自20世紀(jì)90年代SONY正式將鋰離子電池商業(yè)化以來，鋰離子電池技術(shù)的原理和基本配置一直沒有革命性的進(jìn)展，但相關(guān)的新材料不斷涌現(xiàn)。關(guān)鍵設(shè)備和生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，電池和電池系統(tǒng)的設(shè)計不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。

電池單元的能量密度從最初的80Wh/kg增加到目前的近300Wh/kg，電池成本逐年下降，這也表明鋰離子電池技術(shù)取得了顯著進(jìn)步。

近年來，隨著新能源汽車動力電池的快速發(fā)展，新的電池技術(shù)層出不窮。本文總結(jié)了近年來的一些新技術(shù)。

 

特斯拉新電池技術(shù)：4680大型圓柱形電池

在電池日上，特斯拉公布了其4680大型圓柱形電池技術(shù)。4680電池直徑46毫米，高度80毫米，比特斯拉之前的2170電池更大。

根據(jù)官方數(shù)據(jù)，4680電池的能量密度將提高5倍，功率輸出將提高6倍，每千瓦時成本將降低14%，電池的型號范圍將增加16%。其主要創(chuàng)新如下：

 

 

（1） 電池尺寸優(yōu)化

考慮到電池能量密度、散熱特性和電池組性能，電池的外殼直徑優(yōu)化為46 mm，高度為80 mm。

（2） 無凸耳設(shè)計

特斯拉4680電池技術(shù)采用了無凸耳的設(shè)計，正極和負(fù)極集流體從卷芯的兩側(cè)泄漏，并通過集流體直接與電池的正極和負(fù)極端子連接。從電極接線片的角度來看，電池的功率特性得到了改善，電流密度以較大的速率均勻分布。

當(dāng)陰極材料不在涂層一側(cè)時，一側(cè)涂層邊緣上的陰極電極，而當(dāng)在電池陰極和陽極上進(jìn)行耳焊時。

陰極和陽極通過隔膜離開電極，電流在收集流體之間流過的距離短，可以實(shí)現(xiàn)高功率密度，電極熱值小。

4680電池技術(shù)在能量密度和功率輸出方面具有一些優(yōu)勢，但由于線圈芯中的電極較長，可能會加劇內(nèi)部電流和溫度的不均勻分布。隨著圓柱體直徑的增加，由于電池的表面積/體積比的降低，有效的熱管理可能存在問題。

 

 

為了解決這些問題，特斯拉提出了一種“無陽極耳朵”的電流收集模式，通過使用集電箔本身（箔邊緣）收集電流，這種模式在電池內(nèi)部更均勻地分布。

（3） 干電極技術(shù)

特斯拉的干電極技術(shù)包括三個步驟：（I）干粉混合，（ii）從粉末到薄涂層的成型，以及（iii）將薄涂層壓到集電體上，所有這些步驟都不含溶劑。干電極工藝是可擴(kuò)展的，可以適應(yīng)當(dāng)前的鋰離子電池化學(xué)系統(tǒng)和先進(jìn)的新型電池電極材料。

大量商用陽極材料（如硅基材料和鈦酸鋰（LTO））和陰極材料（如層狀三元NMC、NCA、LFP、硫）證明了干電極工藝的穩(wěn)定性和通用性。

（4） CTC技術(shù)（電池到底盤，電芯直接集成到車輛底盤中）

4680電池直接安裝在底盤上，進(jìn)一步減少了電池組的數(shù)量和重量，從而增加了車輛的續(xù)航里程。馬斯克表示，CTC可以節(jié)省370個零件，減輕10%的體重，并將每千瓦時的電池成本降低7%。

比亞迪新電池技術(shù)：刀片電池

刀片式電池技術(shù)直接拉長電池部件，并像刀片一樣將其集成到電池組的框架中，省去了模塊和大多數(shù)結(jié)構(gòu)部件，并直接由電池單元封裝。

此外，較薄的厚度還進(jìn)一步減少了穿刺過程中的熱量積聚，并提高了電池組的強(qiáng)度和安全性。比亞迪表示，刀片式電池組的成本比普通磷酸鐵鋰電池低30%，單位體積的能量密度高50%。

常見的新能源汽車，其寬度一般在1米以上，長度在幾米以內(nèi)；新能源汽車的動力電池組一般放置在新能源汽車底部；目前，市場上的動力電池組與新能源汽車的寬度大致一致，約為1米或更長。

 

 

同時，兩個相鄰的單電池需要通過外圍設(shè)備的電源連接器連接。因此，存在許多單電池的安裝結(jié)構(gòu)，這不僅增加了成本，而且增加了整體重量。

并且單個電池的安裝結(jié)構(gòu)占用了封裝的更多內(nèi)部空間，導(dǎo)致動力電池封裝的總?cè)萘繙p少。并排放置的單個電池越多，浪費(fèi)的空間就越大。

此外，由于需要設(shè)置多個外部電源連接器進(jìn)行電源連接，導(dǎo)致內(nèi)部電阻增加，因此提高了使用中動力電池組的內(nèi)部消耗。

單刀片電池的長度L設(shè)計為600mm-2500mm。因?yàn)閱蝹€電池體足夠長，所以在單個電池的外表面上設(shè)置支撐區(qū)域。單個電池可以直接支撐到支撐區(qū)域。

汽車底盤配備有向下凹腔至單體電池組件，這樣，在電池組內(nèi)部不設(shè)置任何加強(qiáng)肋，放置在電池組電池陣列中，通過單體電池和電池之間的粘合劑，直接通過連接單體電池承擔(dān)加強(qiáng)肋的作用，大大簡化了電池組的結(jié)構(gòu)。

此外，加強(qiáng)件和單個電池的安裝結(jié)構(gòu)占用的空間減少，從而進(jìn)一步提高空間利用率，進(jìn)一步提高續(xù)航能力。

通過葉片電池技術(shù)的尺寸參數(shù)設(shè)計，可以提高電池的散熱效果。在快速充電的相同條件下，刀片電池的溫升不同程度地低于傳統(tǒng)電池，這優(yōu)于現(xiàn)有電池技術(shù)的散熱效果。

 

 

當(dāng)單個電池組裝成電池組時，電池組的溫度升高也會降低。電池組通過設(shè)計單刀片電池布局、尺寸參數(shù)等因素，空間利用率可以突破現(xiàn)有電池組的限制，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。

 

寧德時代的新電池技術(shù)：Cell-to-Pack（CTP）

Cell-to-Pack（CTP）電池技術(shù)，也稱為模塊化設(shè)計。多個電池直接布置在盒子中，而無需將多個電池組裝成模塊。零部件數(shù)量大大減少，底盤空間利用率大大提高，制造成本進(jìn)一步降低。

動力電池高效組CTP電池技術(shù)打破了行業(yè)固有的“單體單元模塊組電池組”三組設(shè)計思想，電池組的結(jié)構(gòu)高度集成，新的工藝開發(fā)和優(yōu)化了電池?zé)峁芾?，開發(fā)了新的動力電池高效的組CTP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)兩級組&“單體直接組電池組”。

根據(jù)寧德時代發(fā)布的數(shù)據(jù)，其CTP電池組體積利用率提高了15%-20%，電池組零件數(shù)量減少了40%，生產(chǎn)效率提高了50%，動力電池的制造成本大大降低。

同時，減少了傳統(tǒng)模塊的生產(chǎn)流程，生產(chǎn)效率提高了20%。批量生產(chǎn)的電池組重量能量密度超過170Wh/kg，而正在開發(fā)的產(chǎn)品電池組重量能源密度達(dá)到215Wh/kg。

 

 

CTP電池技術(shù)將一個大模塊分成幾個小空間，其中有幾個塑料散熱器，可以插入一個小空間，比如電腦硬盤。每個電池的側(cè)面都安裝了一個熱硅膠墊圈，在電池寬度的散熱板上有一個冷卻通道，可以直接連接到外部冷卻管路。

這將模塊之間的線束、側(cè)板、背板等部件的數(shù)量減少約40%。通過移除電池模塊并將電池直接集成到電池串中，可以提高電池串的空間利用率，可以降低電池串的質(zhì)量，可以提高能量密度，并且可以降低成本。

 

中航鋰電的新電池技術(shù)：一站式電池

中航鋰電在2021世界新能源汽車會議（WNEVC）上公布了一站式電池技術(shù)，這是該公司為TWh時代設(shè)計的新電池技術(shù)。

使用該電池技術(shù)后，三元鋰電池系統(tǒng)電池的能量密度可達(dá)到300Wh/kg，電池組的能量密度可達(dá)240Wh/kg；里程可達(dá)1000公里。根據(jù)磷酸鐵鋰電池，電池系統(tǒng)和電池組的能量密度可達(dá)到200Wh/kg和160Wh/kg，里程可達(dá)700km。

電池級：采用0.22mm薄殼技術(shù)、多維外殼成型技術(shù)、“蓋板”設(shè)計、多功能復(fù)合包裝技術(shù)、模塊化柱、一體式電連接技術(shù)、高剪切外絕緣技術(shù)、柔性壓力技術(shù)。

它可以提高空間利用率，結(jié)構(gòu)重量減少5%和40%，減少25%，備件，成本降低15%。

生產(chǎn)工藝：電池生產(chǎn)工藝，采用超高速復(fù)合層壓，現(xiàn)場無塵組裝技術(shù)，高速薄壁焊接技術(shù)，流體收集直接焊接技術(shù)。

因此，這種電池技術(shù)可以將生產(chǎn)效率提高100%，生產(chǎn)空間減少50%，制造成本減少30%，能耗減少60%，異物“零”引入風(fēng)險。

 

 

電池系統(tǒng)：采用模塊技術(shù)、極簡系列拓?fù)潆娺B接技術(shù)、復(fù)雜嵌入式外殼技術(shù)和高效熱管理技術(shù)、集成表面技術(shù)、積木拼接組技術(shù)、熱失控抑制技術(shù)。

它可以提高空間利用率，將能量密度提高5%和10%，減少20%的零件，在熱效率提高的同時，成本提高10%50%。

 

廣汽集團(tuán)新電池技術(shù)：彈匣電池技術(shù)

彈匣電池是一種專門為提高動力電池安全性而設(shè)計的系統(tǒng)電池技術(shù)。它是一套從電池單元的本質(zhì)安全提示到被動安全強(qiáng)化和主動安全預(yù)防和控制的安全技術(shù)。

彈匣電池技術(shù)的四大核心包括超高耐熱性和穩(wěn)定性電池芯、超高隔熱電池安全艙、快速冷卻系統(tǒng)和具有全時控制的第五代電池管理系統(tǒng)。

（1） 超耐熱電池

通過正極材料的納米涂層和摻雜技術(shù)以及新添加劑的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了SEI膜的自修復(fù)。高安全電解質(zhì)，自聚合高阻抗界面膜，大大降低熱失控反應(yīng)熱。

這一系列關(guān)鍵電池技術(shù)的應(yīng)用使電池的耐熱溫度提高了30%。電池的正極是三元鋰。

（2） 超級隔熱電池艙

彈匣電池技術(shù)采用超級隔熱電池安全室和網(wǎng)狀納米孔隔熱材料，可防止相鄰電池的熱失控。電池倉充當(dāng)一個存儲庫，將電池單元彼此分開。電池組采用耐高溫外殼，可承受1400℃的高溫。

 

 

（3） 快速冷卻3D冷卻系統(tǒng)

采用全貼合液冷一體化系統(tǒng)，高效散熱通道設(shè)計，高精度導(dǎo)熱路徑設(shè)計，散熱面積提高40%，散熱效率提高30%。

（4） 第五代電池管理系統(tǒng)的全時控制

除了上述硬件改進(jìn)之外，BMS軟件為彈匣電池的安全提供了最后一道屏障。最新一代電池管理系統(tǒng)芯片每秒可實(shí)現(xiàn)10次全天候數(shù)據(jù)采集，比上一代系統(tǒng)多100倍。

電池可監(jiān)控24小時。如果發(fā)現(xiàn)任何異常，可立即啟動電池快速冷卻系統(tǒng)以冷卻電池。

 

長城汽車新電池技術(shù)：永不燃燒、永不起火的大禹電池系統(tǒng)

大禹電池技術(shù)集熱分區(qū)、雙向轉(zhuǎn)換器、熱通量分布等8大設(shè)計理念，在開發(fā)基于新型電池和高溫絕熱復(fù)合模塊模塊的雙復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，在大禹電池的雙重保護(hù)下，實(shí)現(xiàn)熱源的有效分區(qū)。

（1） 熱源的有效分隔

至于電池，所有電池之間采用了新開發(fā)的雙層復(fù)合材料，可以隔離熱源，抵抗火焰沖擊，有效解決了傳統(tǒng)氣凝膠無法抵抗沖擊的痛點(diǎn)。

同時，考慮到不同化學(xué)體系中細(xì)胞的不同膨脹特性，雙層復(fù)合材料的設(shè)計不僅可以有效解決細(xì)胞膨脹的空間需求，還可以隔離熱源。

對于模塊，每個模塊之間使用高溫絕緣復(fù)合材料，以防止火焰沖擊和長時間傳熱。防護(hù)罩設(shè)計有定向爆炸排放口，可快速排出模塊內(nèi)部的高溫氣體和火流，避免模塊內(nèi)部的熱擴(kuò)散。

（2） 雙向換向

電池?zé)崾Э剡^程中會產(chǎn)生大量高溫高壓氣體和火流。

大禹電池技術(shù)通過模擬多種類型的轉(zhuǎn)換器通道設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器強(qiáng)度和比例的精確設(shè)計，根據(jù)預(yù)定軌跡有效控制熱源流量，減少對相鄰模塊的熱影響，并可避免再次點(diǎn)燃。

（3） 熱流分布

通過構(gòu)建燃燒模型、熱力學(xué)和流體力學(xué)的擬合模擬、沖擊強(qiáng)度和壓力計算等虛擬技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)通道內(nèi)氣體火焰的均勻分布。電池組中設(shè)計了縱向通道。

縱向通道在底部與換向器通道連接，并在空氣壓力的作用下上下流動。根據(jù)熱量影響的大小、氣流強(qiáng)度和溫度變化，根據(jù)熱源軌跡流動，避免對相鄰電池和相鄰模塊產(chǎn)生劇烈的熱沖擊，造成第二次熱失控。

 

 

（4） 定向EOD

可將火源快速引導(dǎo)至滅火通道，通過分流、分流、換向等方式安全排放。通道中的壓力和流量被均勻地調(diào)節(jié)，以消除熱量集中，并使氣體火流在通道中均勻地流動。

高溫氣體，如NCM811電池，可通過定向引爆和換向?qū)囟葟?000°C以上迅速降至200°C以下。

（5） 自動滅火

在電池組的定向爆炸放電出口處設(shè)置多層不對稱蜂窩結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)快速的火焰抑制和冷卻。

通過多點(diǎn)、均勻、小型化設(shè)計，有效減少體積和重量，提高冷卻效果。從電池組流出的空氣和火的溫度低于100℃。

（6） 正壓電阻氧氣

根據(jù)蜂窩孔徑和單位氣體質(zhì)量流率，在通道和滅火設(shè)計中，通過多次試驗(yàn)優(yōu)化了滅火孔徑的大小，袋內(nèi)壓力始終高于袋外壓力，以避免氧氣進(jìn)入引起二次燃燒。

（7） 高溫絕緣

在熱失控過程中，傳統(tǒng)設(shè)計的高溫絕緣材料會燃燒殆盡，電池組中的金屬部件會產(chǎn)生電弧。高溫絕緣材料是為了使電池組中高壓部件絕緣。

（8） 智能冷卻

為了電池安全，該電池技術(shù)具有智能冷卻監(jiān)控和自動冷卻啟動系統(tǒng)。當(dāng)電池管理系統(tǒng)識別出電池芯已觸發(fā)熱失控時，它可以通過BMS和云雙重監(jiān)控確保車輛的冷卻系統(tǒng)能夠快速打開，并抑制熱擴(kuò)散。

 

期待更多新電池技術(shù)的誕生！