Science of SLAC | Batteries for the Future: What's Possible?
來源： 材料人
電動汽車的發展需要更好的電池，動力蓄電池的比能量、壽命、安全性和價格，對純電驅動汽車的發展非常重要。其中具有比能量高、壽命長等優點的鋰離子電池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用。
目前商用動力電池的技術水平，和未來10年預期可達到的目標見圖1，而實際產品生產中，往往這些指標又是互相矛盾的，電池相關性能需要權衡考慮。
電池性能的提高需兼顧電極材料、電解液、隔膜的性能，同時裝配技術、電池系統成組、管理技術的跟進也非常重要。
本文旨在從電池材料技術、單體電池設計和製造技術、電池系統技術等方面，總結目前以鋰離子電池為核心的動力電池發展成就，同時展望未來！
目前商用動力電池的技術水平，和未來10年預期可達到的目標見圖1，而實際產品生產中，往往這些指標又是互相矛盾的，電池相關性能需要權衡考慮。
電池性能的提高需兼顧電極材料、電解液、隔膜的性能，同時裝配技術、電池系統成組、管理技術的跟進也非常重要。
本文旨在從電池材料技術、單體電池設計和製造技術、電池系統技術等方面，總結目前以鋰離子電池為核心的動力電池發展成就，同時展望未來！
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圖1 現有動力電池的技術指標，以及未來10年的發展目標
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1. 鋰電材料技術
正負極材料
鋰電正負極材料體系非常豐富（圖2），目前，鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳鋰等，正極材料研究已趨於成熟。鈷酸鋰材料比容量有200-210 mA·h/g，其材料真密度和極片壓實密度，均是現有正極材料中最高的，商用鈷酸鋰/石墨體系的充電電壓可提升4.40 V，已經可滿足智慧手機和平板電腦，對高體積能量密度軟包電池的需求。
錳酸鋰原料成本較低、生產製程簡單、熱穩定性高、耐過充性好、放電電壓平台高、安全性高。適合作為輕型電動車輛的低成本電池，但存在理論容量比較低，循環過程中可能有錳元素的溶出影響，電池在高溫環境中的壽命等問題。
錳酸鋰材料主要滿足行動電源、電動工具和電動自行車市場的需求，有向低端發展的趨勢。NCM三元層狀正極材料主要應用於動力型電池，除鎳、鈷、錳各佔1/3 的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，在動力電池中的應用較為成熟外，較高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，也已經進入批量應用，一般與錳酸鋰混合應用於電動車輛電池。
鋁摻雜的鋰鎳鈷氧（NCA）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，將這種電腦電池用於驅動電動汽車，該材料也可以與錳酸鋰混合，用於製造車用動力電池，NCA前驅體已形成穩定產能，少數中國的企業已完成NCA正極材料開發，處於產品推廣過程中。
磷酸鐵鋰電池安全性高、壽命長，目前奈米化的功率型材料，和高密度的磷酸錳鐵鋰材料，發展速度較快，高能量型和高功率型材料的性能趨於穩定，成本進一步降低，逐步滿足了市場需求，和現階段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，仍在研發之中。
錳酸鋰原料成本較低、生產製程簡單、熱穩定性高、耐過充性好、放電電壓平台高、安全性高。適合作為輕型電動車輛的低成本電池，但存在理論容量比較低，循環過程中可能有錳元素的溶出影響，電池在高溫環境中的壽命等問題。
錳酸鋰材料主要滿足行動電源、電動工具和電動自行車市場的需求，有向低端發展的趨勢。NCM三元層狀正極材料主要應用於動力型電池，除鎳、鈷、錳各佔1/3 的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2，在動力電池中的應用較為成熟外，較高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2，也已經進入批量應用，一般與錳酸鋰混合應用於電動車輛電池。
鋁摻雜的鋰鎳鈷氧（NCA）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，將這種電腦電池用於驅動電動汽車，該材料也可以與錳酸鋰混合，用於製造車用動力電池，NCA前驅體已形成穩定產能，少數中國的企業已完成NCA正極材料開發，處於產品推廣過程中。
磷酸鐵鋰電池安全性高、壽命長，目前奈米化的功率型材料，和高密度的磷酸錳鐵鋰材料，發展速度較快，高能量型和高功率型材料的性能趨於穩定，成本進一步降低，逐步滿足了市場需求，和現階段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，仍在研發之中。
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圖2 鋰離子電池電極材料體系
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負極材料
可用於動力電池的負極材料有石墨、硬/軟碳以及合金材料，石墨是目前廣泛應用負極材料，可逆容量已能達到360 mA·h/g。無定形硬碳或軟碳，可滿足電池在較高倍率和較低溫度應用的需求，開始走向應用，但主要是與石墨混合應用。
鈦酸鋰負極材料，具有最優的倍率性能和循環性能，適用於大電流快充電池，但生產的電池比能量較低且成本較高。
奈米矽在20世紀90年代，即被提出可用於高容量負極，透過少量奈米矽摻雜，來提升碳負極材料容量，是目前研發的熱點，添加少量奈米矽或矽氧化物的負極材料，已開始進入小批量應用階段，可逆容量達到450 mA·h/g。
但因鋰嵌入矽後，導致其體積膨脹，在實際使用時循環壽命，會出現降低的問題，有待進一步解決。
電解液
鋰離子電池電解液，一般以高價電常數的環形碳酸酯，與低價電常數的線性碳酸酯混合。一般來說鋰離子電池的電解質，應該滿足離子電導率高（10-3~10-2 S/cm）、電子電導低、電化學窗口寬（0~5 V）、熱穩定性好(-40~60℃)等要求。
六氟磷酸鋰及其它新型鋰鹽、溶劑提純、電解液配制、功能添加劑技術持續進步，目前的發展方向，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，和固體電解質正在研製中。
隔膜
聚烯烴微孔膜以其優良的力學性能、良好電化學穩定性，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三層複合微孔膜。
採用乾法製程生產的廠家較多，濕法製程PE隔膜也已經有多家企業可以量產。隨著陶瓷塗層技術得到了推廣，耐高溫和高電壓的隔膜，將成為是未來的研發方向。
採用乾法製程生產的廠家較多，濕法製程PE隔膜也已經有多家企業可以量產。隨著陶瓷塗層技術得到了推廣，耐高溫和高電壓的隔膜，將成為是未來的研發方向。
2. 單體電池技術
至今鋰離子電池的基本設計，仍與SONY公司於1989年專利申請公佈的相同，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於筆記型電腦，現在特斯拉等公司選用的18650圓柱電池，用於電動汽車。
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+卷繞等方式製作。圓柱型電芯技術最成熟，製造成本較低，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，電池數量多，管理系統較為複雜和昂貴。方形電池中，卷繞結構電池製作製程較簡單，但主要適合於軟極片電池，採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。
可靠性高、壽命長的疊片式電池適應於各種材料體系，通用Volt插電式混合動力汽車，和日產Leaf純電動汽車的電池，均採用疊片製程製造。
至2015年，中國的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，國際上採用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，預期至2020年最高可達到300 W·h/kg。
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+卷繞等方式製作。圓柱型電芯技術最成熟，製造成本較低，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，電池數量多，管理系統較為複雜和昂貴。方形電池中，卷繞結構電池製作製程較簡單，但主要適合於軟極片電池，採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。
可靠性高、壽命長的疊片式電池適應於各種材料體系，通用Volt插電式混合動力汽車，和日產Leaf純電動汽車的電池，均採用疊片製程製造。
至2015年，中國的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，國際上採用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，預期至2020年最高可達到300 W·h/kg。
3. 電池系統技術
從商品化的鋰離子動力電池系統角度看，關鍵核心技術包括電池成組技術（集成電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等）、電池管理系統（BMS）電磁箱容技術、信號的精確測量（如單體電壓、電流等）技術、電池狀態精確估計、電池均衡控制技術等。
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圖3 簡易動力電池系統圖
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而BMS及電池系統的其他關鍵核心部件，包括傳感器、控制器、執行器等部件，基本上由汽車電子技術強國（德、日、美）壟斷。
中國目前部分企業已成功開發智慧電表，可以替代國外際電流、電壓、絕緣傳感器。影響電動汽車推廣應用的首要因素，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，電池模組化技術、電池成組技術（整合電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等），也與國際有較明顯的差距。
目前國際汽車企業電池成組技術較為成熟，國內研究單位在BMS電磁兼容技術、信號的精確測量技術、電池狀態精確估計、電池均衡控制技術等方面開展了較為深入研[2]。
中國目前部分企業已成功開發智慧電表，可以替代國外際電流、電壓、絕緣傳感器。影響電動汽車推廣應用的首要因素，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，電池模組化技術、電池成組技術（整合電池配組、熱管理、碰撞安全、電安全等），也與國際有較明顯的差距。
目前國際汽車企業電池成組技術較為成熟，國內研究單位在BMS電磁兼容技術、信號的精確測量技術、電池狀態精確估計、電池均衡控制技術等方面開展了較為深入研[2]。
電池電管理關鍵技術研發包括綜合電池電化學模型、電氣安全設計、電池狀態估計、均衡管理、故障診斷與標定，以及充電管理等方面。
電池熱管理關鍵技術，及系統研發，需根據電池組的結構設計，和電池產熱計算分析，研究不同熱管理技術的散熱均溫效果，得到成本低、製程簡單、安全可靠性強的電池熱管理散熱方案。
根電池結構輕量化，需以電池系統，及整車的相關結構，為研究對象，考慮相互間的耦合特性，從結構設計優化，與材料選型兩個方面開展結構抗振、抗衝擊和輕量化的整合優化設計關鍵技術研究工作。
對零組件材料、結構設計、聯接等設計方案進行優化，電池安全性方面需在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎上，展開電池系統的安全性整體方案設計研究，針對電池系統開展故障診斷預測、熱安全監測預警和防控關鍵技術。
電池熱管理關鍵技術，及系統研發，需根據電池組的結構設計，和電池產熱計算分析，研究不同熱管理技術的散熱均溫效果，得到成本低、製程簡單、安全可靠性強的電池熱管理散熱方案。
根電池結構輕量化，需以電池系統，及整車的相關結構，為研究對象，考慮相互間的耦合特性，從結構設計優化，與材料選型兩個方面開展結構抗振、抗衝擊和輕量化的整合優化設計關鍵技術研究工作。
對零組件材料、結構設計、聯接等設計方案進行優化，電池安全性方面需在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎上，展開電池系統的安全性整體方案設計研究，針對電池系統開展故障診斷預測、熱安全監測預警和防控關鍵技術。
4. 展望
在未來相當長一段時間裡，鋰離子電池仍是最適用的電動汽車電池，錳酸鋰正極材料、三元體系正極材料、磷酸鐵鋰正極材料、複合碳負極材料、陶瓷塗層隔膜、電解質鹽，及功能電解液技術的發展，支撐了電池技術的進步和產業發展。
電池系統技術在應用中進步，安全性和可靠性，將在未來幾年得到進一步提升。
電池系統技術在應用中進步，安全性和可靠性，將在未來幾年得到進一步提升。
鋰離子動力電池的壽命模型，及模型影響參數的研究，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，成組電池優化快速充電方法研究等有待開展。
動力電池系統，應結合整車產品進行重新設計，並根據未來車用動力電池的需求，進行設計製造模式的升級，在動力電池基礎材料、電池製造和系統技術全產業鏈上，同時下功夫，提高產品品質，降低規模化生產成本，提升產業競爭力。
動力電池系統，應結合整車產品進行重新設計，並根據未來車用動力電池的需求，進行設計製造模式的升級，在動力電池基礎材料、電池製造和系統技術全產業鏈上，同時下功夫，提高產品品質，降低規模化生產成本，提升產業競爭力。
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