高電壓的隔膜是未來的發(fā)展方向。

2、單體電池技術(shù)

至今鋰離子電池的基本設(shè)計仍與 SONY 公司于 1989 年專利申請公布的相同：

鋰化合物正極活性材料、碳黑等材料與粘接劑混和制漿，涂覆在集流體鋁箔上，經(jīng)烘干、輥壓制成正極片；

石墨等碳負極材料涂覆在銅箔上，采用與正極相同的方法制成負極片；

正、負極片間插入微孔聚丙烯等薄隔膜作隔離層，卷繞或疊片成圓柱形或矩形，裝入電池殼，經(jīng)焊接引出電池正負極；

再加入電解質(zhì)溶液，化成、封口，即成為單體電池。

單體的形狀有圓柱、方形金屬殼（鋁/鋼）和方形軟包散裝：

圓柱電池原來主要用于筆記本電腦，現(xiàn)在特斯拉等公司選用的 18650 圓柱電池和直徑和長度更大的圓柱電池，電芯通過卷繞方式制作。

方形電池一般容量較大，電芯通過卷饒、Z 形疊片、卷繞 + 疊片、正極包膜疊片、疊片 + 卷繞等方式制作。

軟包電池電芯的制作方式與方形金屬殼電池相同。

其優(yōu)越點如下：

圓柱型電芯技術(shù)最成熟，制造成本較低，但大型圓柱電池的散熱能力較差，故一般選用小圓柱電池。車用電池組容量大，電池數(shù)量多，管理系統(tǒng)較為復(fù)雜和昂貴。

方形電池中卷繞結(jié)構(gòu)電池制作工藝較簡單，但主要適合于軟極片電池，采用磷酸鐵鋰和三元材料的電池均可用此方法，但尖晶石正極材料電池應(yīng)極片硬而不能采用此方式制作。

疊片式電池適應(yīng)于各種材料體系，可靠性高，壽命比同型號卷饒電池長，通用 Volt 插電式混合動力汽車和日產(chǎn) Leaf 純電動汽車的電池均采用疊片工藝制造。疊片工藝制造的電池過程復(fù)雜一些，但壽命比相同材料體系扁形卷繞電池壽命長。

至2015年，磷酸鐵鋰單體電池的比能量達到 140（W·h）/kg，三元材料混合錳酸鋰單體電池的比能量達到 180（W·h）/kg，國際上采用 NCA 的小圓柱電池比能量達到 240（W·h）/kg，未來幾年鋰離子單體電池的比能量將進一步提升，預(yù)期至 2020 年最高可達到 300（W·h）/kg。

車用動力電池屬于高端制造業(yè)，涉及的產(chǎn)業(yè)多，技術(shù)路線尚在變化之中，國外電池生產(chǎn)企業(yè)采用高效、全自動、人員非接觸式生產(chǎn)方式，行業(yè)合作模式也發(fā)生變化，材料、單體電池和模塊制造逐步形成更加明顯分工。

國外動力電池工藝裝備水平在制漿技術(shù)及裝備、涂布技術(shù)、組裝生產(chǎn)線、制造過程在線檢測技術(shù)等單項技術(shù)方面，在單元自動化、流程自動化、集成一體化、非接觸生產(chǎn)方面，在制造控制及管理系統(tǒng)一體化、MES 制造全過程管理等方面均處于領(lǐng)先地位。

國內(nèi)動力電池生產(chǎn)裝備研制在 2000 年啟動，中國科學(xué)院物理研究所及中國電子科技集團公司第十八研究所從國外引進中試設(shè)備，北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司、中國科學(xué)院感光化學(xué)研究所等單位開始極片制造設(shè)備如涂布機、合漿機的研制，后隨著日本平野、東麗大型涂布機的引進，通過與國外公司聯(lián)合，多家企業(yè)已開發(fā)出達到國際先進水平的涂布設(shè)備，部分為國際電池生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)用，但涂布模頭、控制泵、閥、涂層厚度測量、張力和糾偏控制等關(guān)鍵部件尚依賴于進口。

大型電池裝配自動化設(shè)備的研發(fā)始于 2001 年沈陽新松機器人自動化股份有限公司研制的 Z 型疊片機，2006 年國產(chǎn)動力電池自動卷繞機出現(xiàn)，在卷繞變形控制、卷繞式疊片、無偏差組裝等某些單項技術(shù)方面具備了較高的水準(zhǔn)。但設(shè)備可靠性及效率方面尚有進一步提升空間。由于電動汽車對動力電池質(zhì)量水平要求高、需求量巨大、價格競爭劇烈，選用先進的自動化設(shè)備是必然的選擇，國內(nèi)電池單體生產(chǎn)逐步從半自動中試向全自動大規(guī)模制造技術(shù)過渡，以滿足高一致性要求。

3、電池系統(tǒng)技術(shù)

從商品化的鋰離子動力電池系統(tǒng)角度看，關(guān)鍵核心技術(shù)包括：

電池成組技術(shù)：集成電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等；

電池管理系統(tǒng)（BMS）電磁兼容技術(shù)；

信號的精確測量技術(shù)：如單體電壓、電流等；

電池狀態(tài)精確估計：如 SOS、SOC、SOH、SOF等；

電池均衡控制技術(shù)等。

而 BMS 及電池系統(tǒng)的其他關(guān)鍵核心部件包括傳感器、控制器、執(zhí)行器等部件基本上由汽車電子技術(shù)強國（德、日、美）壟斷。

國內(nèi)目前開始在相關(guān)領(lǐng)域開展研究，也獲得相應(yīng)的成果。部分企業(yè)已成功開發(fā)智能電表（體積緊湊，集成了電流、電壓、絕緣及電量測量等），可以替代國外電流、電壓、絕緣傳感器。電池成組技術(shù)方面，由于集成了電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等，技術(shù)復(fù)雜，目前國際汽車企業(yè)技術(shù)較為成熟。國內(nèi)研究單位在 BMS 電磁兼容技術(shù)、信號的精確測量技術(shù)、電池狀態(tài)精確估計、電池均衡控制技術(shù)等方面開展了較為深入研究，電壓測量精度達到 0.5%，電流測量精達到 0.5%，溫度測量精度達到 1℃，SOC 估算精度達到 5%。國內(nèi)目前開發(fā)的多數(shù)動力電池系統(tǒng)產(chǎn)品功能相對比較簡單，雖具有基本的檢測監(jiān)控功能，但在數(shù)據(jù)采集的可靠性、SOE（剩余能量）的估算精度、熱管理、均衡、安全管理等方面均需提升，核心元器件方面差距較大。

影響電動汽車推廣應(yīng)用的首要因素是鋰離子動力電池的安全性和使用成本，除了電池本體的安全性、壽命及一致性進一步提升外，電池模塊化技術(shù)、電池成組技術(shù)（集成電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等）也與國外有較明顯的差距。

電池電管理關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)包括綜合電池電化學(xué)模型、電氣安全設(shè)計、電池狀態(tài)估計、均衡管理、故障診斷與標(biāo)定以及充電管理等方面。電池?zé)峁芾黻P(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)研發(fā)需根據(jù)電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計和電池產(chǎn)熱計算分析，研究不同熱管理技術(shù)的散熱均溫效果，得到成本低、工藝簡單、安全可靠性強的電池?zé)峁芾砩岱桨浮８鶕?jù)實際應(yīng)用場景選用風(fēng)冷、液冷、熱管制冷、半導(dǎo)體制冷和相變材料吸熱等，電池結(jié)構(gòu)輕量化需以電池系統(tǒng)及整車的相關(guān)結(jié)構(gòu)為研究對象，考慮相互間的耦合特性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與材料選型兩個方面開展結(jié)構(gòu)抗振、抗沖擊和輕量化的集成優(yōu)化設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究工作。對零部件材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、聯(lián)接等設(shè)計方案進行優(yōu)化，電池安全性方面需在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎(chǔ)上開展電池系統(tǒng)的安全性整體方案設(shè)計研究，針對電池系統(tǒng)開展故障診斷預(yù)測、熱安全監(jiān)測預(yù)警和防控關(guān)鍵技術(shù)。

4、結(jié)論

在未來相當(dāng)長一段時間里，鋰離子電池仍是最適用的電動汽車電池，進步是漸進的，鋰離子電池材料體系豐富，錳酸鋰正極材料、三元體系正極材料、磷酸鐵鋰正極材料、復(fù)合碳負極材料、陶瓷涂層隔膜、電解質(zhì)鹽及功能電解液技術(shù)的發(fā)展支撐了電池技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

自十五以來，中國動力電池從無到有，錳酸鋰動力電池廣泛應(yīng)用于輕型電動車輛和混合動力汽車，磷酸鐵鋰電池支撐了近幾年電動汽車的示范運行和推廣應(yīng)用，三元正極材料在動力電池中的應(yīng)用技術(shù)取得了積極進展，單體電池比能量從 100（W·h）/kg 左右提高到 200（W·h）/kg 左右，電池生產(chǎn)正從單元自動化向全自動化過渡。電池系統(tǒng)技術(shù)在應(yīng)用中進步，安全性和可靠性將在未來幾年得到進一步提升。

未來以下幾方面的研發(fā)工作需要堅持和進一步加強：

材料方面，需繼續(xù)改進磷酸鐵理、錳酸鋰、三元材料、復(fù)合碳負極材料、鈦酸鋰、隔膜陶瓷涂層技術(shù)、功能型電解液等現(xiàn)有材料，研發(fā)高容量層狀正極材料、高電壓鋰鎳錳尖晶石正極材料正極材料及其產(chǎn)業(yè)化工藝技術(shù)；研發(fā)與高電壓正極材料配套的耐高壓電解液；研發(fā)耐高溫和高電壓的電池隔膜；研究硅基合金負極材料及其產(chǎn)業(yè)化工藝技術(shù)。

動力電池設(shè)計和制造方面，需研發(fā)新型極片和電池結(jié)構(gòu)，開發(fā)高速合漿新工藝和裝備、精密涂布模頭和控制系統(tǒng)、高精度涂層測厚系統(tǒng)、高速一體化電池芯制造系統(tǒng)、電池和電池組自動裝備線和制造信息化系統(tǒng)（MES）等，開發(fā)出適合中國國情的自動化生產(chǎn)/測試的關(guān)鍵裝備和信息化技術(shù)。

動力電池系統(tǒng)技術(shù)方面，需開展鋰離子動力電池的壽命模型及模型影響參數(shù)的研究，電池成組方式特性研究，高效大容量鋰離子電池組均衡策略研究，單體電池充放電熱模型與成組電池包溫度場分析和控制方法研究，成組電池優(yōu)化快速充電方法研究。

還需要加強動力電池系統(tǒng)的評價工作，建立動力電池評價體系，全面評價電動車用動力電池產(chǎn)業(yè)鏈的水平，包括針對材料、單體電池、電池模塊、電池管理系統(tǒng)、電池系統(tǒng)熱管理、電池安全監(jiān)控、充電方法和充電器、電池組、生產(chǎn)工藝和設(shè)備、電池組綜合成本、電池再次使用、回收工藝的可行性和回收方法的方便性等方面。

新能源汽車發(fā)展到當(dāng)前階段，動力電池系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合整車產(chǎn)品進行重新設(shè)計并根據(jù)未來車用動力電池的需求進行設(shè)計制造模式的升級，在動力電池基礎(chǔ)材料、電池制造和系統(tǒng)技術(shù)全產(chǎn)業(yè)鏈上同時下功夫，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低規(guī)模化生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)業(yè)競爭力。