關于新能源汽車電池，你了解多少？一文讀懂

智能汽車電子與軟件 2024-08-01 17:08

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一、鋰電池

現今流行的新能源汽車中，采用鋰離子電池為動力源，是當前可以實現大規模生產的動力電池之一。目前的鋰電池有高能量，高功率密度，長壽命和安全可靠性等優點，其他類型的電池還遠遠達不到要求，且還待商業化和普及。目前的鋰離子電池，在巨大的市場需求下，相對來說，在整個社會能源結構中占據重要位置，大有電動車全面取代傳統燃油車的未來趨勢。

從伏特電池到今天的鋰電池，都屬于化學反應電池類，可以存儲使用。而風、光、水、火等發電，卻不方便存儲（氫燃料電池又屬于存儲類電能）。目前，在汽車中應用到的電池有鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池和鋰鐵離子電池幾大類，常用的主要有三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種。這些化學類的電池的共性，就是端電壓不高，需要串聯使用而得到高電壓。鋰電池的原理和伏特電池類似，只不過所用材料不同，其內部的化學反應，比伏特電池的硫酸鹽反應能量大得多。

也正是因為鋰電池的端電壓不高，除了需要串聯使用而得到高電壓外，單個電池的體積容量也不宜做大。為什么做不大？我們知道伏特電池中，銅（碳棒）、鋅電極在硫酸液體中的化學反應，兩種不同的金屬產生離子電勢，在外界負載通路狀態中，形成電流。而鋰電池也和伏特電池類似，假如鋰電池的正極由鋰離子生成，負極由碳呈層狀結構生成。鋰離子從正極“跳進”電解液里，通過電解液“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞，運動到負極，與外部負載通路，形成負載電流（實際上是電子的流動）。

電池越大，容量越大，密閉空間內能量越高，散熱問題的安全性就越難做，且穩定性差（如電解液浸潤性導電的不均勻性、使電流密度不均勻、內部不同位置的溫升不同、隔膜承受應力值的大小不同等等），并且，在短路時的電流也非常大、因溫升大而爆炸等等，測試很難通過。另外，生產難度和效率方面也有些缺陷。所以一般不會做太大。

早期電動汽車的電池結構是18650電池單體組成（圓柱外形，即指電池的直徑為18mm，長度為65mm，O型圓柱體型的電池。內部由正極、負極、有機電解液等構成），再將數千個電池單體并串聯在一起構成電池模組。通過將數個電池模組并串聯在一起組成一個電池單元，再將數個電池單元并串聯在一起，就能構成動力電池的總成。電池包內每一節18650電池兩端均設有保險裝置，每個電池片和電池磚都有保險裝置，一旦發現某一單元內部出現問題，保險裝置就會將其切斷與其他電池單元的聯系，從而避免影響整體電池性能的情況出現。另外，每個電池片之間都有相對獨立的空間，由防火墻相隔，即便是單個電池片內部出現了起火的情況，火勢也可得到一定控制，不至于迅速蔓延至整個電池包。電池模組間的隔層、有封閉循環的水冷銅管道散熱。

在電動汽車的底盤內，裝入大量沉重的鋰電池組，以穩定車身重心。好吧，認可這種說法。目前市面上主流的電池種類大致歸為鉛酸電池、鎳氫電池、鈷酸鋰離子電池、錳酸鋰離子電池、磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池（鎳鈷錳酸鋰離子電池）等幾大門類。在目前市面上的新能源電動汽車的電池裝車量主要由三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池兩種。

圓柱外形是前階段的主要形態，如18650型，因為電池內部的有機電解液發熱時，圓柱形結構耐壓強度高，圓柱體個子小也利于散熱。但個子太小，弱點也多，早期特斯拉選18650，也是無米之炊，逐漸過渡到2170（鋰電池的體積從1865、2170到4680，能否再做大點呢？目前技術上有難點，也是筆者的期望哦）。現在，寧德時代的麒麟電池系統重量、以及能量密度均繼續領先行業最高水平。在相同的化學體系、同等電池包尺寸下，麒麟電池包的電量，相較于特斯拉的4680（圓柱型電芯）系統提升13%。無論是4680電池，比亞迪的“刀片電池”結構，還是寧德時代全新的麒麟電池，都是為了在不增加電池體積和重量的基礎上，盡可能的提升電池電量，來滿足車程對續航的需求。

磷酸鐵鋰電池，是指用磷酸鐵鋰作為正極材料，碳棒或石墨層作為負極材料的鋰離子電池。這一類電池的特點是不含貴重金屬元素(比如鈷等，相對成本低些)。在實際使用中，磷酸鐵鋰電池具有耐高溫，安全穩定性強，價格便宜，循環性能更好的優勢。

三元鋰電池是指使用鎳鈷錳酸鋰做為正極材料，石墨作為負極材料的鋰電池。一般是采用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰三元正極材料的鋰電池，把鎳鹽、鈷鹽、錳鹽作為三種不同的成分比例進行不同的調整，所以稱之為“三元”，包含了許多不同比例類型的電池。

磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池相比，優點就是耐高溫性能好，安全性高，循環使用次數高，成本低。但與三元鋰電池相比，低溫性和能量密度稍有遜色。特斯拉進口版采用三元鋰電池，而國產化后，也開始采用寧德時代的磷酸鐵鋰電池。似乎說明北方可以用三元鋰電池，南方選用磷酸鐵鋰電池的理由。但是溫度高了，擔心電池發生分解，釋放出氧原子，再產生劇烈的化學反應，并在高溫作用下極易發生燃燒或爆炸的現象。溫度低了，擔心電池乏力、衰減壽命短。左右為難，這就得靠電池的性能和管理來解決了。

電壓過低或者電池過放，相變導致電池晶格崩潰從而影響電池的性能。甚至會引起負極集流片溶解在電解質中。極端的過放同樣會導致電解質的減少并產生易燃氣體并因此造成潛在的安全風險。高電壓和過充會破壞正極構成并導致大量的熱產生。同樣會導致金屬鋰沉積在負極表面并加速容量衰減和導致電池內部短路并引發安全問題（單電池電壓超過4.5V左右電解質開始分解）。

電動汽車的電池，目前最大的痛點是；充電時間長、續駛里程短！另外，除開充電樁不多、蓄電池的多次充放電壽命短、散熱和自燃、成本高等，都是問題，相信在近幾年內會逐漸得到解決。

電池性能上的改進，目前還存在著很多困難。比亞迪便從電池組結構上著手，開發“刀片電池”可以將電芯呈片狀排列，就像是刀片一樣。這種長電新方案提升了電芯的重組效率，體積能量密度提升高達50%。低溫性能上，防止粒子沉淀，引起電池正負極間刺穿。結構上，能防止震動和碰撞，對電池正負極間隔膜刺穿，防止正負極短路引發的電池發熱爆炸。

比亞迪刀片電池

目前，比亞迪的刀片電池目前采用的還是CTP模式，但E3.0平臺后續也將采用CTC模式，寧德時代也將于2025年正式推出高度集成化的CTC電池技術。

何為CTC模式？CTC是Cell to Chassis的縮寫，即電芯直接集成到車輛底盤上，俗稱底盤電池技術，這是零跑汽車首先提出的方案。直接將電芯集成在底板框架內部，將底板上下板作為電池殼體。它是 CTP 方案的進一步集成，完全使用底板的上下板代替電池殼體和蓋板，與車身地板和底盤一體化設計，從根本上改變了電池的安裝形式。下圖是集4680電池、一體壓鑄車身、CTC底盤技術于一身，新版特斯拉Model Y。

同時，這種電池模組CTC底盤技術，也為一體化壓鑄鋁底盤，或者車身提供了思路、設計、模型、產品廣闊的應用前景。比亞迪全球首個八合一電動力總成融合了“驅動電機、電機控制器、減速器、車載充電器、直流變換器、配電箱、整車控制器、電池管理器”八大部件。集成化、智能化，節能化開創了新的里程碑！盡管目前的一體式壓鑄車身技術還處于起步階段，尚不成熟。電池模組CTC底盤技術，電池更換的問題，怎么較好的處理？還有，蔚來汽車正在力推的換電模式，能否被新陳代謝呢？總之，新能源汽車的競爭賽道，技術日新月異你追我趕，是政策的扶持還是資本的博弈，總結和科普的篇幅會越來越多，版面和水平有限，沒法深入展開了。

22年5月20日，比亞迪全新車型海豹開啟預售，隨著海豹的預售公布，比亞迪還發布了自己全新技術——CTB。不過比亞迪的CTB會更進一步，因為整個電池都是自己做的，所以可以做到高度融合。

在比亞迪海豹的底盤中，CTB刀片電池包的結構靈感來源于蜂窩鋁結構——刀片電池相鄰電芯先是緊密排列在一起，一排排的刀片電池組成的結構就如蜂窩芯，再通過上蓋板和底板組成類蜂窩結構。長條形的刀片電池密布于電池包中，均勻受力，能夠大幅提升電池包結構強度。另外，比亞迪在實驗組安排了一次“暴力”實驗。能夠承受50噸重卡車的碾壓。在碾壓刀片電池后，電池無冒煙、不起火，電池仍處于安全狀態，當該電池包再次裝車后，車輛仍可正常行駛。有了CTB技術和e平臺3.0的加持，電磁即是能量體又是結構件，優化了空間結構。參與整車的傳動力和受力，打造“撞不斷的電動汽車”，CTB技術讓電動汽車的發展更上一層樓。

對于電動車而言，從最初的直接在燃油車上加裝電池，CTP到CTC，再到現在的CTB一體化技術，可以更明顯的看到，高度集成化與一體化的設計注必定是純電動車型的發展趨勢。技術發展滾動向前，永無止境！

目前的鋰電池容量和實用性價比，在重卡車和商用車的使用中較少。上面說的電池問題，都是指輕便車類和轎車類型車。

相信電池的物理外型會由液態，逐漸過渡到半固態、最后到固態。電池的化學性質也會由一價特性向多價轉換。目前的氫、鋰離子的電池都屬于一價離子電池。鋰、鈉、鉀、銣、銫、鈁都屬于元素周期表ⅠA族堿金屬元素，在物理和化學性質方面有相似之處，理論上都可以作為二次電池的金屬離子載體。而鋰資源稀缺，鈉資源豐富，寧德時代正在開發鈉離子電池，其快充性能和低溫性能都較鋰離子電池優異，還有一個最大的優點是使用性能安全，不易起火，不會爆炸。對比鋰電池，鈉離子電池資源廣泛，制造成本低，產業化難度低等等。

還有正在開發鋁空氣電池，其技術原理很簡單，從空氣中吸入氧，與電芯中的水和鋁反應生成電能。其優勢在于，一旦鋁被完全腐蝕，可以為電池更換新的負極（鋁板）和電解質。對于消費者而言，只需將用過的電池換成新電池，使用非常方便。

還有諸多優點的釩電池，跟其余化學電源對比起來，釩電池特性就比較明顯?譹?訛高安全：不會有爆炸，著火的危險，這是其余電池比擬不了的。儲能安全第一位。?譺?訛高效率：它的催化活性高，能量的轉換率在75%以上，鉛酸電池才45%。?譻?訛高功率：能通過單片電池的數量和面積的增加來增加功率，目前國外運行功率可以達到6兆瓦。?譼?訛瞬間充電：換電解液就能達到瞬間充電。?譽?訛響應快：在運行時放充電切換只要0.02秒。?譾?訛成本低：它絕大部分是廉價的材料，豐富，容易回收，成本低，包括釩。在這些優勢下，釩電池在新型儲能技術中未來有望實現快速提升。

22年7月19日從蜂巢能源科技有限公司獲悉，蜂巢能源全固態電池實驗室研發出國內首批20Ah級硫系全固態原型電芯。該系列電芯能量密度達350-400Wh/kg，現已順利通過針刺、200℃熱箱等實驗，量產后新能源車可實現續航里程。

1000公里以上。蜂巢新能源采用的是和當前的鋰離子電池完全不同的硫化物技術路線，化物作為電解質，并且是全固態電池。固態電池因為使用的是固態電解質，在能量密度、安全性、充電速度、循環壽命等等方面都有著巨大的提升，該系列電芯能量密度達350－400Wh／kg，現已順利通過針刺、200°C熱箱等實驗。更為重要的是，它采用的不是傳統的鋰材料作為正負極和電解質材料，而使用硫物質作為主要的正負極和電解質材料。中國科學院物理研究所博士生導師吳凡表示，硫化物全固態電池或將是主流發展趨勢和技術，這是業內共識。歐陽明高院士也曾表示：“硫化物是我們車用全固態電池的主要選擇，因為硫化物是這中間離子電導率最好的一種電解質”。目前已報道的硫化物電解質室溫離子電導率越來越高，可與商品化鋰離子電池所用有機電解液的離子電導率相媲美。硫化物作為主要材料，還有一個好處就是，隨著鋰材料的價格不斷升高，硫化物的使用可以為電池原材料市場降溫，硫資源的儲量也要比鋰資源更高。蜂巢能源是長城汽車旗下的子公司，主要負責新能源動力電池的研發工作，2021年4月，蜂巢能源無錫鋰電創新中心與中國科學院寧波材料技術與工程研究所共建固態電池技術研究中心，致力于推動固態電池技術轉化落地。隨著蜂巢能源旗下的硫化物固態電池的問世，可以預見的是，電動汽車的續航會進一步提升，而充電慢、壽命短、安全性等問題，也會在一定程度上解決。

還有若干未經商業化的科研電池，正在研發中……長江后浪推前浪，不管電池技術怎樣的開發和商用，進步或突破，遲早會普及使用，并帶來全新的電池革命！

據22年06月的最新情況來看，成都至上海的G42高速公路上的國家電網充電樁，充電一次跑四五百公里沒問題，所花時間大約不到一個半小時。下車充電時，伸伸腿彎彎腰，在服務站上的小賣部喝杯飲料，再方便方便，差不多剛好充好。

2022年7月2日據新浪財經最新消息報道擇錄于后；公開資料顯示，麒麟電池系統集成度創新高，能量密度可達255Wh/kg，可實現整車1000公里續航，支持5分鐘快速熱起動，10分鐘快充。據說是以800V級高電壓方案來實現的，將會使充電功率突破400kW，預計會實現充電5分鐘，續航200-300km，將大幅緩解充電焦慮。過去，寧德時代充電慢，帶來的續航焦慮是制約電動汽車行業發展的一大痛點。據機構統計，2021年，支持快充的熱銷車型平均理論充電倍率約為1C，即實現SOC30%-80%需要充電約30分鐘、續航約219km（NEDC標準）。而在實踐中，大部分純電動車實現SOC30%-80%需要充電40-50分鐘、可行駛約150-200km。若加上進出充電站的時間（約10分鐘），純電動車花費約1小時的充電時間僅能在高速路行駛約1個多小時。

據國家推薦標準《電動汽車傳導充電系統》，直流充電輸出電流范圍優先選擇80A-250A。此外，受限于硅基IGBT功率器件的耐壓能力，目前已上市的大多數電動車搭載400V電壓平臺。按此標準，電動車峰值充電功率約為250A×400V=100kW。即100kW級功率充電10分鐘大約補充16.7kWh的電量，對應可行駛100km。這是過去存在的問題，而最近幾年，鋰電池技術出現了逆天突破，續航里程年年增長，充電速度越來越快。盡管寧德時代尚未公布關于電池快充技術的細節（據說是麒麟電池顛覆了傳統水冷，全球首創電芯大面冷卻技術。基于電芯的變化，將水冷功能置于電芯之間，使換熱面積擴大4倍、電芯控溫時間縮短至原來的一半。這意味著，麒麟電池支持5分鐘快速熱啟動及10分鐘快充。），但據業內人士分析稱，該技術或與寧德時代日前發布的CTP3.0麒麟電池做配套。公開資料顯示，麒麟電池系統的集成度創新高，能量密度可達255Wh/kg，可實現整車1000公里續航，支持5分鐘快速熱起動，10分鐘快充。

據報道，22年下半年，寧德時代“M3P電池”已經開始量產，明年將推向市場運用。根據機構的研報，M3P電池是以磷酸鐵鋰電池的結構作為基礎，通過摻雜錳、鎂、鋅、鋁等金屬元素中的兩種，在部分鐵元素點位上形成替代，這樣可以獲得更好的充放電容量和循環穩定性，以改善充放電容量及循環穩定性。從而生成磷酸鹽體系的三元材料，也是三元，?

稱為“M3P電池”。被業界認為是繼磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池后的第三大動力電池方向，是寧德時代基于新型材料體系研發的電池，其能量密度高于磷酸鐵鋰，成本優于三元電池。被認為是最有希望替代磷酸鐵鋰和三元鋰電池的動力電池。其成本顯著低于高鎳三元鋰電池，在中低端車型擁有廣闊的應用前景。，其需求將迎來3年內55倍爆發式的增長，有望改變未來技術發展的格局。

電動車的核心技術，是動力電池！

每一個燃油車消費者最關心的就是發動機，而電動車消費者最關心的則是動力電池。寧德時代的麒麟“M3P“電池，比亞迪的刀片電池，全部都是目前世界先進水平，始終引領整個行業的最高標準。這兩家的動力電池銷量，在2022年1~5月，全球的市占率，已經達到了46%。

在燃油車領域，合資引進多年，始終沒有自己的核心技術，只有搞新能源汽車，才能繞過發達國家在發動機、底盤和變速箱上的技術壁壘，中國汽車行業才有希望實現“彎道超車”。而動力電池領域的技術突破，受到業界、民眾、和政策的支持，確實是彎道超車！

動力電池的超快充技術，涉及到包括超電子網、快離子環、各向同性石墨、超導電解液、高孔隙隔膜、多梯度極片、多極耳、陽極電位監控等等方面技術。帶動一大片產業，在所有工業部門里，汽車制造業是輻射最廣，帶動上下游產業最多的一個分類，因此有工業皇冠的美稱。

二、氫燃料電池

受鋰電池目前在續航和充電時間長這兩個痛點上的影響，也即能量密度的問題。短時間內，鋰電池的這兩個痛點，不可能迅速解決（盡管硫系全固態電池已問世，但還沒有商業化）。那么，氫燃料電池又被提到議事日程上了。氫燃料電池完全克服了鋰電池的短板，且與傳統汽車相比，氫燃料電池車能量轉換效率高達60~80%，是內燃機的2～3倍。氫燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出，等等優點。

了解一下氫燃料電池的原理，就知道其優缺點了。

氫氣從氫燃料電池的陽極板（負極）出發，經過聚合物電解膜中的催化劑（鉑）的作用，氫分子中的兩個電子被分離出來，失去電子的氫離子（質子）穿過質子交換膜，到達氫燃料電池陰極板（正極）。而電子是不能通過質子交換膜的，電子經外部電路，到達氫燃料電池陰極板，從而在電路中產生電流。電子到達陰極板后，與氫離子和空氣中的氧原子重新結合為水。由于供應給陰極板的氧，可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供給氫，給陰極板供給空氣，并及時把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。氫燃料電池發出的電，經逆變器、控制器等裝置，給電動機供電，再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動，就可使車輛在路上行駛。

氫燃料電池的關鍵材料，是聚合物電解膜中的催化劑鉑金屬。鉑金屬材料價格本身昂貴，且在使用中消耗快，這就使得氫燃料電池的價格不菲。看來，突破氫燃料電池貴金屬的消耗，氫燃燒產生電能效率的技術難題，交換膜、隔層、催化劑等是降低成本的首要問題！豐田公司在對氫燃燒時與氧氣間的紊流處理，熱循環的熵值等技術攻堅，對貴金屬的腐蝕減少和燃燒效率提高，有了很大的進步。

盡管我國工業氫氣副產品，石化或煤制氫的產量很多，但氫氣的提純和儲氣、高壓液態儲氫氣技術、車載液態儲氫罐、加氫氣站的分布等（一種新的儲氫技術，氫化物固態儲氫的方式，正在加速研究和發展），有技術難度和費用的問題，更是配套和服務的普及問題。一樣也不能少，也都是一時半會兒所不能普及的。目前，國內加氫站不普及，沒法與充電站相比。另外，氫消耗單價遠高于充電費用。氫燃料電池使用的方方面面問題，仍在探索和普及進行之中。

2021年廣州現代汽車推出了全新一代NEXO氫燃料電池。搭載的第4代氫燃料電池堆，比上一代的電池堆體積更小，功率反而提高20%，永磁同步電機作為直接動力輸出源，最大功率和扭矩分別是120kW、395N·m，配合三個儲氫罐，在五分鐘的充氫時間后擁有超過800km的續航里程。

下圖車展會上的氫燃料電池車，長安深藍C385汽車，是屬于氫燃料電池系統，國內首款量產的自主轎車。廣汽、紅旗也都推出了相應的產品。

目前，氫燃料電池單體輸出電壓比較低，因此需要配合直流升壓轉換器和動力電池使用。從而讓電壓可以適配一定的高壓，以便逆變器驅動動力電機。如果把動力電池的容量再適當放寬，換一個角度來說，氫燃料電池堆當作發電裝置。當儲電不足時，再起動發電對動力電池充電。變成了增程方式了，增加了一套燃氣裝置，成本上升，也不妙。

那么，到底是純電動汽車好呢，還是氫燃料電池車好？目前的性價比來說，氫燃料電池車的購置費用和使用費用，相對要高一些。從能量密度角度的使用情況來說，重卡車和商用車使用的多些，充電用的鋰電池負荷不及氫燃料電池，即目前的鋰電池容量和實用性價比，沒法在重卡車和商用車使用。最終，誰能突破瓶頸，帶來技術革命，使之性價比領先？從現在的形勢來看，氫燃料電池正在奮起直追，發展的下一階段，似乎燃料電池要取代充電電池。