E说出来就懂了丨动力电池浅析，这篇文章就给你解释清楚了

【你说E就懂了】随着电动汽车发展多年，消费者常挂在嘴边的续航里程一直是车企面临的最大挑战在行业中。

从公里到公里、公里、公里的进步所带来的成果越来越明显。

特别是近年来，硅负极、CTP、CTC等动力电池相关技术相继落地，为车辆的电池寿命增添了一剂强心剂。

不过，这些技术对于普通用户来说还是有些陌生。

因此，本期E报我们将简要分析纯电动汽车动力电池的发展现状，以便您对这些技术有一个介绍性的了解。

纵观动力电池的发展历史，基本上只有两条发展路线。

我称之为“化学手段”和“物理手段”，即电池材料和电池装载技术的演变。

两种方法都有各自的优点。

下面我们就详细说说它们各自的特点。

“化学手段”——电池材料的演变。

目前我们常听到的动力电池分为：钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、镍钴锰酸锂（LiNiMnCoO2或NMC）、镍钴铝酸锂（LiNiCoAlO2或NCA）、磷酸铁锂（ LiFePO4)、钛酸锂(Li4Ti5O12)。

其中磷酸铁锂和镍钴锰酸锂（三元锂）是最常见的。

不过，虽然材料元素不同，但锂电池的整体内部结构是相同的。

一般来说，电池的结构按顺序分为正极材料、电解液、隔膜、负极材料。

前面提到的磷酸铁锂和镍钴锰酸锂都是电池的正极材料，是定位不同类型电池的标准，而负极材料则是石墨或硅。

那么它是怎样工作的？简单来说，锂电池的整个运行过程可以说是锂离子的“迁移”过程。

当电池的正极材料产生锂离子时，这些锂离子从正极游入电解液中，穿过电解液穿过隔膜中的小缠绕孔，移动到嵌入锂的负极，并且已经通过外电路逃逸了。

到达负极的电子结合在一起，保证正负极之间的电荷平衡，跑到外面的电子就是我们使用的电能。

因此，负极材料石墨具有多层结构，因此可以在层间间隙储存锂离子，就像冰箱的层层可以储存食物一样。

一般来说，电池的正极材料是决定电池整体能量密度和耐温性能的重要标准。

前面我们提到了目前市场上常见的磷酸铁锂和三元锂电池。

这两种电池正极材料哪个更好？我从几个方面来一一解释。

能量密度：磷酸铁锂<三元锂磷酸铁锂电池，全称磷酸铁锂锂离子电池，是指采用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。

三元锂电池的全称是“正极材料采用镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂等三元聚合物的锂离子电池。

其中磷酸铁锂电池由于其克容量和电压平台较低，而且磷酸铁锂颗粒本身并不致密，导致振实密度和压实密度较低，也就是说在相同体积条件下，自然容量较小，能量密度较低。

由镍、钴、锰组成，镍可以增加材料的可逆容量，决定电池内部材料的克容量（磷酸铁锂的理论克容量只有mAh/g，而三元材料镍）。

，钴和锰（NCM）约为mAh/g。

），因此三元材料电池可以具有更高的电池能量，就像全身肌肉发达的运动员比普通人更有力量一样，但如果其含量太高，物料的循环性能会变差。

钴可以使锂离子更容易脱嵌，提高材料的导电率，提高放电循环性能。

但钴的价格相对较高。

尤其是今年以来，钴价从每吨不足50万元回落。

涨到每吨55万元左右，含量过多会增加成本，降低性价比。

锰可以提高材料的安全性和稳定性，但含量过高会降低材料的克容量。

因此，目前很多公司都在使用它。

发展高镍电池（镍钴锰比例为8:1:1），提高镍含量，三元电池的能量密度会提高，但热稳定性会下降。

低温性能：磷酸铁锂。

<三元锂众所周知，磷酸铁锂电池在低温条件下的性能低于三元锂电池。

为什么是这样？首先，磷酸铁锂材料在常温下的电导率比三元材料低4个数量级。

尤其是在-20℃时，磷酸铁锂电池的容量只能达到常温的1/3，锂离子扩散系数较常温下降两个数量级。

当温度继续下降至-40℃时，磷酸铁锂只能维持常温容量的20%。

这主要是因为磷酸铁锂电池结构中相邻的FeO6八面体通过公共顶点连接，而这种结构的电导率很低，因此材料中锂离子的扩散速率很低。

速度很慢，因此充放电效率受到影响。

另外，在低温环境下，材料的活性降低，可移动的锂离子数量减少，导致低温性能较差。

但三元材料则不存在这个问题，因此在低温环境下。

，充电和放电影响较小。

不过这里需要提到的是，除了正极材料的差异之外，影响电池低温性能的另一个原因是电解液中存在高熔点溶剂，当温度过低时， 。

在一定的情况下，会发生一定的凝固现象。

如上所述，离子电池的充放电过程是锂离子通过电解液在电池正负极之间来回移动的过程。

因此，当电解液在低温条件下开始变稠、凝固时，锂离子电池在电解液中移动的阻力就会增大。

就像以前在充满水的游泳池里游泳，现在水变成了污泥，从而减少了锂离子电池的电量。

离子的移动速度导致部分锂离子无法穿透电池隔膜完成正负极的脱嵌和插入，降低了电池的充放电容量。

安全性能：磷酸铁锂>三元锂电池安全性方面，磷酸铁锂晶体中的P-O键非常稳定，不易分解，因此即使在高温或过充电时，也不会像钴锂那样崩塌或发热氧化物。

它形成强氧化性物质。

磷酸铁锂的分解温度约为℃，因此具有良好的安全性。

虽然过充时可能会发生燃烧爆炸，但其过充安全性相比普通液态电解质钴酸锂电池和三元电池有了很大的提高。

三元锂材料会在100华氏度左右分解。

而且化学反应更加剧烈，会释放出氧分子，电解液在高温作用下迅速燃烧，发生连锁反应。

磷酸铁锂仅在高温下分解，不会像三元锂材料那样释放出氧分子，因此燃烧不会那么剧烈。

硅碳负极材料除了正极材料之外，负极??材料也是决定电池能量密度的另一个标准。

目前，我们常见的电池均采用石墨作为负极材料。

这种材料储存锂离子有一定的局限性，只有mAh/g。

因此，如何增加电池容量成为改变电动汽车电池寿命的关键。

于是，经过不断的寻找和寻找，我终于发现了硅这个材料。

在储能特性方面，硅的储能容量是石墨的10倍以上，达到mAh/g。

采用硅电极的锂离子电池的使用寿命比采用石墨电极的锂离子电池长约30%。

然而，单质硅虽然容量大，但很容易膨胀。

硅材料在反应过程中的体积变化高达%，远大于现有碳材料12%的体积变化。

这不仅会导致硅料颗粒粉化、破碎。

，导致SEI膜的破坏和再生，消耗有限的锂离子。

此外，还会破坏负极的导电网络，导致部分活性物质无法参与反应，导致含硅材料负极的可逆容量迅速下降。

因此，将硅应用于电池负极材料将会对公司的技术实力产生负面影响。

非常考验。

固态电池参战！现在我们知道，新能源汽车使用的磷酸铁锂电池或三元锂电池都是液体电池，因为它们含有大量的电解液。

但由于材料的特性，电解液无法抑制锂枝晶的形成，安全性能较差，低温效果较差，于是全固态电池诞生了。

固态电池与目前主流的传统锂离子电池最大的区别在于电解液。

固态电池采用固体电解质代替传统锂离子电池的电解液和隔膜。

在大电流下工作时，隔膜不会被锂枝晶刺穿而导致短路。

高温下不会发生副反应。

由于气体的产生而发生燃烧。

并且采用全固态电解质，电池无需采用嵌锂石墨负极，而是直接采用金属锂作为负极。

这样可以大大减少负极材料的用量，并显着提高整个电池的能量密度，可以达到-Wh/kg。

另外，固体电解质解决了液体电解质在充放电过程中形成的固体电解质界面膜和锂枝晶现象的问题，大大提高了锂电池的循环性能和使用寿命，可以达到0次左右循环。

然而，任何事情总是有两个方面：好的和坏的。

虽然固态电池具有多方面的优点，但以下几点是制约其发展的主要原因。

首先，由于采用固体电解质，其与电极材料之间的连接处于固态，导致电极与电解质之间的有效接触较弱，固体材料中的离子传输动力学较低，从而导致电极与电解质之间的有效接触较弱。

造成接口阻抗过大的问题。

其次，固态电池电解液的选择也是一个非常难的点。

目前已知的开发路线有四种：聚合物、薄膜、硫化物和氧化物。

其中，对于薄膜固态电池和氧化物固态电池，开发大容量动力或储能电池有一定难度；聚合物固态电池受现有聚环氧乙烷材料体系限制，无法在常温下工作，且难以与高压正极兼容；硫化物固态电池面临电解液对空气敏感、制造条件苛刻、原材料昂贵、大规模生产技术不成熟等技术问题。

最后，还有固态电池的成本问题。

首先，全固态电池的生产工艺与我们现在常见的液态电池有很大不同，因此不能在同一条线上生产。

因此，如果选择制造固态电池，就需??要重新设计和建设一套生产线，而且固态电解质的价格也非常昂贵。

因此，一系列因素导致目前全固态动力电池的成本依然居高不下，从而导致了很多电池的流失。

制造商退而求其次，将液体电池和固态电池混合在电池组中，形成经济且具有良好能量密度的半固态电池。

但由此可见，新能源汽车电池的最终形态应该是固态电池。

但由于生产成本和电池技术的限制，它们无法扩大。

因此，他们仍然依靠磷酸铁锂和三元锂来支撑场景，而这两者如今的技术发展已经达到了“天花板”状态，那么如何在不改变电池材料的情况下提高电池寿命呢？这就是“物理手段”的出现。

“物理手段”——电池模块的演变。

其实，市面上常见的纯电动汽车和我们小时候玩的电动玩具车是一样的。

动力来源来自安装在车身下方的电池，但纯电动汽车的电池更大、更先进。

有点复杂。

早期电动汽车的电池系统由电芯、模组、电池组组成。

首先，有多个电芯组成电池模块，然后多个电池模块组成完整的电池组。

这就像把一袋袋咖啡一一放入包装盒中，然后将多个装满袋装咖啡的包装盒塞进大包装箱中进行运输。

这些电池模块中还分布着一些管道和电线，用于冷却和电力传输。

是不是听起来很复杂？然而，由于该电池系统的模块化，结构本身造成了空间的浪费。

管道和模组盒占据体积，使得带容量的电池仅占据整个电池组的内部空间。

大约占总数的50%，所以当时你看到的纯电动汽车虽然有巨大的电池组，但也只能跑一公里。

不过，这在当时是无奈之举，因为纯电动汽车刚刚起步，所以电芯的性能还不稳定。

因此，为了有效避免热失控等问题，不得已才采用模组设计。

于是，随着电动汽车技术的发展，去除模组的CTP技术随即诞生。

CTP的全称是cell to pack，是一种将电芯直接集成到电池组中的技术，就像上面提到的袋装咖啡直接放入大包装盒中一样。

采用该技术的电池组消除了电池模组的设计，降低了电池成本，并提高了电池组的能量密度。

这里你应该问，为什么能量密度可以提高呢？不是应该由电芯决定吗？事实上，情况并非如此。

这里我先列一个公式：电池组能量密度=电芯能量密度×Pack效率。

要在电池组层面实现高能量密度，除了提高电芯质量外，提高成组效率也非常重要。

通常的传统动力电池由三层结构组成，即电芯模组和电池组，其组效率一般在60%~70%之间。

也就是说，如果你买了房子，60%-70%只是你的使用面积，剩下的就是共用面积。

因此，如果加上管道等部件带来的功率损耗，整个电池组的能量密度要低于单体电池的能量密度。

数据显示，国内某品牌电芯单体能量密度已超过Wh/kg，但由于传统的电池包分组方式，电池系统层面的能量密度仍在Wh/kg左右。

因此，减少电池包中“不必要”的元件来塞入更多电芯来提高Pack的效率，同时也保证电池包层面的框架、BMS和热管理能力的机械强度，这种技术趋势被称为模具去除。

分组也是CTP技术。

CTP技术可以消除或减少组装模块中用于固定模块的端板、侧板、管道以及螺钉等紧固件，从而可以提高体积利用率。

因此，由于电池组内部结构的减少，整体重量也随之减轻，质量和能量密度增加，从而增加电池寿命。

并且由于电池组装工艺更加简单，节省了人力、物力等制造成本，并且降低了零部件成本，电池组的成本也会降低。

不过，这种电池技术也有一定的局限性。

首先，如果没有模组和部分零部件，电池组的整体支撑强度将面临重大挑战。

而且，如果没有模块化设计，其上配置的电池防热失控系统也将被取消。

因此，对于电池BMS的控制策略的要求也更加严格。

另外需要提到的一点是，CTP技术对电芯一致性有更高的要求。

那么这种一致性意味着什么呢？首先，我们需要了解一个叫做“木桶效应”的理论。

一个桶能装多少水，不是取决于最长的木板，而是取决于最短的木板。

电池组也是如此。

以早期的模块化电池为例，单个电芯通过并联或串联连接形成电池组。

无论单体电池的性能和质量有多好，如果同一组中各单体电池分组后特性不一致或组合封装时初始状态不一致，则各单体电池的性能将不理想。

充分发挥，就会出现单体电池间的故障。

相互“牵制”或“拖累”现象会造成容量损失、寿命降低、内阻增大等问题，导致电池组整体特性急剧下降或部分电池加速损坏。

除了CTP技术之外，一些车企还推出了新的CTC技术（Cell To Chassis），即电池底盘集成技术，以进一步提高电池寿命，消除“不必要”的电池组组件。

事实上，这项技术可以称得上是一种“极限”。

它基本上甚至不需要电池组。

电池直接放置在底盘上，这意味着车内的成员直接坐在动力电池上。

而且，CTC技术的电池系统的结构强度完全由电池外壳的强度和本体的强度来保证，因此这对电池的生产将会有更加严格的要求。

综合来看，CTP技术和CTC技术都会提高电池组的能量密度，但在安全性方面会存在挑战，尤其是消费者心理上能否接受这项技术。

另外，由于取消了模组设计，如果单个电芯出现故障，只能将整个电池组拆开进行维修，因此维护成本会更多。

不过，随着未来的发展，我相信这个问题将来会得到解决。

技术使后期维护发生系统性改变。

写在最后：现代新能源汽车的发展实际上已经发生了近二十年，从小众的“配角”到如今的“主角”地位，其中离不开电池技术的发展和进步。

本期笔者以简单易懂的方式列出了目前市场上主流的电池技术。

但从技术宏观角度来看，这些技术仍然很少见。

钠离子电池、石墨烯电池等都紧随其后，但由于现有技术原因尚未普及，所以不再赘述。

但可以肯定的是，未来动力电池的技术突破可能会在车企的争夺中蓬勃发展，这对于我们消费者来说绝对是一件好事。

未来将会传播更多新能源汽车知识，敬请期待。