怎样提升动力电池的性能？
来源：宝鄂实业
2019-10-19 10:47
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物理途径
01圆柱电池
目前最成熟的技术就是18650电池，即通常所说的5号电池。特斯拉汽车的动力电池就是由7623颗5号电池串并联组成。圆柱形电池由自动化设备卷绕而成，生产效率高，生产流程标准化，普及率高。但是圆柱形电池也有其天生缺陷，因为体积小，所以单体容量较小，且在高强度放电时，发热量大；使用寿命短，电池循环次数在1000次左右。
针对18650电池的缺点，特斯拉采取增大电芯尺寸的方式加以改进，例如特斯拉Model3中用20700替代18650电芯，20700电池增加的尺寸大概为10%，而体积和能量储存提升了1.33倍。20700电芯量产后，其动力电池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%。可见，圆柱电池的发展已经做到极致，再往上提升的空间不大。
02方形电池
方形锂电池，顾名思义，其形状为方形，方便叠加，也方便置于汽车之中。其外壳通常是铝制壳或钢制作壳。其特点是结构简单、能量密度高，国内普及率高。方形电池多采用卷绕式或叠片式工艺，制造效率高，安全性好。随着新能源汽车工业的发展，未来新能源汽车也将如现在的常规能源汽车一样大规模生产，这就涉及到标准化问题。现在的传统燃油汽车，大多数零部件大多采用标准件，全球通用，这样一来不仅降低了制造成本，也降低了研发成本。未来的大趋势是全球采取统一尺寸，统一规格的方形电池。这将极大的推动动力电池的发展。降低动力电池的生产成本及研发成本，推动新能源汽车产业加速发展。美国卡内基梅隆大学的研究成果也证明：圆柱形电池进一步降低成本的空间很小，而方形电池则有很大的潜力。
03软包电池将如现在的常规能
软包电池，又称聚合物锂电池，其内部使用高分子胶态或固态电解质，区别于电解液。其电池形状不固定，可以根据实际需求制作成各种形状。目前在苹果手机电池中广泛使用。软包电池目前价格昂贵，主要因为高分子电解质成本较高，其外包装材料不同于普通电池，为铝塑复合膜。其正负极材料与传统锂电池一样。
由于采用铝塑膜包装，其安全性能得到较好提升，发生安全问题时，软包电池一般会鼓气裂开，而不会发生爆炸；软包电池的优点还包括：质量轻、自耗电小、循环寿命长等。但是，软包电池也有缺点，比如一致性差，成本高，容易漏液。作为一种新型动力电池，软包电池未来提升空间很大。
04物理途径小结
对比分析以上提升动力电池性能的物理途径来看，圆柱电池的发展已经遇到天花板，未来提升空间不大；软包电池与方形电池将来会有较大的竞争力。动力电池降成本的重要途径就是标准化与模块化。未来全国动力电池若能建立统一标准、统一规格、统一形状、统一尺寸以及批量生产，相信动力电池的生产效率将大幅提升，成本将大幅下降。例如，当年福特发明的标准化生产方式让汽车的价格从2000美金降到了300美金。在未来大规模使用新能源汽车过程中，方形电池是最具发展潜力的。它可以让全国的新能源汽车都采用统一标准的方形电池，续航里程大的纯电动汽车，方形电池可以叠加得多一些，续航里程短的混动汽车，方形电池可以叠加得少一些。电池封装系统也可以全国统一标准，依据动力电池容量的不同，分别采取相应的电池封装技术，将方形电池封装起来。将方形电池与封装技术结合起来，形成全国统一标准的方形电池封装技术，将极大的降低动力电池的生产成品，提升动力电池性能。助力中国汽车工业实现弯道超车，达到世界顶尖水平。
化学途径
01高镍NCM与NCA正极材料
正极材料是动力电池能量的短板，只要正极材料比容量提高就能提高电池能量密度。正极材料的比容量一般为100-200mAh/g，而石墨负极材料的比容量高达400mAh/g。采用高容量的正极材料，能够让负极、隔膜、电解液用量之间的搭配更加完美，电池最终能量密度的提升直接取决于正极材料比容量的提升。动力电池能量密度突破的关键就在于正极材料。
目前国内NCM111和NCM523型三元正极材料产品已经量产，并开始大规模使用，而新型622NCM则已逐步在部分动力电池企业中推广，未来将逐步拓展至811NCM以及NCA材料。当然三元锂电池也有自己的瓶颈，它的正极理论比容量的最大值是300mAh/g，达到300mAh/g就已经是极限。三元锂电池是目前动力电池厂商主攻的方向，未来将有新型的正极材料系统。
02硅碳负极
动力电池的负极材料主要是硅碳负极，即在石墨材料加入硅，其理论能量密度高达4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳负极材料，特斯拉在传统石墨负极材料中加入10%的硅，使其能量密度达到550mAh/g以上。国内贝特瑞公司研发的S1000型号硅碳负极材料的比容量更是高达1050mAh/g。负极材料目前没有技术瓶颈，完全能满足动力电池的各种需求。
03隔膜性
隔膜在单体电池上主要用来隔开正负极，让电解液能够通过隔膜在正负极之间交换物质。受制于电池体积所限，以及提高电池能量密度的要求，动力电池隔膜需要尽量轻、薄。隔膜性能决定了电池内部结构、内阻等，直接影响电池容量、安全性能等。优质隔膜对提升电池性能作用巨大。
隔膜技术有干法与湿法两种制造工艺，干法成本较低但只适合小功率电池，湿法成本高但能适合大功率电池。早期，动力电池主要采用干法隔膜，目前湿法隔膜开始推广使用，预计2020年干湿法薄膜技术各占一半，分别应用于中低端与高端领域。隔膜工艺的核心技术掌握在日本旭化成公司手中。中国有大量企业生产隔膜，但无核心技术。旭化成干法现在可量产12微米隔膜，湿法可量产6-7微米。国内企业大多只能生产干法20-40微米隔膜。对比与隔膜行业世界一流水平企业的差距，我国企业应该引进先进工艺设备，苦练内功，力争取得突破。
01圆柱电池
目前最成熟的技术就是18650电池，即通常所说的5号电池。特斯拉汽车的动力电池就是由7623颗5号电池串并联组成。圆柱形电池由自动化设备卷绕而成，生产效率高，生产流程标准化，普及率高。但是圆柱形电池也有其天生缺陷，因为体积小，所以单体容量较小，且在高强度放电时，发热量大；使用寿命短，电池循环次数在1000次左右。
针对18650电池的缺点，特斯拉采取增大电芯尺寸的方式加以改进，例如特斯拉Model3中用20700替代18650电芯，20700电池增加的尺寸大概为10%，而体积和能量储存提升了1.33倍。20700电芯量产后，其动力电池包能量密度增加3-4%，成本下降5-10%。可见，圆柱电池的发展已经做到极致，再往上提升的空间不大。
02方形电池
方形锂电池，顾名思义，其形状为方形，方便叠加，也方便置于汽车之中。其外壳通常是铝制壳或钢制作壳。其特点是结构简单、能量密度高，国内普及率高。方形电池多采用卷绕式或叠片式工艺，制造效率高，安全性好。随着新能源汽车工业的发展，未来新能源汽车也将如现在的常规能源汽车一样大规模生产，这就涉及到标准化问题。现在的传统燃油汽车，大多数零部件大多采用标准件，全球通用，这样一来不仅降低了制造成本，也降低了研发成本。未来的大趋势是全球采取统一尺寸，统一规格的方形电池。这将极大的推动动力电池的发展。降低动力电池的生产成本及研发成本，推动新能源汽车产业加速发展。美国卡内基梅隆大学的研究成果也证明：圆柱形电池进一步降低成本的空间很小，而方形电池则有很大的潜力。
03软包电池将如现在的常规能
软包电池，又称聚合物锂电池，其内部使用高分子胶态或固态电解质，区别于电解液。其电池形状不固定，可以根据实际需求制作成各种形状。目前在苹果手机电池中广泛使用。软包电池目前价格昂贵，主要因为高分子电解质成本较高，其外包装材料不同于普通电池，为铝塑复合膜。其正负极材料与传统锂电池一样。
由于采用铝塑膜包装，其安全性能得到较好提升，发生安全问题时，软包电池一般会鼓气裂开，而不会发生爆炸；软包电池的优点还包括：质量轻、自耗电小、循环寿命长等。但是，软包电池也有缺点，比如一致性差，成本高，容易漏液。作为一种新型动力电池，软包电池未来提升空间很大。
04物理途径小结
对比分析以上提升动力电池性能的物理途径来看，圆柱电池的发展已经遇到天花板，未来提升空间不大；软包电池与方形电池将来会有较大的竞争力。动力电池降成本的重要途径就是标准化与模块化。未来全国动力电池若能建立统一标准、统一规格、统一形状、统一尺寸以及批量生产，相信动力电池的生产效率将大幅提升，成本将大幅下降。例如，当年福特发明的标准化生产方式让汽车的价格从2000美金降到了300美金。在未来大规模使用新能源汽车过程中，方形电池是最具发展潜力的。它可以让全国的新能源汽车都采用统一标准的方形电池，续航里程大的纯电动汽车，方形电池可以叠加得多一些，续航里程短的混动汽车，方形电池可以叠加得少一些。电池封装系统也可以全国统一标准，依据动力电池容量的不同，分别采取相应的电池封装技术，将方形电池封装起来。将方形电池与封装技术结合起来，形成全国统一标准的方形电池封装技术，将极大的降低动力电池的生产成品，提升动力电池性能。助力中国汽车工业实现弯道超车，达到世界顶尖水平。
化学途径
01高镍NCM与NCA正极材料
正极材料是动力电池能量的短板，只要正极材料比容量提高就能提高电池能量密度。正极材料的比容量一般为100-200mAh/g，而石墨负极材料的比容量高达400mAh/g。采用高容量的正极材料，能够让负极、隔膜、电解液用量之间的搭配更加完美，电池最终能量密度的提升直接取决于正极材料比容量的提升。动力电池能量密度突破的关键就在于正极材料。
目前国内NCM111和NCM523型三元正极材料产品已经量产，并开始大规模使用，而新型622NCM则已逐步在部分动力电池企业中推广，未来将逐步拓展至811NCM以及NCA材料。当然三元锂电池也有自己的瓶颈，它的正极理论比容量的最大值是300mAh/g，达到300mAh/g就已经是极限。三元锂电池是目前动力电池厂商主攻的方向，未来将有新型的正极材料系统。
02硅碳负极
动力电池的负极材料主要是硅碳负极，即在石墨材料加入硅，其理论能量密度高达4200mAh/g。例如，特斯拉在Model3中采用了新型硅碳负极材料，特斯拉在传统石墨负极材料中加入10%的硅，使其能量密度达到550mAh/g以上。国内贝特瑞公司研发的S1000型号硅碳负极材料的比容量更是高达1050mAh/g。负极材料目前没有技术瓶颈，完全能满足动力电池的各种需求。
03隔膜性
隔膜在单体电池上主要用来隔开正负极，让电解液能够通过隔膜在正负极之间交换物质。受制于电池体积所限，以及提高电池能量密度的要求，动力电池隔膜需要尽量轻、薄。隔膜性能决定了电池内部结构、内阻等，直接影响电池容量、安全性能等。优质隔膜对提升电池性能作用巨大。
隔膜技术有干法与湿法两种制造工艺，干法成本较低但只适合小功率电池，湿法成本高但能适合大功率电池。早期，动力电池主要采用干法隔膜，目前湿法隔膜开始推广使用，预计2020年干湿法薄膜技术各占一半，分别应用于中低端与高端领域。隔膜工艺的核心技术掌握在日本旭化成公司手中。中国有大量企业生产隔膜，但无核心技术。旭化成干法现在可量产12微米隔膜，湿法可量产6-7微米。国内企业大多只能生产干法20-40微米隔膜。对比与隔膜行业世界一流水平企业的差距，我国企业应该引进先进工艺设备，苦练内功，力争取得突破。
