動力電池行業(yè)正步入一個前所未有的變革時代，其技術(shù)創(chuàng)新與材料革新的核心始終圍繞安全性這一基石展開，同時高能量密度與高倍率性能成為行業(yè)競相追逐的兩大目標。近年來，動力鋰電池領(lǐng)域經(jīng)歷了材料、配方、結(jié)構(gòu)等方面的飛速演進，涌現(xiàn)出高壓技術(shù)、硅基負極、高鎳配比、摻錳設(shè)計、去鈷趨勢、半固態(tài)形態(tài)、低溫控制優(yōu)化及快充技術(shù)等多元化創(chuàng)新路徑。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新產(chǎn)品競相綻放，以寧德時代麒麟電池、比亞迪刀片電池、特斯拉4680電池等為代表，各自以其獨特的優(yōu)勢引領(lǐng)著市場潮流。這些創(chuàng)新不僅體現(xiàn)在電池結(jié)構(gòu)的精妙設(shè)計，更深入到電芯技術(shù)的深刻變革之中。
縱觀2023年動力電池創(chuàng)新技術(shù)，快充、安全性、能量密度、減重是貫穿始終的關(guān)鍵詞。
安全性
安全性是新能源汽車大規(guī)模推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)，從各大廠商的創(chuàng)新產(chǎn)品來看，安全性都放在了核心的關(guān)鍵位置；安全性也是電芯化學(xué)體系創(chuàng)新和物理結(jié)構(gòu)變革的首要考慮因素。
如廣汽埃安的彈匣電池、長安汽車的金鐘罩電池、巨灣技研鳳凰電池在阻熱材料和滅火系統(tǒng)上均有創(chuàng)新；
寧德時代凝聚態(tài)電池則針對電芯內(nèi)部的電化學(xué)材料進行分子結(jié)構(gòu)的處理，有效抑制熱失控帶來的膨脹、爆炸風(fēng)險。
快充性能
其次是快充性能，油車相較于電車一大優(yōu)勢就是能快速補能，因此幾乎所有的車企和動力電池廠商都在快充方面開展研究。如華為的巨鯨電池采用800V電壓平臺，可支持15分鐘充電續(xù)航400公里；巨灣技研的鳳凰電池使電動汽車具備在全天候（高低溫）條件下均如常運行并在300-1000伏不同電壓平臺上均可實現(xiàn)最高8C極速充電的能力，0-80%充電時間僅為6分鐘；欣旺達快充電池可支持10分鐘充電至80%；寧德時代神行電池作為全球首個磷酸鐵鋰4C快充電池，支持充電10分鐘續(xù)航400公里。
能量密度
第三個是能量密度。解決新能源汽車續(xù)航里程的重要舉措就是提升動力電池能量密度，包括重量能量密度和體積能量密度兩個方面；從今年新發(fā)布的電池技術(shù)來看，從寧德時代、中創(chuàng)新航、欣旺達等電芯企業(yè)，到長安、廣汽等車企，再到華為這一類跨界企業(yè)，在三元和鐵鋰上進行能量密度突破是共同追求。
寧德時代凝聚態(tài)電池可適配硅基負極材料和高鎳三元材料，能量密度可突破500Wh/kg，已達到航空級別的能量密度。
趨勢一：正極材料朝高鎳化發(fā)展，逐步降低鈷、錳含量
三元鋰電池的正極材料通常由鎳鈷錳或鎳鈷鋁組成。在鎳、鈷、錳（鋁）等金屬原材料中，鈷資源較為稀缺且分布不均，目前中國已探明鈷儲量約8萬噸，僅占全球總儲量約1%，高度依賴進口。隨著新能源汽車的爆發(fā)，鈷價也隨之水漲船高。因此，降低三元材料中鈷的含量對正極廠商整體成本控制至關(guān)重要。
鈷在三元電池中起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，并不參與電化學(xué)反應(yīng)；鎳的作用在于提高材料的體積能量密度。所以在高鎳的同時，降低鈷含量，是提升電池能量密度和降低成本的好方法。松下、LG、寧德時代等主流動力電池企業(yè)都把低鈷及無鈷化電池作為下一代動力電池研發(fā)方向。但三元電池真正去鈷后的安全性、電解液匹配等技術(shù)難題仍有待突破。目前NCM811（鎳鈷錳的含量比例為8:1:1）是已實現(xiàn)量產(chǎn)的鈷含量最低的鎳鈷錳三元電池。
趨勢二：硅基等負極材料是未來發(fā)展方向
硅碳與硅氧為主要技術(shù)路線
負極材料是鋰離子電池的核心材料之一，鋰離子電池性能提高一定程度上取決于對負極材料性能的改善。鋰電池負極主要分為碳材料和非碳材料兩大類。目前負極材料市場依舊保持以人造石墨為主，天然石墨為輔的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。
從技術(shù)層面來看，石墨負極材料的容量上限已無法滿足電動汽車更高能量密度的需求，硅是提升動力電池能量密度的關(guān)鍵。目前，硅基材料的主要發(fā)展方向是硅碳復(fù)合材料與硅氧復(fù)合材料。
隨著動力電池能量密度要求的提高，硅碳負極搭配高鎳三元材料的體系成為發(fā)展趨勢。如特斯拉的4680電池使用的就是高鎳正極＋硅碳負極材料。寧德時代、松下、LG、億緯鋰能等電池企業(yè)均在4680電池技術(shù)上有產(chǎn)能規(guī)劃。4680大圓柱和快充技術(shù)也有望加速硅基負極的應(yīng)用。
趨勢三：動力電池結(jié)構(gòu)向大模組
無模組方向創(chuàng)新
除材料迭代以外，結(jié)構(gòu)革新是動力電池另一條重要的技術(shù)發(fā)展路徑。傳統(tǒng)新能源汽車動力電池系統(tǒng)一般是“電芯-模組-電池包”三級裝配模式。但模組配置方式的空間利用率只有40%，很大程度限制了其它部件的空間。因此各大廠商在電芯、模組、封裝方式等方面進行結(jié)構(gòu)上的改進和精簡，以提升電池的系統(tǒng)性能。電池一體化（CTP、CTC、CTB）的發(fā)展逐漸成為行業(yè)的重點研究、應(yīng)用方向。
CTC作為最新一代電池系統(tǒng)技術(shù)，在特斯拉等企業(yè)的助推下，正在從開發(fā)設(shè)計步入量產(chǎn)階段。什么是CTC技術(shù)？簡單來說就是將電芯直接集成于車輛底盤，從而達到減少零部件數(shù)量、節(jié)省空間、降低車身重量等效果。早在2020年8月，寧德時代就率先提出了CTC概念；2020年9月，特斯拉在電池日上同時發(fā)布了4680大圓柱電芯、CTC技術(shù)和一體化壓鑄技術(shù)，并將CTC概念推向高潮。
按照計劃，寧德時代將在2025年實現(xiàn)集成化CTC，2030年實現(xiàn)智能化CTC。寧德時代董事長曾毓群表示，公司的CTC技術(shù)將電芯與車身、底盤、電驅(qū)動等集成一體，使行駛里程突破1000公里、百公里電耗降至12度以下。CTC是未來電池技術(shù)方案發(fā)展的重要方向，將帶來產(chǎn)業(yè)上下游重構(gòu)。
趨勢四：動力電池技術(shù)路線呈多元化發(fā)展
動力電池創(chuàng)新，要從電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新逐步發(fā)展到材料體系創(chuàng)新。這是一個更加復(fù)雜、更需要時間積累的領(lǐng)域，也是全球動力電池創(chuàng)新的制高點。
液態(tài)電池與固態(tài)電池并存
當(dāng)前主流動力電池仍以液態(tài)電池為主，但固態(tài)電池以其高安全性、高能量密度和長壽命等優(yōu)點被認為是下一代動力電池的理想選擇。預(yù)計未來幾年內(nèi)，固態(tài)電池技術(shù)將取得顯著進展并逐步商業(yè)化。
多種技術(shù)路線并行發(fā)展
除了上述提到的CTP/CTC/CTB技術(shù)、高鎳正極材料、硅基負極材料等技術(shù)外，還有如鋰硫電池、鋰空氣電池等多種技術(shù)路線在并行發(fā)展。這些技術(shù)各有優(yōu)缺點，未來會根據(jù)應(yīng)用場景和市場需求的不同而有所側(cè)重。
動力電池作為其核心組件，其標準和規(guī)范也在不斷升級與完善。這些升級旨在更好地保障電池的安全性、提升性能、延長使用壽命，并促進整個行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
GB 38031-2020《電動汽車用動力蓄電池安全要求》
2024年5月27日，工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)一司發(fā)布GB 38031《電動汽車用動力蓄電池安全要求》（征求意見稿）。新標準對熱擴散分析及驗證、電池單體充電后安全、電池包或系統(tǒng)底部防護等方面的主要技術(shù)標準做出了新的要求。
① 適用范圍
明確：標準僅適用于電動汽車用鋰離子電池和鎳氫電池等可充電儲能裝置動力蓄電池。
明確對于不為電動汽車提供動力的蓄電池，如整車12V低壓鋰離子電池等，不需要滿足此標準。
② 單體快充安全
增加：對于從20%SOC至80%SOC充電不超過15min的電池單體，重復(fù)300次快充循環(huán)后進行外部短路試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。
③ 交流電路絕緣電阻
明確：對于電池包或系統(tǒng)的振動、機械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、底部撞擊等保護類測試，在“試驗后的絕緣電阻應(yīng)不小于100 Ω/V”基礎(chǔ)上，增加“若有交流電路，絕緣電阻應(yīng)不小于500Ω/V”要求。
在 GB 7258-2017《機動車運行安全技術(shù)條件》、GB 18384-2020 《電動汽車安全要求》、GB/T 31498-2021《電動汽車碰撞后安全要求》等法規(guī)中，均提出了交流電路500Ω/V的要求（即絕緣電阻Ri除以最大工作電壓）。
④ 車身結(jié)構(gòu)件參與試驗
明確：對于安裝在車體內(nèi)部的電池包或系統(tǒng)（如HEV電池），允許攜帶車身結(jié)構(gòu)件進行擠壓試驗。允許起保護作用的車身結(jié)構(gòu)參與選擇電池包或系統(tǒng)的底部撞擊試驗。
2020版強標已明確外部火燒試驗可攜帶車身結(jié)構(gòu)，本次修訂進一步明確擠壓、底部撞擊試驗也可以攜帶車身結(jié)構(gòu)件。
⑤ 熱擴散
修訂：電池包或系統(tǒng)在單個電池因內(nèi)部短路引發(fā)的熱失控后 → 應(yīng)在不晚于熱失控發(fā)生后的5min提供一個熱事件報警信號 → 在發(fā)出熱事件報警信號之前以及發(fā)出熱事件報警信號之后的5min內(nèi)無可見煙氣進入乘員艙 → 不起火、不爆炸（至少觀察2h）。
如下述三種推薦方法均不會造成電池?zé)崾Э兀芍苯油ㄟ^試驗。
增加：觸發(fā)熱失控的推薦方法，在現(xiàn)有針刺、外部加熱兩個方案基礎(chǔ)上，新增內(nèi)部加熱觸發(fā)方法，通過在電池單體內(nèi)部布置加熱片引發(fā)局部短路觸發(fā)單體熱失控。
修訂：針刺觸發(fā)熱失控方法中，針刺速度由“0.1mm/s~10mm/s”修訂為“0.1mm/s~1mm/s”。
明確：觸發(fā)電池單體熱失控后，在試驗環(huán)境溫度下至少觀察2h，且所有監(jiān)測點溫度均不高于60 ℃，結(jié)束試驗。
⑥ 底部撞擊
增加：電池包/系統(tǒng)或整車底部撞擊后，應(yīng)無泄漏、外殼破裂、起火或爆炸現(xiàn)象。
底部撞擊主要是模擬飛石等異物從車輛下方向上撞擊電池的場景，測試撞擊頭為直徑30mm的鋼質(zhì)半球形，撞擊方向+z方向，撞擊位置涵蓋電池前、中、后部，撞擊能量150 J。
GB/T 31486《電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法》
新規(guī)刪除了現(xiàn)行版本的所有模塊（1P5S）測試項目，全部改為單體測試，以應(yīng)對CTP/CTC/CTB等一體化無模組設(shè)計形態(tài)。
在放電電流方面，新規(guī)將所有測試項目都調(diào)整為3h率放電電流，約相當(dāng)于原1h率放電電流的1/3，更符合實際使用場景。
此外，新規(guī)還刪除了耐振動測試，修訂了各測試項目的測試環(huán)境、容量限值要求，并增加一致性測試，要求所有樣本容量和能效的極差（最大值和最小值之差）/平均值≤5%。
隨著行業(yè)競爭的日益激烈與技術(shù)革新的不斷加速，企業(yè)的研發(fā)邊界正逐步拓寬。除了對電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電芯技術(shù)的持續(xù)升級外，更具成本效益、創(chuàng)新力和前瞻性的技術(shù)，如鈉離子電池、半固態(tài)電池乃至固態(tài)電池等，正逐步從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化，預(yù)示著未來電池技術(shù)的無限可能。然而，這些前沿技術(shù)目前仍處于大規(guī)模量產(chǎn)的前夜，尚未達到“顛覆”現(xiàn)有動力電池產(chǎn)業(yè)格局的臨界點。
在此背景下，傳統(tǒng)材料逐漸顯露出其局限性，難以滿足電池成本降低與能量密度提升的雙重需求。因此，材料和化學(xué)體系的創(chuàng)新日益成為電池產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)構(gòu)建核心競爭力的關(guān)鍵所在。未來，誰能在材料科學(xué)與化學(xué)體系上實現(xiàn)突破性進展，誰就有可能在這場動力電池的變革浪潮中占據(jù)先機。
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