來(lái)源： 新能源自動(dòng)駕駛
電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展如火如茶，動(dòng)力電池作為最重要的部分之一，它的發(fā)展對(duì)電動(dòng)車(chē)的續(xù)航和安全有著決定性的作用。最近我們經(jīng)常聽(tīng)到一些名詞比如固態(tài)電池、蜂巢能源的果凍電池、蔚來(lái)汽車(chē)鎳55電池、智己汽車(chē)摻硅補(bǔ)鋰以及CTP/CTC技術(shù)等。其實(shí)這么多技術(shù)方向，根本目的都是為了提高電池的能量密度和安全性。在這篇文章中，小編帶你來(lái)梳理下與之相關(guān)的技術(shù)路徑。
提升能量密度和安全性的路徑
先思考一個(gè)小問(wèn)題：如果一個(gè)人去野外探險(xiǎn)，背包裝滿了食物，那么如何讓食物供應(yīng)更持久呢？最容易想到的方法一個(gè)方面是，裝的食物的熱量以及密度盡可能高，比如壓縮餅干、巧克力等，另一個(gè)方面就是合理分配包里面的布局，裝盡可能多的食。
工程師們絞盡腦汁的為了提高電池包的能量密度，也是用的類(lèi)似兩個(gè)路徑：電芯密度提升和系統(tǒng)（電池包）密度提升。提升電芯密度相當(dāng)于食物本身熱量更高；系統(tǒng)密度提升相當(dāng)于背包里面裝更多食物。當(dāng)然在提升能量密度的同時(shí)，安全性始終是重中之重。為了提高電池能量密度和安全性，廣大的工程師們做出了哪些努力以及當(dāng)前出現(xiàn)了哪些新技術(shù)呢？現(xiàn)在我們就結(jié)合最近的新聞來(lái)探討下。
1 如何讓食物本身的熱量更高？——電芯能量密度提升
電芯由三部分組成，正極、負(fù)極以及正負(fù)極之間的電解質(zhì)，提升能量密度就從這三方面入手，我們一個(gè)個(gè)來(lái)看。
正極一鎳55單晶材料
近期蔚來(lái)發(fā)布的100kWh電池包，也就是寧德時(shí)代此前宣布的“只冒煙不起火”電池，在不改變電池包外殼尺寸和幾乎不增重的前提下，能量密度提升37%，大幅增加了續(xù)航里程。新款電池采用的鎳55三元電芯，是能量密度提升的重要因素。它的正極材料是一種高電壓的單晶材料。什么是單晶？回答這個(gè)問(wèn)題前，我們先看看正極材料的技術(shù)方向。
所謂“三元”鋰電池指的是其正極材料有鎳、鈷、錳（NCM）三種元素，鎳用于提升容量，鈷為了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，錳作用在于降低成本以及提高材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。鎳比例越高、鈷和錳比例越少則能量密度越大，但安全性降低。
為提升能量密度，NCM配比從“111（N:C:M=1:1:1)"，提升到”523“，再到”811“。該路線一直是三元正極材料發(fā)展的主流方向。
另一個(gè)方向?qū)?yīng)的就是單晶路線（重點(diǎn)來(lái)啦）。新發(fā)布的電芯正極使用的是單晶5系材料。單晶材料更適合做高電壓。目前，商業(yè)化的三元正極材料大多是由納米級(jí)別一次顆粒團(tuán)聚形成的10微米左右的二次球型多晶材料。對(duì)多晶、單晶沒(méi)有概念的可以參照一下石英砂玻璃，兩者同樣都是二氧化硅，石英砂就是多晶材料，玻璃則可以認(rèn)為是單晶材料。
多晶NCM內(nèi)部存在大量晶界（grain boundary ) ，在電池充放電過(guò)程中，由于各向異性的晶格變化，多晶NCM容易出現(xiàn)晶界開(kāi)裂，導(dǎo)致二次顆粒發(fā)生破碎，比表面積和界面副反應(yīng)快速增加 （圖3），導(dǎo)致電池阻抗上升，性能快速下降。而單晶型三元材料內(nèi)部沒(méi)有晶界，可以有效應(yīng)對(duì)晶界破碎及其導(dǎo)致的性能劣化問(wèn)題[1] 。因此，單晶結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)更高的電壓，不僅如此，還提升了三元材料的循環(huán)穩(wěn)定性，大幅提升了電池安全性。
這是正極材料，下面看看負(fù)極。
負(fù)極一”摻硅補(bǔ)鋰“技術(shù)：
近期有消息稱，智己汽車(chē)正在與寧德時(shí)代共同開(kāi)發(fā)”摻硅補(bǔ)鋰電芯“技術(shù)，雙方將共享技術(shù)專利。智己汽車(chē)表示，這款電池的能量密度較現(xiàn)在行業(yè)領(lǐng)先水平降高出30-40%，最高可實(shí)現(xiàn)約1000km續(xù)航、20萬(wàn)公里零衰減，這款電池將通過(guò)電芯材料配方的優(yōu)化、成組技術(shù)隔熱阻燃，以及全鑄鋁電池包殼體封裝技術(shù)，結(jié)合BMS端動(dòng)協(xié)同管理保證電池安全。
什么是”摻硅補(bǔ)鋰電芯“技術(shù)？
傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負(fù)極密度較低，為追求高密度，新的負(fù)極材料硅碳、硅氧成為企業(yè)追逐的新熱點(diǎn)。但是硅氧會(huì)存在首次效率低，需要補(bǔ)鋰的問(wèn)題。液態(tài)鋰離子電池首次充放電過(guò)程中，電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層，具有固體電解質(zhì)的特征，是電子絕緣體去Li+的優(yōu)良導(dǎo)體，Li+可以經(jīng)過(guò)該鈍化層自由地嵌入和脫出，因此這層鈍化膜被稱為”固體電解質(zhì)界面膜“（ solid electrolyte interface )簡(jiǎn)稱SEI膜（正極也有層膜形成，只是現(xiàn)階段認(rèn)為其對(duì)電池的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)極表面的SEI膜[2] 。硅碳負(fù)極補(bǔ)鋰工藝是在硅碳負(fù)極表面預(yù)涂一層鋰金屬，該涂層與負(fù)極緊密接觸，在灌注電解液后與負(fù)極發(fā)生反應(yīng)嵌入負(fù)極顆粒內(nèi)部，預(yù)存一部分鋰離子在負(fù)極內(nèi)部，從而彌補(bǔ)首次充放電或者循環(huán)過(guò)程中由于形成或修復(fù)SEI膜所需要消耗的Li離子。相比于高難度、高投入的負(fù)極補(bǔ)鋰工藝，正極補(bǔ)鋰就顯得樸實(shí)多了，典型的正極補(bǔ)鋰的工藝是在正極勻漿的過(guò)程中，向其中添加少量的高容量正極材料，在充電的過(guò)程中，多余的Li元素從這些富鋰正極材料脫出，嵌入到負(fù)極中補(bǔ)充首次放電的不可逆容量。通過(guò)這種復(fù)雜的補(bǔ)鋰工藝，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)極材料的密度提升。目前尚不知道智己汽車(chē)具體是哪種技術(shù)，但智己汽車(chē)將應(yīng)用這種高端鋰電池基本已成局。
電后看看電芯能量密度提升的電后一環(huán)——電解質(zhì)。
電解質(zhì)一固態(tài)電池&果凍電池
當(dāng)?shù)貢r(shí)間12月8日，由大眾和比爾蓋茨支持的初創(chuàng)公司QuantumScape公布了其最新固態(tài)電池的消息，并表示電池將于2024年投產(chǎn)。此種固態(tài)電池，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池有了顯著的改進(jìn): 它們可以將電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程提高80%。下面我們來(lái)探討下什么是固態(tài)電池，它的好處又是什么。
在提高電池能量密度的同時(shí)，電池的安全性是不得不考慮的問(wèn)題。從根本上消除鋰離子電池的安全隱患仍在于電池材料安全性的提高。但對(duì)于正極材料，這兩方面是矛盾的。比如，前面已經(jīng)講到，提高鎳含量能夠提高能量密度，但是鎳含量提高意味著安全性降低。有什么辦法從別的方面加強(qiáng)電池的安全性，從而更放心的提升能量密度呢？這時(shí)候就要從電解質(zhì)角度考慮了。大量研究表明，液態(tài)電解質(zhì)參與了電池?zé)崾Э剡^(guò)程的大部分反應(yīng)，并極大降低了電池的初始反應(yīng)溫度，也就是讓熱失控的門(mén)檻變得更低。所以提高電解質(zhì)安全性是實(shí)現(xiàn)電池安全的電有效方法之一[3] 。液態(tài)電解質(zhì)的物理特性決定了其始終無(wú)法避免泄露，同時(shí)也不利于縮小電池體積從而提高能量密度，因此為了提高能量密度和安全性，電解質(zhì)的固態(tài)化就成了趨勢(shì)。我們把電極和電解質(zhì)均為固態(tài)的電池稱為固態(tài)電池。固態(tài)電池電芯內(nèi)部不含液體不僅安全性更高，還可實(shí)現(xiàn)先串并聯(lián)后組裝，減少了封裝殼體用料，PACK設(shè)計(jì)大幅簡(jiǎn)化，這也提高了電池成組后的能量密度。
與傳統(tǒng)鋰電池類(lèi)似，固態(tài)電池由正極、負(fù)極和電解質(zhì)組成。其結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)鋰電池簡(jiǎn)單，固體電解質(zhì)充當(dāng)了電解液和隔膜的雙重功能。正極材料與傳統(tǒng)的鋰電池并無(wú)本質(zhì)區(qū)別。而負(fù)極材料為金屬鋰負(fù)極材料、碳族負(fù)極材料和氧化物負(fù)極材料。對(duì)固態(tài)電池來(lái)說(shuō)，固態(tài)電解質(zhì)的研究與開(kāi)發(fā)最為重要，它的材料各類(lèi)繁多，主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及復(fù)合型固體電解質(zhì)。
除了大規(guī)模使用的液態(tài)鋰電池和正在研究中的固態(tài)電池以外，一種半固態(tài)的電池-果凍電池-時(shí)入人們的視野。2020年12月，蜂巢能源率先發(fā)布果凍電池，并接受預(yù)定。果凍電池是一種應(yīng)用了新型果凍狀電解質(zhì)的鋰電池，這種凝膠型電解質(zhì)可以與電極材料的表面更好的貼合，具有自愈合、阻燃等特點(diǎn)，在幾乎不降低導(dǎo)電性能的同時(shí)阻止熱擴(kuò)散。果凍電池可以說(shuō)是液態(tài)電池向固態(tài)電池發(fā)展的一個(gè)過(guò)渡。
2 如何裝的更多 ？——系統(tǒng)密度提升-電池包新技術(shù)
去掉內(nèi)部封裝——Cell to Pack (CTP)技術(shù)：
一般電池不僅最外部有電池包，內(nèi)部還有一組一組電芯形成的”模組“，所謂CTP就是無(wú)模組化，電芯直接打包，目前是企業(yè)提高能量密度的一個(gè)主要選擇。寧德時(shí)代、比亞迪、蜂巢能源均推出了無(wú)模組電池包技術(shù)。前一陣子比較火爆的比亞迪刀片電池就是基于磷酸鐵鋰電池，采用無(wú)模組設(shè)計(jì)提高了空間利用率。
內(nèi)封外包全去掉——cell to Chassis (CTC)技術(shù)：
特斯拉的電池日上，提出了一種結(jié)構(gòu)化電池的方案（ structural battery ），把電池直接內(nèi)置在汽車(chē)結(jié)構(gòu)中（見(jiàn)龍哥之前的文章《特斯拉電池日信息解讀》 ）。這種結(jié)構(gòu)化電池技術(shù)與寧德時(shí)代此前提出的CTC技術(shù)類(lèi)似，該技術(shù)將電芯和底盤(pán)集成在一起，再把電機(jī)、電控、整車(chē)高壓系統(tǒng)通過(guò)創(chuàng)新的架構(gòu)集成在一起，并通過(guò)智能化動(dòng)力域控制器優(yōu)化動(dòng)力分配和降低能耗。
通過(guò)以上的介紹，相信大家已經(jīng)對(duì)電池相關(guān)新技術(shù)有了一定的了解。雖然全固態(tài)電池的商用，還需要我們耐心的等待，但半固態(tài)電池、正極單晶材料以及摻硅補(bǔ)鋰技術(shù)，相信近期就能被我們體驗(yàn)到了。
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