從正負(fù)極材料到電池系統(tǒng),解讀國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池現(xiàn)狀

1、從正負(fù)極材料到電池系統(tǒng)，解讀國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池現(xiàn)狀 日前，國(guó)內(nèi)動(dòng)力電池行業(yè)大新聞?lì)l頻爆出，先是上汽切入動(dòng)力電池板塊，與國(guó)內(nèi)第二大、全球第三大動(dòng)力電池企業(yè) 寧德時(shí)代聯(lián)姻，成立動(dòng)力電池系統(tǒng)公司；隨后有消息稱比亞 迪將分拆動(dòng)力電池部門，開(kāi)放門戶或向所有車企供貨，有報(bào) 道稱這一舉動(dòng)或?qū)⒏淖內(nèi)蚴袌?chǎng)格局。而且，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車市場(chǎng)連續(xù)兩年產(chǎn)銷量居世界第一，累計(jì)推廣超過(guò) 100 萬(wàn)輛， 場(chǎng)的頭把交椅，可以說(shuō)電動(dòng)汽車行業(yè)前景無(wú)限、發(fā)展迅猛， 其關(guān)鍵在于動(dòng)力電池技術(shù)水平的提高。電動(dòng)汽車的發(fā)展需要 更好的電池，動(dòng)力蓄電池的比能量、壽命、安全性和價(jià)格， 對(duì)純電驅(qū)動(dòng)汽車的發(fā)展至關(guān)重要。其中具有比能量高、壽命 長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子

2、電池是目前最具實(shí)用價(jià)值的電動(dòng)汽車電 池，在混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車和燃料電池汽車上均得到 廣泛應(yīng)用。目前商用動(dòng)力電池的技術(shù)水平和未來(lái) 10 年預(yù)期 可達(dá)到的目標(biāo)見(jiàn)圖 1，而實(shí)際產(chǎn)品生產(chǎn)中往往這些指標(biāo)又是占全球市場(chǎng)保有量 50%以上。中國(guó)超越美國(guó)坐上電動(dòng)汽車市互相矛盾的，電池相關(guān)性能需要權(quán)衡考慮。電池性能的提高 需兼顧電極材料、電解液、隔膜的性能，同時(shí)裝配技術(shù)、電 池系統(tǒng)成組、管理技術(shù)的跟進(jìn)也至關(guān)重要。本文旨在從電池 材料技術(shù)、單體電池設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、電池系統(tǒng)技術(shù)等方面 總結(jié)目前以鋰離子電池為核心的動(dòng)力電池發(fā)展成就，同時(shí)展望未來(lái)！圖 1 現(xiàn)有動(dòng)力電池的技術(shù)指標(biāo)以及未來(lái)1 0年的發(fā)展目標(biāo) 1、鋰電

3、材料技術(shù)正負(fù)極材料鋰電正負(fù)極材料體系非常豐富（圖2），目前，鉆酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳鋰等正極材料研究已趨于成熟。鈷酸 鋰材料比容量有200-210mA - h/g,其材料真密度和極片壓實(shí)密度均是現(xiàn)有正極材料中最高的， 商用鉆酸鋰 /石墨體系的充電電壓可提升 4.40V ，已經(jīng)可滿足智能手機(jī)和平板電腦對(duì)高 體積能量密度軟包電池的需求。錳酸鋰原料成本較低、生產(chǎn) 工藝簡(jiǎn)單、熱穩(wěn)定性高、耐過(guò)充性好、放電電壓平臺(tái)高、安 全性高。適合作為輕型電動(dòng)車輛的低成本電池，但存在理論 容量比較低，循環(huán)過(guò)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(wèn)題。國(guó)內(nèi)錳酸鋰材料主要滿足移動(dòng)電 源、電動(dòng)工具和電動(dòng)

4、自行車市場(chǎng)的需求，有向低端發(fā)展的趨 勢(shì)。 NCM 三元層狀正極材料主要應(yīng)用于動(dòng)力型電池，除鎳、鈷、錳各占 1/3 的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 在動(dòng)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(jìn)入批量應(yīng)用，一般與錳酸鋰混合應(yīng)用于電動(dòng)車輛電池。鋁摻 雜的鋰鎳鉆氧（NCA ）能量密度可接近高電壓鉆酸鋰電池，近幾年電動(dòng)汽車廠商特斯拉將這種電腦電池用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng) 汽車，該材料也可以與錳酸鋰混合用于制造車用動(dòng)力電池， 國(guó)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(kāi)發(fā)， 處于產(chǎn)品推廣過(guò)程中。 磷酸鐵鋰電池安全性高、 壽命長(zhǎng)，目前

5、納米化的功率型材料和高密度的磷酸錳鐵鋰材 料發(fā)展速度較快，高能量型和高功率型材料的性能趨于穩(wěn) 定，成本進(jìn)一步降低，逐步滿足了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求和現(xiàn)階段中 國(guó)新能源汽車推廣的需要，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。圖 2 鋰離子電池電極材料體系負(fù)極材料可用于動(dòng)力電池的負(fù)極材料有石墨、硬/軟碳以及合金材料，石墨是目前廣泛應(yīng)用負(fù)極材料，可逆容量已能達(dá)到360mA h/g。無(wú)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(kāi)始走向應(yīng)用，但主要是與石墨混合應(yīng) 用。鈦酸鋰負(fù)極材料具有最優(yōu)的倍率性能和循環(huán)性能，適用 于大電流快充電池，但生產(chǎn)的電池比能量較低且成本較高。納米

6、硅在 20 世紀(jì) 90 年代即被提出可用于高容量負(fù)極，通過(guò) 少量納米硅摻雜來(lái)提升碳負(fù)極材料容量是目前研發(fā)的熱點(diǎn)， 添加少量納米硅或硅氧化物的負(fù)極材料已開(kāi)始進(jìn)入小批量 應(yīng)用階段，可逆容量達(dá)到 450mA h/g。但因鋰嵌入硅后導(dǎo) 致其體積膨脹，在實(shí)際使用時(shí)循環(huán)壽命會(huì)出現(xiàn)降低的問(wèn)題有 待進(jìn)一步解決。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。一般來(lái)說(shuō)鋰離子電池的電解質(zhì)應(yīng) 該滿足離子電導(dǎo)率高（10-310-2S/cm ）、電子電導(dǎo)低、電化 學(xué)窗口寬（05V ）、熱穩(wěn)定性好（-4060 C）等要求。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)

7、持續(xù)進(jìn)步，目前的發(fā)展方向是進(jìn)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(duì)廉價(jià)的特點(diǎn)，是目前鋰離子電池隔膜市場(chǎng)的主要品種7。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(guó)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)。隨著陶 瓷涂層技術(shù)得到了推廣，耐高溫和高電壓的隔膜將成為是未 來(lái)的研發(fā)方向。 2、單體電池技術(shù)至今鋰離子電池的基本設(shè)計(jì)仍與 SONY 公司于 1989 年專利 申請(qǐng)公布的相同，單體的形狀有圓柱、方形金屬殼（鋁和方

8、形軟包散裝，圓柱電池原來(lái)主要用于筆記本電腦，現(xiàn)在 特斯拉等公司選用的 18650 圓柱電池用于電動(dòng)汽車。方形電池一般容量較大，電芯通過(guò)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。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 般選用小圓柱電池。車用電池組容量大，電池?cái)?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(jiǎn)單，但主要適合于軟極片電池，采用除尖晶石正極材料外 磷酸鐵鋰和三元材料的電池均可用此方法?？煽啃愿摺勖?長(zhǎng)的疊片式電池適應(yīng)于各種材料體系， 通用 Volt 插電式混合 動(dòng)力汽車和日產(chǎn) Leaf 純電動(dòng)汽車的電池均采用疊

9、片工藝制造。至2015年，磷酸鐵鋰單體電池的比能量達(dá)到140W -h/kg ,元材料混合錳酸鋰單體電池的比能量達(dá)到180W - h/kg ,國(guó)際上采用NCA的小圓柱電池比能量達(dá)到240W h/kg ,未 來(lái)幾年鋰離子單體電池的比能量將進(jìn)一步提升， 預(yù)期至 2020年最高可達(dá)到300W h/kg。3、電池系統(tǒng)技術(shù)從商品化的鋰離子動(dòng)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(hào)的精確測(cè) 量（如單體電壓、電流等）技術(shù)、電池狀態(tài)精確估計(jì)、電池 均衡控制技術(shù)等。圖3 簡(jiǎn)易動(dòng)力電池系統(tǒng)圖而 BMS 及電池系統(tǒng)的其

10、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(qiáng)國(guó)（德、日、美）壟斷。國(guó)內(nèi)目前部分企業(yè)已成 功開(kāi)發(fā)智能電表，可以替代國(guó)外電流、電壓、絕緣傳感器。影響電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用的首要因素是鋰離子動(dòng)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(jìn)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(guó)外有較明顯的差 距。目前國(guó)際汽車企業(yè)電池成組技術(shù)較為成熟，國(guó)內(nèi)研究單 位在 BMS 電磁兼容技術(shù)、信號(hào)的精確測(cè)量技術(shù)、電池狀態(tài) 精確估計(jì)、電池均衡控制技術(shù)等方面開(kāi)展了較為深入研。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)

11、計(jì)、電池狀態(tài)估計(jì)、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(jì)和電池產(chǎn)熱計(jì)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(jiǎn)單、安全可靠性強(qiáng)的電池 熱管理散熱方案。根電池結(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(duì)象，考慮相互間的耦合特性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與材料選型兩個(gè)方面開(kāi)展結(jié)構(gòu)抗振、抗沖擊和輕量化的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究工作。對(duì)零部件材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、聯(lián)接等設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，電池安全性方面需在電氣安全、機(jī)械安全和熱安全的基礎(chǔ)上開(kāi)展電池系統(tǒng)的安全性整體方 案設(shè)計(jì)研究，針對(duì)電池系統(tǒng)開(kāi)展故障診斷預(yù)測(cè)、熱安全監(jiān)測(cè) 預(yù)警和防控關(guān)鍵技術(shù)。 4、展望在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，鋰離子電池仍是最適用的電動(dòng)汽車電池，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(fù)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(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。電池 系統(tǒng)技術(shù)在應(yīng)用中進(jìn)步，安全性和可靠性將在未來(lái)幾年得到 進(jìn)一步提升。鋰離子動(dòng)力電池的壽命模型及模型影