動(dòng)力電池行業(yè)正步入一個(gè)前所未有的變革時(shí)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(shí)高能量密度與高倍率性能成為行業(yè)競(jìng)相追逐的兩大目標(biāo)。近年來，動(dòng)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(jìn)，涌現(xiàn)出高壓技術(shù)、硅基負(fù)極、高鎳配比、摻錳設(shè)計(jì)、去鈷趨勢(shì)、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(jìng)相綻放，以寧德時(shí)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)著市場(chǎng)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(jì)，更深入到電芯技術(shù)的深刻變革之中。
縱觀2023年動(dòng)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(zhǎng)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(shí)代凝聚態(tài)電池則針對(duì)電芯內(nèi)部的電化學(xué)材料進(jìn)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(xiǎn)。
快充性能
其次是快充性能，油車相較于電車一大優(yōu)勢(shì)就是能快速補(bǔ)能，因此幾乎所有的車企和動(dòng)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(tái)，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(dòng)汽車具備在全天候（高低溫）條件下均如常運(yùn)行并在300-1000伏不同電壓平臺(tái)上均可實(shí)現(xiàn)最高8C極速充電的能力，0-80%充電時(shí)間僅為6分鐘；欣旺達(dá)快充電池可支持10分鐘充電至80%；寧德時(shí)代神行電池作為全球首個(gè)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(gè)是能量密度。解決新能源汽車?yán)m(xù)航里程的重要舉措就是提升動(dòng)力電池能量密度，包括重量能量密度和體積能量密度兩個(gè)方面；從今年新發(fā)布的電池技術(shù)來看，從寧德時(shí)代、中創(chuàng)新航、欣旺達(dá)等電芯企業(yè)，到長(zhǎng)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(jìn)行能量密度突破是共同追求。
寧德時(shí)代凝聚態(tài)電池可適配硅基負(fù)極材料和高鎳三元材料，能量密度可突破500Wh/kg，已達(dá)到航空級(jí)別的能量密度。
趨勢(shì)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(chǔ)量約8萬噸，僅占全球總儲(chǔ)量約1%，高度依賴進(jìn)口。隨著新能源汽車的爆發(fā)，鈷價(jià)也隨之水漲船高。因此，降低三元材料中鈷的含量對(duì)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(shí)，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(shí)代等主流動(dòng)力電池企業(yè)都把低鈷及無鈷化電池作為下一代動(dòng)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(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的鈷含量最低的鎳鈷錳三元電池。
趨勢(shì)二：硅基等負(fù)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(fù)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(duì)負(fù)極材料性能的改善。鋰電池負(fù)極主要分為碳材料和非碳材料兩大類。目前負(fù)極材料市場(chǎng)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(fù)極材料的容量上限已無法滿足電動(dòng)汽車更高能量密度的需求，硅是提升動(dòng)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(dòng)力電池能量密度要求的提高，硅碳負(fù)極搭配高鎳三元材料的體系成為發(fā)展趨勢(shì)。如特斯拉的4680電池使用的就是高鎳正極＋硅碳負(fù)極材料。寧德時(shí)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(fù)極的應(yīng)用。
趨勢(shì)三：動(dòng)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(dòng)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(dòng)力電池系統(tǒng)一般是“電芯-模組-電池包”三級(jí)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(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)和精簡(jiǎn)，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(diǎn)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(jì)步入量產(chǎn)階段。什么是CTC技術(shù)？簡(jiǎn)單來說就是將電芯直接集成于車輛底盤，從而達(dá)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(shí)代就率先提出了CTC概念；2020年9月，特斯拉在電池日上同時(shí)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(jì)劃，寧德時(shí)代將在2025年實(shí)現(xiàn)集成化CTC，2030年實(shí)現(xiàn)智能化CTC。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群表示，公司的CTC技術(shù)將電芯與車身、底盤、電驅(qū)動(dòng)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(shì)四：動(dòng)力電池技術(shù)路線呈多元化發(fā)展
動(dòng)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(gè)更加復(fù)雜、更需要時(shí)間積累的領(lǐng)域，也是全球動(dòng)力電池創(chuàng)新的制高點(diǎn)。
液態(tài)電池與固態(tài)電池并存
當(dāng)前主流動(dòng)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(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是下一代動(dòng)力電池的理想選擇。預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，固態(tài)電池技術(shù)將取得顯著進(jìn)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(fù)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(diǎn)，未來會(huì)根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)需求的不同而有所側(cè)重。
動(dòng)力電池作為其核心組件，其標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也在不斷升級(jí)與完善。這些升級(jí)旨在更好地保障電池的安全性、提升性能、延長(zhǎng)使用壽命，并促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
GB 38031-2020《電動(dòng)汽車用動(dòng)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(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池安全要求》（征求意見稿）。新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)熱擴(kuò)散分析及驗(yàn)證、電池單體充電后安全、電池包或系統(tǒng)底部防護(hù)等方面的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做出了新的要求。
① 適用范圍
明確：標(biāo)準(zhǔn)僅適用于電動(dòng)汽車用鋰離子電池和鎳氫電池等可充電儲(chǔ)能裝置動(dòng)力蓄電池。
明確對(duì)于不為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力的蓄電池，如整車12V低壓鋰離子電池等，不需要滿足此標(biāo)準(zhǔn)。
② 單體快充安全
增加：對(duì)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(jìn)行外部短路試驗(yàn)，應(yīng)不起火、不爆炸。
③ 交流電路絕緣電阻
明確：對(duì)于電池包或系統(tǒng)的振動(dòng)、機(jī)械沖擊、模擬碰撞、濕熱循環(huán)、底部撞擊等保護(hù)類測(cè)試，在“試驗(yàn)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(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》、GB 18384-2020 《電動(dòng)汽車安全要求》、GB/T 31498-2021《電動(dòng)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(yàn)
明確：對(duì)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(jìn)行擠壓試驗(yàn)。允許起保護(hù)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(yàn)。
2020版強(qiáng)標(biāo)已明確外部火燒試驗(yàn)可攜帶車身結(jié)構(gòu)，本次修訂進(jìn)一步明確擠壓、底部撞擊試驗(yàn)也可以攜帶車身結(jié)構(gòu)件。
⑤ 熱擴(kuò)散
修訂：電池包或系統(tǒng)在單個(gè)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(gè)熱事件報(bào)警信號(hào) → 在發(fā)出熱事件報(bào)警信號(hào)之前以及發(fā)出熱事件報(bào)警信號(hào)之后的5min內(nèi)無可見煙氣進(jìn)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(huì)造成電池?zé)崾Э兀芍苯油ㄟ^試驗(yàn)。
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(gè)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(yàn)環(huán)境溫度下至少觀察2h，且所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度均不高于60 ℃，結(jié)束試驗(yàn)。
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(chǎng)景，測(cè)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(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池電性能要求及試驗(yàn)方法》
新規(guī)刪除了現(xiàn)行版本的所有模塊（1P5S）測(cè)試項(xiàng)目，全部改為單體測(cè)試，以應(yīng)對(duì)CTP/CTC/CTB等一體化無模組設(shè)計(jì)形態(tài)。
在放電電流方面，新規(guī)將所有測(cè)試項(xiàng)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(shí)際使用場(chǎng)景。
此外，新規(guī)還刪除了耐振動(dòng)測(cè)試，修訂了各測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試環(huán)境、容量限值要求，并增加一致性測(cè)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(jìng)爭(zhēng)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(duì)電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與電芯技術(shù)的持續(xù)升級(jí)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(shí)驗(yàn)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(dá)到“顛覆”現(xiàn)有動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)格局的臨界點(diǎn)。
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(jìng)爭(zhēng)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(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，誰就有可能在這場(chǎng)動(dòng)力電池的變革浪潮中占據(jù)先機(jī)。
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