鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展概述

謝樂瓊 王莉 胡堅(jiān)耀 何向明

1 概述

電動(dòng)汽車和傳統(tǒng)燃油汽車于19世紀(jì)末誕生，此后的一個(gè)世紀(jì)由于電動(dòng)車的造價(jià)較燃油車昂貴，致使電動(dòng)汽車的發(fā)展幾近停滯。直到21世紀(jì)電池行業(yè)的興起，電動(dòng)汽車才迎來了研發(fā)及生產(chǎn)制造的熱潮。全球電動(dòng)車的存量取決于美國(guó)和中國(guó)電動(dòng)車市場(chǎng)的增長(zhǎng)與發(fā)展。預(yù)計(jì)到2020年，全球新能源汽車銷量將接近500萬輛。其中，中國(guó)約200萬輛、美國(guó)約100萬輛，2國(guó)銷量占全球銷量的3/5。中國(guó)的電動(dòng)車市場(chǎng)現(xiàn)已日趨規(guī)范，2015年由中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部令第27號(hào)發(fā)布的《新建純電動(dòng)乘用車企業(yè)管理規(guī)定》中要求電動(dòng)汽車廠商必須申請(qǐng)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)和工業(yè)和信息化部2部門的資質(zhì)方能生產(chǎn)及銷售電動(dòng)車，而資質(zhì)審批嚴(yán)格，目前申請(qǐng)的廠商中有22%獲得了國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)資質(zhì)，獲工業(yè)和信息化部的資質(zhì)企業(yè)僅為13%。

對(duì)于制造商而言，電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)需考慮使用范圍、模組系統(tǒng)、成本、汽車功率、壽命、乘坐與操縱等各方面因素。不同類型車輛對(duì)引擎、發(fā)動(dòng)機(jī)電池的的要求各不相同。傳統(tǒng)車僅靠電池進(jìn)行引擎啟動(dòng)，而混合動(dòng)力、增程式及純電動(dòng)車對(duì)電池的要求從吸收再生制動(dòng)能量、支持加速到提供唯一的動(dòng)力和能源，對(duì)電池性能要求逐級(jí)增高，純電動(dòng)車最核心的部件是電池（詳見表1）。電動(dòng)車成本中最顯著的影響因素是電池的成本，而在產(chǎn)業(yè)化初期電動(dòng)車的成本也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)車型（如圖1）。隨著電池生產(chǎn)量的增加和電動(dòng)車市場(chǎng)的變化，電池及其相關(guān)組件成本快速下降。2007—2015年，電池包的成本從6 700元/kWh降至1 600元/kWh。更好的材料和電芯結(jié)構(gòu)也使得電池體積能量密度增加，如18650電池經(jīng)過20年時(shí)間發(fā)展，容量可從1 400m A h提升至3 400mAh。鋰離子電池相關(guān)技術(shù)的快速進(jìn)步使電動(dòng)車制造成本更具有競(jìng)爭(zhēng)力。本文概述了鋰離子動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)中的電池、模組及系統(tǒng)，并對(duì)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)及分析。

2 鋰離子動(dòng)力電池

鋰離子動(dòng)力電池是以鋰作為充電電荷載體的各類電池的通稱。鋰離子在重量和電壓方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可作為汽車用可充電電池。鋰離子電池的種類很多，這取決于陽(yáng)極和陰極材料的精確組合。在充電過程中，帶正電的鋰離子從陰極流過電解質(zhì)/隔膜進(jìn)入陽(yáng)極，并儲(chǔ)存于陽(yáng)極；電子從負(fù)極通過外部電路流向正極，當(dāng)鋰離子不再流動(dòng)時(shí)電池充滿電。以鈷酸鋰（LCO）為例，放電過程中，鋰離子通過電解液回流至陰極，電子通過外電路回到負(fù)極，當(dāng)所有離子回到陰極后，電池放電完畢（如圖2）。電動(dòng)機(jī)將電池的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能來轉(zhuǎn)動(dòng)車輪，來自電網(wǎng)的電能可用來給電池充電。

2.1 電池關(guān)鍵材料及特性

圖3為各類典型的正負(fù)極材料對(duì)鋰的電位差及理論比容量值。不同的正負(fù)極材料對(duì)鋰的電位及比容量均不同，因此在設(shè)計(jì)制造電池時(shí)可根據(jù)不同需求來選擇合適的正負(fù)極材料。

2.1.1 正極材料

正極材料在鋰離子動(dòng)力電池中是鋰離子的主要來源[1]。如今在產(chǎn)業(yè)中使用較多的正極材料包括：六方層狀結(jié)構(gòu)的材料如LCO、鋰鎳鈷鋁（NCA）、鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）、尖晶石結(jié)構(gòu)的鋰錳氧化物（LMO）和橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰（LFP）[2]。LCO具有高能量、高功率的優(yōu)點(diǎn)，但其熱不穩(wěn)定、壽命較短、負(fù)載能力有限；鋰錳氧化物具有高功率、熱穩(wěn)定、高安全性、成本低的優(yōu)勢(shì)，但較其他陰極材料容量相對(duì)較低且壽命有限[3]，在應(yīng)用中提升熱管理系統(tǒng)會(huì)讓此類材料更有優(yōu)勢(shì)；NCA具有高比能量、良好的比功率及長(zhǎng)循環(huán)壽命，但安全性相對(duì)較低且成本更高；鋰鎳錳鈷氧化物中鎳具有高比能量、錳的成分可降低電池內(nèi)阻、可提供高比能量及功率，但鎳的穩(wěn)定性不高且錳提供的比能量較低；LFP具有固有的安全性及熱穩(wěn)定性優(yōu)勢(shì)，在濫用狀態(tài)下表現(xiàn)更為安全，以磷酸鐵鋰為正極材料的電池電流額定值更高且具有長(zhǎng)的循環(huán)壽命。低電壓和低容量是磷酸鐵鋰材料的缺點(diǎn)，這也導(dǎo)致了磷酸鐵鋰材料的能量密度相對(duì)其他材料要低。

2.2.2 負(fù)極材料

動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)中的負(fù)極材料主要有石墨/碳基、鈦酸鋰（LTO）、硅合金（Si）。石墨/碳基具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電率及鋰離子運(yùn)輸能力和高的克比容量，但體積容量較低是石墨/碳基材料的缺點(diǎn)；鈦酸鋰具有耐受快速充放電速率、固有安全性、長(zhǎng)循環(huán)壽命的優(yōu)勢(shì)，但相比石墨其能量密度更低、成本更高；硅合金具有高質(zhì)量/體積容量、低成本和化學(xué)穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)，但其也存在充電時(shí)機(jī)械膨脹度高的問題。

2.3 動(dòng)力電池的種類及特點(diǎn)

動(dòng)力電池基本單元是由單體電芯組成，電芯的類型從結(jié)構(gòu)上分類包括軟包電池、圓柱形電池及方殼電池（如圖4）。圓柱電池在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，其尺寸易于標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，因此圓柱電池也具有高產(chǎn)量及價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的特點(diǎn)，但圓柱電池的結(jié)構(gòu)會(huì)影響動(dòng)力電池整體的重量從而使動(dòng)力電池組裝密度及比能量降低。軟包電池具有高的功率和能量密度，質(zhì)量較輕且更容易有效的利用組裝空間。與圓柱電池相比，軟包電池需要更多的商業(yè)化空間。軟包電池的局限性在于缺乏成型標(biāo)準(zhǔn)，在模組中需要結(jié)構(gòu)支撐及冷卻散熱系統(tǒng)，尤其在使用高能量大軟包電池時(shí)，對(duì)熱濫用等安全方面的保護(hù)設(shè)計(jì)仍存在巨大挑戰(zhàn)。方殼電池具有圓柱和軟包電池的共有優(yōu)點(diǎn)，分層的方法提高了空間利用率并能根據(jù)不同的要求進(jìn)行靈活的模組設(shè)計(jì)，但方殼電池亦缺乏成型標(biāo)準(zhǔn)，大成組的方殼電池能量高且制造成本較圓柱電池要高，同時(shí)對(duì)濫用和安全性破壞的保護(hù)設(shè)計(jì)的要求更高。

動(dòng)力鋰離子電池從材料體系分類為固態(tài)電池、金屬空氣電池（如：鋰、鋁、鋅、鈉）、鋰硫電池（Li-S）、鈉離子電池、硅合金（硅）電池。固態(tài)電池優(yōu)勢(shì)在于其固態(tài)電解質(zhì)，無需考慮電池使用過程中的泄漏問題，因此也大大提高了電池使用的安全性；高電壓的固態(tài)電池也可提高電池包潛在能量密度，在電池包使用中可不置入冷卻系統(tǒng)從而讓動(dòng)力電池系統(tǒng)更輕、更高效。固態(tài)電池研發(fā)中最大挑戰(zhàn)即提高固態(tài)電解液的導(dǎo)電性，而在產(chǎn)業(yè)化中的大批量生產(chǎn)并讓成本被市場(chǎng)接受也是一大挑戰(zhàn)[4]；金屬空氣電池具有純金屬陽(yáng)極和氧氣（O2）陰極，理論容量高（可達(dá)1 000Wh/kg以上）且未采用重金屬制備電池，提高了環(huán)保性和安全性。金屬空氣電池的循環(huán)壽命短，現(xiàn)實(shí)可再充電、空氣管理及高功率下能量密度降低問題依然屬于研究挑戰(zhàn)。鋰硫電池中硫是來源豐富且低成本的材料，鋰硫電池具有高的理論質(zhì)量能量密度，在安全性方面有待提高的空間。鋰硫電池體積能量密度偏低，功率密度和放電倍率問題仍有待解決，循環(huán)壽命及穩(wěn)定性在研發(fā)層面有較多挑戰(zhàn)。鈉離子電池中鈉的成本低且來源豐富、安全性高，但體積和質(zhì)量能量密度問題還需進(jìn)一步深入研究解決。硅合金（硅電池）具有比石墨高10倍的質(zhì)量容量，可變得更輕及儲(chǔ)存更多能量，但循環(huán)壽命是此類電池的短板，實(shí)際應(yīng)用存在限制。

2.4 動(dòng)力電池的生產(chǎn)及供應(yīng)鏈

電池生產(chǎn)主要分為電極極片制造和電池組裝2方面工序。電極組裝工序?yàn)椋悍勰?混料-涂覆-干燥-輥壓-分切；電池組裝工序?yàn)椋函B片-焊接-打包-注液-化成/老化-下線檢測(cè)（EOL測(cè)試），詳見圖5所示。

動(dòng)力電池是由電解液、隔膜、集流體、粘結(jié)劑、陰陽(yáng)極材料、導(dǎo)電劑及粘結(jié)劑等材料組成。按電池成本及相對(duì)比重細(xì)分，電池價(jià)值不僅僅來自初級(jí)電化學(xué)材料，而是分布于電池中的各個(gè)組分，以NCA圓柱電池為例（如圖6）。各組分的體積和成本占比有一定的正相關(guān)性，又并非完全正相關(guān)。電池生產(chǎn)中正極材料在體積和成本的占比均最大，且成本較體積占比更高（高約11%）；負(fù)極材料次之，其體積占比與成本占比相當(dāng)；電解液的體積占比12%，成本為9%；隔膜體積占比2%，但成本占比為14%；添加劑如粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的體積和成本目前在產(chǎn)業(yè)中占比僅約為1%。

正極材料是鋰離子電池中所占體積和成本最高的組分，是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。而正極材料的典型原料為鈷和鋰。2016年鈷的儲(chǔ)備量和產(chǎn)量最豐富的國(guó)家是剛果；中國(guó)鈷儲(chǔ)備量為8萬t，位居世界第9位，而開采礦產(chǎn)量為世界第2；美國(guó)鈷儲(chǔ)備量及產(chǎn)量位于12位。鋰礦資源最豐富的屬南美洲部分國(guó)家；中國(guó)的鋰資源豐富，開采量和資源均位居世界第4；美國(guó)鋰資源僅次于中國(guó)，但其礦產(chǎn)量為0。

3 動(dòng)力電池模組、電池包及管理系統(tǒng)

3.1 動(dòng)力電池模組

模組的成組是為了連接大量電池，為電池提供支撐結(jié)構(gòu)、傳熱界面及附著端子，多個(gè)模組與傳感器連接，并將控制器等裝置裝在一個(gè)箱子里即可成為電池包（如圖7）。

模組的制造涵蓋了電芯的篩選、組裝、焊接、檢測(cè)等各個(gè)工序。模組制造的主要任務(wù)有：將電芯組裝成載體，連接結(jié)構(gòu)中的導(dǎo)體（焊接），用電壓和溫度傳感器安裝模塊控制單元，若有必要裝入冷卻系統(tǒng)，測(cè)試系統(tǒng)功能，具體流程詳見圖8所示。

3.2 動(dòng)力電池包

電動(dòng)汽車以電池包的形式與動(dòng)力系統(tǒng)連接。電池包由外殼體、模組、母線、保險(xiǎn)絲、切斷、冷卻系統(tǒng)、電池管學(xué)院（BMS）等組件組成（圖9）。

3.3 管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)與控制電池溫度、電壓并管理電池。BMS監(jiān)測(cè)和控制電池模組的充電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）、功能狀態(tài)（SOF）、安全和重要保障、平衡負(fù)載/單電池效率；BMS可提高電池使用率和效率，并減少所需的電池量。BMS的設(shè)計(jì)及制造需要高度熟練的電子和軟件工程人才，BMS運(yùn)行流程詳見圖10和圖11。

配電系統(tǒng)（E D S）主要功能是提供電池包的導(dǎo)電路徑。功能細(xì)分包含：為電池包提供隔離傳導(dǎo)途徑；測(cè)量高壓電路中的電流和電壓；提供高壓線路供電時(shí)的預(yù)充電功能；高壓線路在過電流情況下熔斷；監(jiān)測(cè)電器絕緣的有效性；低壓線為電池控制功能提供電量，并采用控制器局域網(wǎng)總線（C A N）協(xié)議讓電池與汽車通信；高壓線帶有一個(gè)信號(hào)以確認(rèn)所有外部連接器正確相連并確保高壓導(dǎo)體永久不接觸；B M S接收模組電壓和溫度傳感器的信息，模組中BMS可提供輸出信息以驅(qū)動(dòng)電池冷卻系統(tǒng)的其他部件，如風(fēng)扇、泵或電池冷卻系統(tǒng)的閥門；外部連接器更加牢固和安全的連接了電池包和其他動(dòng)力系統(tǒng)，通常分為高壓、低壓及其他輔助連接器（充電器和高壓附件，見圖12）。

電池包集成-生產(chǎn)過程主要分為處理、集成和測(cè)試。電池包生產(chǎn)過程主要任務(wù)可細(xì)分為：將模組組裝；在封裝體系中加入模組；連接及測(cè)試電路；可根據(jù)使用設(shè)計(jì)裝入冷卻系統(tǒng)；測(cè)試電池包質(zhì)量和系統(tǒng)功能（圖13）。

4 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力電池的潛在化學(xué)/技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室概念階段的新化學(xué)品開始，通常需要數(shù)十年才能成為市場(chǎng)產(chǎn)品。新材料的發(fā)展如探究新化學(xué)成分、理解產(chǎn)品特性和特征等方面研發(fā)工作都由科研機(jī)構(gòu)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室或大學(xué)主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，這類突破性的發(fā)現(xiàn)通常并沒有時(shí)限。實(shí)驗(yàn)室中在克級(jí)發(fā)展有前景的材料并可為應(yīng)用提供性能測(cè)試及分析的工作也由科研機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室或大學(xué)主導(dǎo)實(shí)驗(yàn)，此類研究一般可經(jīng)歷3年甚至數(shù)十年。有前景的材料從實(shí)驗(yàn)室到商業(yè)化的電芯一般由大學(xué)或工業(yè)化企業(yè)來主導(dǎo)，此時(shí)可進(jìn)行規(guī)?；臏y(cè)試分析及確定制造過程，歷時(shí)一般約為2年。當(dāng)電池產(chǎn)品可進(jìn)行工業(yè)化發(fā)展，企業(yè)和大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)需相互配合來證明可量化電池生產(chǎn)應(yīng)用，供應(yīng)鏈驗(yàn)證，工業(yè)規(guī)模制造的優(yōu)化，歷時(shí)可長(zhǎng)達(dá)3年。工業(yè)企業(yè)需用1～1.5年來完成產(chǎn)品在電池階段的驗(yàn)證、量化電池按工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，原始設(shè)備制造商（OEM）驗(yàn)證及確?？煽啃约鞍踩运健６鳲EM的循環(huán)發(fā)展需歷時(shí)2～3年時(shí)間。

圖14為未來的20年內(nèi)對(duì)動(dòng)力電池的成本、能量密度、功率密度、安全性、壽命、使用溫度范圍、可預(yù)見性和再循環(huán)能力的預(yù)期。

未來動(dòng)力電池各領(lǐng)域的發(fā)展會(huì)突破自身限制，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)會(huì)向更高安全性、更高的能量密度、高功率密度及更低成本的廣闊領(lǐng)域發(fā)展，并能更好地服務(wù)于人類。

致謝：感謝科技部國(guó)際合作項(xiàng)目（No. 2016YFE0102200）和北京市英才計(jì)劃項(xiàng)目（No. YETP0157）資助；感謝“清華大學(xué)-張家港氫能與先進(jìn)鋰電技術(shù)聯(lián)合研究中心”支持。

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