動力電池性能提升途徑及發(fā)展展望

任璐

摘 要：新能源汽車之所以無法普及，主要受動力電池成本及性能制約。動力電池是電動汽車的心臟。目前，動力電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)有了巨大進步，但是動力電池產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本仍然難以滿足新能源汽車推廣普及需求，文章主要從物理和化學兩個層面分析探討動力電池性能提升途徑，并對動力電池未來發(fā)展趨勢進行展望。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；動力電池；三元鋰電池

中圖分類號：TM912 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0050-02

Abstract： The reason why new energy vehicles can not be popularized is mainly due to the cost and performance constraints of power batteries. Power batteries are the heart of electric cars. At present， the power battery industry has made great progress， but the performance， quality and cost of power battery products are still difficult to meet the demand of the popularization of new energy vehicles. This paper analyzes and discusses the ways to improve the performance of power batteries from the physical and chemical aspects， and predicts the development trend of power batteries in the future.

Keywords： new energy vehicle； power battery； ternary lithium battery

1 提升動力電池性能的物理途徑

1.1 圓柱電池

目前最成熟的技術(shù)就是18650電池，即通常所說的5號電池。特斯拉汽車的動力電池就是由7623顆5號電池串并聯(lián)組成。圓柱形電池由自動化設備卷繞而成，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)流程標準化，普及率高。但是圓柱形電池也有其天生缺陷，因為體積小，所以單體容量較小，且在高強度放電時，發(fā)熱量大；使用壽命短，電池循環(huán)次數(shù)在1000次左右。

針對18650電池的缺點，特斯拉采取增大電芯尺寸的方式加以改進，例如特斯拉Model3中用20700替代18650電芯，20700電池增加的尺寸大概為10%，而體積和能量儲存提升了1.33倍。20700電芯量產(chǎn)后，其動力電池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%。可見，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)做到極致，再往上提升的空間不大。

1.2 軟包電池

軟包電池，又稱聚合物鋰電池，其內(nèi)部使用高分子膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，區(qū)別于電解液。其電池形狀不固定，可以根據(jù)實際需求制作成各種形狀。目前在蘋果手機電池中廣泛使用。軟包電池目前價格昂貴，主要因為高分子電解質(zhì)成本較高，其外包裝材料不同于普通電池，為鋁塑復合膜。其正負極材料與傳統(tǒng)鋰電池一樣。

由于采用鋁塑膜包裝，其安全性能得到較好提升，發(fā)生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，而不會發(fā)生爆炸；軟包電池的優(yōu)點還包括：質(zhì)量輕、自耗電小、循環(huán)壽命長等。但是，軟包電池也有缺點，比如一致性差，成本高，容易漏液。作為一種新型動力電池，軟包電池未來提升空間很大。

1.3 方形電池

方形鋰電池，顧名思義，其形狀為方形，方便疊加，也方便置于汽車之中。其外殼通常是鋁制殼或鋼制作殼。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高，國內(nèi)普及率高。方形電池多采用卷繞式或疊片式工藝，制造效率高，安全性好。隨著新能源汽車工業(yè)的發(fā)展，未來新能源汽車也將如現(xiàn)在的常規(guī)能源汽車一樣大規(guī)模生產(chǎn)，這就涉及到標準化問題。現(xiàn)在的傳統(tǒng)燃油汽車，大多數(shù)零部件大多采用標準件，全球通用，這樣一來不僅降低了制造成本，也降低了研發(fā)成本。未來的大趨勢是全球采取統(tǒng)一尺寸，統(tǒng)一規(guī)格的方形電池。這將極大的推動動力電池的發(fā)展。降低動力電池的生產(chǎn)成本及研發(fā)成本，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。美國卡內(nèi)基梅隆大學的研究成果也證明：圓柱形電池進一步降低成本的空間很小，而方形電池則有很大的潛力。

1.4 電池PACK系統(tǒng)

電池PACK系統(tǒng)，即封裝電池組，指利用機械結(jié)構(gòu)將眾多單芯電池串并聯(lián)起來。并綜合考慮電池包系統(tǒng)的機械強度、熱管理、能量管理等問題。電池包綜合管理系統(tǒng)（BMS）是各新能源汽車公司的核心技術(shù)，優(yōu)秀的PACK系統(tǒng)配上優(yōu)良的電池管理系統(tǒng)（BMS）可以讓動力電池組系統(tǒng)比能量效率從65%提升到85%。65%是目前國內(nèi)的平均水平，而85%則是工信部擬定到2020年實現(xiàn)的目標。PACK環(huán)節(jié)效率提升比較難，可以通過提升集成效率、減重、電池包與底盤一體化等方式來實現(xiàn)。值得一提的是，大眾汽車公司的MEB平臺在實現(xiàn)電池組效率提升和成本大幅下降上起到了模范作用。

對比分析以上提升動力電池性能的物理途徑，筆者認為，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)遇到天花板，未來提升空間不大；軟包電池與方形電池將來會有較大的競爭力。動力電池降成本的重要途徑就是標準化與模塊化。未來全國動力電池若能建立統(tǒng)一標準、統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一形狀、統(tǒng)一尺寸以及批量生產(chǎn)，相信動力電池的生產(chǎn)效率將大幅提升，成本將大幅下降。例如，當年福特發(fā)明的標準化生產(chǎn)方式讓汽車的價格從2000美金降到了300美金。在未來大規(guī)模使用新能源汽車過程中，方形電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ?。它可以讓全國的新能源汽車都采用統(tǒng)一標準的方形電池，續(xù)航里程大的純電動汽車，方形電池可以疊加得多一些，續(xù)航里程短的混動汽車，方形電池可以疊加得少一些。電池封裝系統(tǒng)也可以全國統(tǒng)一標準，依據(jù)動力電池容量的不同，分別采取相應的電池封裝技術(shù)，將方形電池封裝起來。將方形電池與封裝技術(shù)結(jié)合起來，形成全國統(tǒng)一標準的方形電池封裝技術(shù)，將極大的降低動力電池的生產(chǎn)成品，提升動力電池性能。助力中國汽車工業(yè)實現(xiàn)彎道超車，達到世界頂尖水平。

2 提升動力電池性能的化學途徑

2.1 高鎳NCM與NCA正極材料

正極材料是動力電池能量的短板，只要正極材料比容量提高就能提高電池能量密度。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g，而石墨負極材料的比容量高達400mAh/g。采用高容量的正極材料，能夠讓負極、隔膜、電解液用量之間的搭配更加完美，電池最終能量密度的提升直接取決于正極材料比容量的提升。動力電池能量密度突破的關(guān)鍵就在于正極材料。

目前國內(nèi)NCM111和NCM 523型三元正極材料產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，并開始大規(guī)模使用，而新型622NCM則于2016年開始逐步在部分動力電池企業(yè)中推廣，未來將逐步拓展至811NCM以及NCA材料。當然三元鋰電池也有自己的瓶頸，它的正極理論比容量的最大值是300mAh/g，達到300mAh/g就已經(jīng)是極限。三元鋰電池是目前動力電池廠商主攻的方向，未來將有新型的正極材料系統(tǒng)。

2.2 硅碳負極

動力電池的負極材料主要是硅碳負極，即在石墨材料加入硅，其理論能量密度高達4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳負極材料，特斯拉在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入10%的硅，使其能量密度達到550mAh/g以上。國內(nèi)貝特瑞公司研發(fā)的S1000型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g。負極材料目前沒有技術(shù)瓶頸，完全能滿足動力電池的各種需求。

2.3 薄型化隔膜

隔膜在單體電池上主要用來隔開正負極，讓電解液能夠通過隔膜在正負極之間交換物質(zhì)。受制于電池體積所限，以及提高電池能量密度的要求，動力電池隔膜需要盡量輕、薄。隔膜性能決定了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池容量、安全性能等。優(yōu)質(zhì)隔膜對提升電池性能作用巨大。

隔膜技術(shù)有干法與濕法兩種制造工藝，干法成本較低但只適合小功率電池，濕法成本高但能適合大功率電池。早期，動力電池主要采用干法隔膜，目前濕法隔膜開始推廣使用，預計2020年干濕法薄膜技術(shù)各占一半，分別應用于中低端與高端領域。隔膜工藝的核心技術(shù)掌握在日本旭化成公司手中。中國有大量企業(yè)生產(chǎn)隔膜，但無核心技術(shù)。旭化成干法現(xiàn)在可量產(chǎn)12微米隔膜，濕法可量產(chǎn)6-7微米。國內(nèi)企業(yè)大多只能生產(chǎn)干法20-40微米隔膜。對比與隔膜行業(yè)世界一流水平企業(yè)的差距，我國企業(yè)應該引進先進工藝設備，苦練內(nèi)功，力爭取得突破。

2.4 新型電解液LiFSI

鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。

鋰電池主要使用的電解質(zhì)是六氟磷酸鋰。用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無爆炸危險，適用性強。在鋰電池電解質(zhì)中添加LiFSI后，可提高離子導電率及電池充放電特性。比如，反復充放電300次后，1.2MLiPF6的情況下放電容量保持率會降至約60%，而在1.0MLiPF6中添加0.2MLiFSI后，保持率可超過80%。目前LiFSI已經(jīng)進入商用，用此種電解質(zhì)廢棄電池處理工作相對簡單，對生態(tài)環(huán)境友好，因此該類電解質(zhì)的市場前景十分廣泛。

對比分析以上四種提升動力電池性能的化學途徑，筆者認為，未來提升動力電池比容量的關(guān)鍵點在正極材料。而正極材料目前是短板，補齊短板，動力電池的比容量提升將有質(zhì)的飛躍。目前，全球廠商均集中力量研究三元鋰動力電池，在鋰正極中主要是加入鎳、鈷、錳三元素。并不斷調(diào)配三種元素之間的比例以提升電池性能。未來更有前途的三元材料是鎳、鈷、鋁，不斷調(diào)配實驗這三種材料間的配比，將會獲得能量密度更大的三元鋰電池。新型三元鋰電池通過與硅碳負極的適配，再搭配新型電解液LiFSI，并用更薄的濕法薄膜包裹，將使得新型動力電池的能量密度更高、環(huán)境更友好、安全性更高以及循環(huán)壽命更長。

3 動力電池發(fā)展展望

現(xiàn)有體系下，電池能量密度的理論極限為300Wh/kg，如果要達到2025年，新體系動力電池技術(shù)取得突破性進展，單體比能量達500Wh/kg，有前景的方案包括固態(tài)鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等新的電化學體系電池。固態(tài)電池研大規(guī)模商用的可能性最高，因為固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池在工作原理上并無區(qū)別，只是電解質(zhì)為固態(tài)與液態(tài)的區(qū)別。由于固態(tài)電池不再使用石墨負極，而是直接使用金屬鋰負極，所以大大減輕負極材料用量，使得整個電池的能量密度明顯提高。目前實驗室已試制出能量密度為300-400Wh/kg的全固態(tài)電池，安全性能也比較高，不過該種電池體積較小，成本較高，目前僅在蘋果手機等高端小巧設備上有應用。鋰硫電池的能量密度最高，目前實驗室試制的鋰硫電池比能量密度可達500Wh/kg，硫作為正極材料理論比能量高達2600Wh/kg，且單質(zhì)硫成本低、對于環(huán)境友好，但是，鋰硫電池在試制過程中有諸多技術(shù)難題無法突破，包括安全性、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性等。鋰硫電池應用前景廣闊，環(huán)境友好，如果試制成功，無異于一場革命，新能源汽車將會迅速取代傳統(tǒng)燃油汽車。鋰空氣電池的續(xù)航里程最長，單次續(xù)航里程可達2000公里，不僅如此，鋰空氣電池比能量有望超過700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10倍，體積更小，重量更輕。但是鋰金屬過于活潑，碰見水蒸汽馬上會發(fā)生劇烈氧化還原反應，其安全性、穩(wěn)定差。鋰空氣電池的應用還有諸多技術(shù)難關(guān)要攻克。

參考文獻：

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