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編者按： 本文將從物理和化學途徑聊一下動力電池性能提升空間，并對動力電池未來發(fā)展趨勢進行展望。

自2009年以來，我國大力扶持發(fā)展新能源汽車。隨著產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，目前新能源汽車的產(chǎn)銷量已有了大幅提高。但受制于動力電池產(chǎn)品性能、質(zhì)量和成本，目前新能源汽車還未實現(xiàn)大范圍普及。本文將從物理和化學途徑聊一下動力電池性能提升空間，并對動力電池未來發(fā)展趨勢進行展望。

物理途徑

01圓柱電池

目前最成熟的技術就是18650電池，即通常所說的5號電池。特斯拉汽車的動力電池就是由7623顆5號電池串并聯(lián)組成。圓柱形電池由自動化設備卷繞而成，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)流程標準化，普及率高。但是圓柱形電池也有其天生缺陷，因為體積小，所以單體容量較小，且在高強度放電時，發(fā)熱量大；使用壽命短，電池循環(huán)次數(shù)在1000次左右。

針對18650電池的缺點，特斯拉采取增大電芯尺寸的方式加以改進，例如特斯拉Model3中用20700替代18650電芯，20700電池增加的尺寸大概為10%，而體積和能量儲存提升了1.33倍。20700電芯量產(chǎn)后，其動力電池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%?？梢姡瑘A柱電池的發(fā)展已經(jīng)做到極致，再往上提升的空間不大。

02方形電池

方形鋰電池，顧名思義，其形狀為方形，方便疊加，也方便置于汽車之中。其外殼通常是鋁制殼或鋼制作殼。其特點是結(jié)構(gòu)簡單、能量密度高，國內(nèi)普及率高。方形電池多采用卷繞式或疊片式工藝，制造效率高，安全性好。隨著新能源汽車工業(yè)的發(fā)展，未來新能源汽車也將如現(xiàn)在的常規(guī)能源汽車一樣大規(guī)模生產(chǎn)，這就涉及到標準化問題。現(xiàn)在的傳統(tǒng)燃油汽車，大多數(shù)零部件大多采用標準件，全球通用，這樣一來不僅降低了制造成本，也降低了研發(fā)成本。未來的大趨勢是全球采取統(tǒng)一尺寸，統(tǒng)一規(guī)格的方形電池。這將極大的推動動力電池的發(fā)展。降低動力電池的生產(chǎn)成本及研發(fā)成本，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展。美國卡內(nèi)基梅隆大學的研究成果也證明：圓柱形電池進一步降低成本的空間很小，而方形電池則有很大的潛力。

03軟包電池將如現(xiàn)在的常規(guī)能

軟包電池，又稱聚合物鋰電池，其內(nèi)部使用高分子膠態(tài)或固態(tài)電解質(zhì)，區(qū)別于電解液。其電池形狀不固定，可以根據(jù)實際需求制作成各種形狀。目前在蘋果手機電池中廣泛使用。軟包電池目前價格昂貴，主要因為高分子電解質(zhì)成本較高，其外包裝材料不同于普通電池，為鋁塑復合膜。其正負極材料與傳統(tǒng)鋰電池一樣。

由于采用鋁塑膜包裝，其安全性能得到較好提升，發(fā)生安全問題時，軟包電池一般會鼓氣裂開，而不會發(fā)生爆炸；軟包電池的優(yōu)點還包括：質(zhì)量輕、自耗電小、循環(huán)壽命長等。但是，軟包電池也有缺點，比如一致性差，成本高，容易漏液。作為一種新型動力電池，軟包電池未來提升空間很大。

04 物理途徑小結(jié)

對比分析以上提升動力電池性能的物理途徑來看，圓柱電池的發(fā)展已經(jīng)遇到天花板，未來提升空間不大；軟包電池與方形電池將來會有較大的競爭力。動力電池降成本的重要途徑就是標準化與模塊化。未來全國動力電池若能建立統(tǒng)一標準、統(tǒng)一規(guī)格、統(tǒng)一形狀、統(tǒng)一尺寸以及批量生產(chǎn)，相信動力電池的生產(chǎn)效率將大幅提升，成本將大幅下降。例如，當年福特發(fā)明的標準化生產(chǎn)方式讓汽車的價格從2000美金降到了300 美金。在未來大規(guī)模使用新能源汽車過程中，方形電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ?。它可以讓全國的新能源汽車都采用統(tǒng)一標準的方形電池，續(xù)航里程大的純電動汽車，方形電池可以疊加得多一些，續(xù)航里程短的混動汽車，方形電池可以疊加得少一些。電池封裝系統(tǒng)也可以全國統(tǒng)一標準，依據(jù)動力電池容量的不同，分別采取相應的電池封裝技術，將方形電池封裝起來。將方形電池與封裝技術結(jié)合起來，形成全國統(tǒng)一標準的方形電池封裝技術，將極大的降低動力電池的生產(chǎn)成品，提升動力電池性能。助力中國汽車工業(yè)實現(xiàn)彎道超車，達到世界頂尖水平。

化學途徑

01高鎳NCM 與NCA 正極材料

正極材料是動力電池能量的短板，只要正極材料比容量提高就能提高電池能量密度。正極材料的比容量一般為100-200mAh/g，而石墨負極材料的比容量高達400mAh/g。采用高容量的正極材料，能夠讓負極、隔膜、電解液用量之間的搭配更加完美，電池最終能量密度的提升直接取決于正極材料比容量的提升。動力電池能量密度突破的關鍵就在于正極材料。

目前國內(nèi)NCM111 和NCM 523 型三元正極材料產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)，并開始大規(guī)模使用，而新型622NCM 則已逐步在部分動力電池企業(yè)中推廣，未來將逐步拓展至811NCM 以及NCA 材料。當然三元鋰電池也有自己的瓶頸，它的正極理論比容量的最大值是300mAh/g，達到300mAh/g就已經(jīng)是極限。三元鋰電池是目前動力電池廠商主攻的方向，未來將有新型的正極材料系統(tǒng)。

02 硅碳負極

動力電池的負極材料主要是硅碳負極，即在石墨材料加入硅，其理論能量密度高達4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3 中采用了新型硅碳負極材料，特斯拉在傳統(tǒng)石墨負極材料中加入10%的硅，使其能量密度達到550mAh/g 以上。國內(nèi)貝特瑞公司研發(fā)的S1000 型號硅碳負極材料的比容量更是高達1050mAh/g。負極材料目前沒有技術瓶頸，完全能滿足動力電池的各種需求。

03 隔膜性

隔膜在單體電池上主要用來隔開正負極，讓電解液能夠通過隔膜在正負極之間交換物質(zhì)。受制于電池體積所限，以及提高電池能量密度的要求，動力電池隔膜需要盡量輕、薄。隔膜性能決定了電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、內(nèi)阻等，直接影響電池容量、安全性能等。優(yōu)質(zhì)隔膜對提升電池性能作用巨大。

隔膜技術有干法與濕法兩種制造工藝，干法成本較低但只適合小功率電池，濕法成本高但能適合大功率電池。早期，動力電池主要采用干法隔膜，目前濕法隔膜開始推廣使用，預計2020 年干濕法薄膜技術各占一半，分別應用于中低端與高端領域。隔膜工藝的核心技術掌握在日本旭化成公司手中。中國有大量企業(yè)生產(chǎn)隔膜，但無核心技術。旭化成干法現(xiàn)在可量產(chǎn)12 微米隔膜，濕法可量產(chǎn)6-7 微米。國內(nèi)企業(yè)大多只能生產(chǎn)干法20-40 微米隔膜。對比與隔膜行業(yè)世界一流水平企業(yè)的差距，我國企業(yè)應該引進先進工藝設備，苦練內(nèi)功，力爭取得突破。

04 新型電解液LiFSI

鋰電池電解液是電池中離子傳輸?shù)妮d體。一般由鋰鹽和有機溶劑組成。電解液在鋰電池正、負極之間起到傳導離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優(yōu)點的保證。電解液一般由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的。

鋰電池主要使用的電解質(zhì)是六氟磷酸鋰。用含氟鋰鹽制成的電池性能好，無爆炸危險，適用性強。在鋰電池電解質(zhì)中添加LiFSI 后，可提高離子導電率及電池充放電特性。比如，反復充放電300 次后，1.2MLiPF6 的情況下放電容量保持率會降至約60％，而在1.0MLiPF6 中添加0.2MLiFSI 后，保持率可超過80％。目前LiFSI 已經(jīng)進入商用，用此種電解質(zhì)廢棄電池處理工作相對簡單，對生態(tài)環(huán)境友好，因此該類電解質(zhì)的市場前景十分廣泛。

05 化學途徑小結(jié)

對比分析以上四種提升動力電池性能的化學途徑，未來提升動力電池比容量的關鍵點在正極材料。而正極材料目前是短板，補齊短板，動力電池的比容量提升將有質(zhì)的飛躍。目前，全球廠商均集中力量研究三元鋰動力電池，在鋰正極中主要是加入鎳、鈷、錳三元素。并不斷調(diào)配三種元素之間的比例以提升電池性能。未來更有前途的三元材料是鎳、鈷、鋁，不斷調(diào)配實驗這三種材料間的配比，將會獲得能量密度更大的三元鋰電池。新型三元鋰電池通過與硅碳負極的適配，再搭配新型電解液LiFSI，并用更薄的濕法薄膜包裹，將使得新型動力電池的能量密度更高、環(huán)境更友好、安全性更高以及循環(huán)壽命更長。

動力電池展望

現(xiàn)有體系下，電池能量密度的理論極限為300Wh/kg，如果要達到2025 年，新體系動力電池技術取得突破性進展，單體比能量達500Wh/kg，有前景的方案包括固態(tài)鋰電池、鋰硫電池和鋰空氣電池等新的電化學體系電池。

固態(tài)電池大規(guī)模商用的可能性最高，因為固態(tài)鋰電池和液態(tài)鋰電池在工作原理上并無區(qū)別，只是電解質(zhì)為固態(tài)與液態(tài)的區(qū)別。由于固態(tài)電池不再使用石墨負極，而是直接使用金屬鋰負極，所以大大減輕負極材料用量，使得整個電池的能量密度明顯提高。目前實驗室已試制出能量密度為300-400Wh/kg 的全固態(tài)電池，安全性能也比較高，不過該種電池體積較小，成本較高，目前僅在蘋果手機等高端小巧設備上有應用。

鋰硫電池的能量密度最高，目前實驗室試制的鋰硫電池比能量密度可達500Wh/kg，硫作為正極材料理論比能量高達2600Wh/kg，且單質(zhì)硫成本低、對于環(huán)境友好，但是，鋰硫電池在試制過程中有諸多技術難題無法突破，包括安全性、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性等。鋰硫電池應用前景廣闊，環(huán)境友好，如果試制成功，無異于一場革命，新能源汽車將會迅速取代傳統(tǒng)燃油汽車。

鋰空氣電池的續(xù)航里程最長，單次續(xù)航里程可達2000 公里，不僅如此，鋰空氣電池比能量有望超過700Wh/kg。金屬空氣電池是以金屬為燃料，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化還原反應而產(chǎn)生電能的一種特殊燃料電池。鋰空氣電池的比能量是鋰離子電池的10 倍，體積更小，重量更輕。但是鋰金屬過于活潑，碰見水蒸汽馬上會發(fā)生劇烈氧化還原反應，其安全性、穩(wěn)定差。鋰空氣電池的應用還有諸多技術難關要攻克。

原標題：技術分析：從物理及化學角度分析如何提升動力電池性能