动力电池的技术现状及发展趋势

邢 妍，戴日辉

（1.中国电子系统工程第二建设有限公司设计总院，江苏 无锡 214115；2.海装沈阳局，黑龙江 哈尔滨 150078）

0 引 言

近期“碳达峰”“碳中和”等有关减少碳排放的热点词成为了国内外各行业讨论的焦点，汽车行业内的新能源汽车与减少碳排放相关，从全球范围来看，目前绝大部分汽车使用燃油作为动力，行驶过程排放大量CO2，显然在一定程度上阻碍了碳达峰目标的完成。为积极响应这一目标，部分欧美国家已经发布未来禁售燃油车的规定，我国也一直在积极推广新能源汽车，设置购买补贴，延长补贴期限，极大地促进了国内新能源汽车产业的健康有序发展。

据商务部数据统计，2020年我国新能源汽车销量约占汽车总销量的5.4%，而根据国务院通过的新能源汽车产业最新规划，2025年新能源汽车销量需占到25%左右，可见新能源汽车产业仍然具有很大的发展空间。动力电池作为新能源汽车的核心部件，占到整车成本的30%～40%。近年来，市场推动下动力电池在成本控制和能量密度提高等方面得到快速发展，这离不开动力电池技术的创新驱动[1]。动力电池在技术研发上的突破发展直接影响到新能源汽车在整个汽车市场的地位，有必要总结动力电池发展现状及未来发展方向，为动力电池技术研究提供可靠参考。本文整理与分析目前动力电池的主流技术，探讨未来动力电池发展方向以及技术创新路线。

1 动力电池的技术现状

1.1 动力电池分类

目前，市场上的新能源汽车中使用最多的动力电池有铅酸蓄电池、镍氢电池以及锂离子电池。其中，铅酸蓄电池目前主要应用于低速车和电动自行车等领域，在低端领域仍然占有较大市场份额，但是存在污染大和能量密度低等问题，不再是汽车动力电池的研究方向[2]。镍氢电池在锂离子电池技术不成熟时期一度成为新能源汽车电池的主选方案，但是随着锂离子电池技术的发展，其各方面性能相比均存在不小劣势，目前主要运用于电动工具领域，在新能源汽车市场领域也已逐步淘汰[3]。

锂离子电池是新能源汽车动力电池中应用最广泛的一种，其相比前述两种电池存在巨大优势。表1为3类电池技术特点对比情况，由表1可知锂离子电池在能量密度、寿命以及记忆效应等方面具有明显优势，已经成为汽车动力电池的主流选择，因此本文以下分析总结内容将主要针对锂离子电池[4]。

表1 3类电池性能及用途对比情况

1.2 锂离子电池分类

根据电极材料的选择，锂离子电池可分为三元锂、磷酸铁锂、锰酸锂以及钛酸锂等4类。表2简要概括了当前主流锂离子电池的技术特点及应用领域，由表2可知，磷酸铁锂电池因其成本低和稳定性高等优点，在客车装机量上具有明显优势，三元锂电池则在乘用车领域占据主导地位[5]。

表2 4类锂离子动力电池技术现状总结

据中国汽车动力电池产业创新联盟数据统计，2021年1月—2021年3月国内三元锂电池和磷酸铁锂电池销量分别占动力电池总销量的46.67%和53.25%，合计占总产量的99.9%以上，而锰酸锂和钛酸锂电池销量仅占比0.06%和0.03%，如图1所示。因此可以说动力电池的发展与技术创新基本集中在三元锂和磷酸铁锂两类技术路线电池上。

图1 不同正极材料动力电池的销量占比

1.3 锂离子电池技术发展

下面介绍两种主流路线电池技术发展状况，首先磷酸铁锂电池在成本控制、安全性以及循环寿命等方面具有明显优势，大范围运用于客车和公交车等新能源汽车上。目前，市场上常见的电池能量密度约为130 W·h/kg，相比三元锂电池，其能量密度略显不足。

2020年之前，国内一致不看好磷酸铁锂电池在乘用车领域的运用，认为其由于能量密度限制原因将逐渐退出乘用车市场，磷酸铁锂电池厂商代表比亚迪也逐步在其量产新车上配备三元锂电池，但进入2020年以后，整机商综合考虑汽车成本和安全性等多重因素后，开始面向市场发布配备磷酸铁锂电池的新车。因此，磷酸铁锂电池装机量在2020全年和2021年统计中均有明显进步。

磷酸铁锂电池的技术进步与市场回暖离不开一直致力于研发的代表厂商比亚迪。2020年，比亚迪重磅发布刀片电池（图2），新型电池包减少了冗余模组，将比质量能量密度提升至140 W·h/kg，大幅提升体积利用率，并且相比传统技术减少20%～30%的成本。刀片电池首发搭载至比亚迪旗舰汉EV车型，续航里程达600 km，此外电池包还可顺利通过针刺试验，相比三元锂电池包安全性更高[6]。

图2 比亚迪刀片电池

三元锂电池具有能量密度高和体积小等独特优势，在电动乘用车领域一直属于霸主地位。其主要分为两种技术路线，一种是国内厂商宁德时代主导开发的NCM（镍钴锰）技术路线，另一种是特斯拉提供的NCA（镍钴铝）技术路线，由日本松下负责研发。

NCM电池根据各组分相对含量已发展至最新的NCM811，即大幅提高镍含量，增加比能量密度。宁德时代最新的NCM811电池产品能量密度已经突破300 W·h/kg。NCA电池由特斯拉和松下联合开发，采用圆柱封装电池，其生产效率高，成本低，电池最新型号为21700型，能量密度达300 W·h/kg。

虽然三元锂电池在乘用车领域占据主流市场，但仍然存在亟需解决的几大问题，具体概括如下。一是热稳定性能差，当汽车遭遇如热失控、碰撞挤压以及充放电等特殊状况时，电池包内部出现短路，瞬时积累大量热量，引发电池包起火[7]。由于三元锂电池热稳定性差，因此电池包起火事故偶见报道，如今消费者对电池使用安全性愈发重视，动力电池厂商需引起足够重视。二是成本高，上文提及三元锂电池的高成本一定程度上影响了其在乘用车领域的装机量，为此电池厂商也在做技术创新，如宁德时代和蜂巢能源等采用CTP技术，直接将电芯集成至电池包，减少零部件数量，增加体积利用率，大幅降低电池制造成本。三是循环寿命短，三元锂电池循环寿命相比磷酸铁锂和钛酸锂电池偏短，不少厂商采用软包叠片式电池封装路线，有利于改善电池包安全性和循环寿命[5]。

2 动力电池的发展趋势

2.1 新型动力电池发展方向

2.1.1 固态锂电池

相比于传统液态锂离子电池，固态锂电池是用固态电解质代替有机电解质，在大幅度提升其安全性和能量密度的同时，还可以有效降低新能源汽车的安全隐患和续航里程的问题[8-9]。推出首款容量为150 kW·h的固态电池包，能量密度达360 W·h/kg，续航里程达1000 km，预计于2022年底上市。据悉此电池采用混合固液电解质，非真正意义上的全固态电池，如研发成功也是固态锂电池技术上的一次飞跃。

2.1.2 燃料电池

燃料电池通过电化学反应将燃料化学能直接转换成电能，为一种高效发电装置，其能量转换率高，可基本实现零排放，非常适用于当前社会对于低碳和绿色等发展的要求，具有较大发展前景。目前，氢燃料电池在国内有一定的发展基础，但是供应链还不完整，基础材料和关键部件上严重依赖进口，另外氢气的制备、存储以及运输等技术还不成熟，其高成本使得自身还不完全具备商业价值[10]。

2.2 电池技术发展趋势

动力电池技术相比10年前发展迅速，在提高能量密度、延长循环寿命以及成本控制等方面取得了重大成果。本文通过调研文献资料并结合自身理解，提出以下3点动力电池技术发展趋势。

一是动力电池技术发展及更新迭代速度加快，竞争越来越激烈，有望形成技术壁垒，加速淘汰落后产能，行业集中度愈发明显。据中国汽车动力电池产业创新联盟数据统计，动力电池装机量前10名厂商如图3所示，这些电池企业占据总装机量的91.8%，其中宁德时代的装机量遥遥领先第二名，霸主地位仍难撼动。

图3 中国动力电池企业装车辆量分布情况

二是大力推进电池成本降低，促进新能源汽车产业健康快速发展。目前，国内已形成一套较为完整的新能源汽车产业链，但电池包成本仍处于较高水平，相比同等级燃油车，电动车成本明显高出不少。现阶段电池企业提出的无钴锂电池方案和CTP封装路线均有利于降低电池成本，未来有望在原材料和模块化封装路线上取得重大突破，再次大幅降低成本，使得电动汽车真正实现市场化发展，赢得消费者信赖[11]。

三是电池高安全性和高能量密度同步并进。当前NCM811三元锂电池包采用高镍方案，这在一定程度上提高了电池包能量密度，但是在安全性方面却大打折扣，镍含量的提高降低了电池循环性能和稳定性，高镍电池在极端情况下容易出现热失控，从而影响电池及整车安全性。据悉后续镍含量达90%的电池将实现量产，在增加能量密度同时也需着重考虑使用稳定性。

3 结 论

本文从技术层面以及市场需求等方面对新能源汽车动力电池进行了分析，比对不同类型动力电池的优缺点，并对动力电池技术产业的未来发展趋势进行展望。目前新能源动力电池仍处于上升阶段，技术尚未完善，需要更多的优化创新，同时也需要兼顾电池包的综合性能，如高能量密度和电池稳定性。

随着国内新能源政策的进一步推动，有理由相信动力电池技术将在未来实现进一步的突破和创新发展。创新驱动发展，各大电池企业也应适应时代潮流，增加研发投入，吸引更多人才投入电池技术研究，多维度攻关电池技术，实现动力电池技术的快速发展。动力电池的低成本化、高能量密度、高安全性以及长循环寿命等发展趋势将逐步实现，相信更加理想化的动力电池前景可待，未来可期。