動力電池技術發展瓶頸分析及建議

張微

（工業和信息化部裝備工業發展中心）

發展新能源汽車，是我國由汽車大國邁向汽車強國的必由之路。自2012 年國務院發布實施《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020 年）》[1]以來，我國新能源汽車產業發展取得了舉世矚目的成就，成為引領世界汽車產業轉型的重要力量。

2020 年10 月27 日，由工業和信息化部指導、中國汽車工程學會組織全行業專家修訂編制的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》[2（]以下簡稱“技術路線圖2.0”）在上海正式對外發布，進一步研究確認全球汽車技術“低碳化、信息化、智能化”發展方向，“新能源汽車將逐漸成為主流產品，汽車產業基本實現電動化轉型”成為2035 年我國汽車產業發展的六大目標之一。為了更好地落實“技術路線圖2.0”規劃目標，以下從3 個方面分析新能源汽車發展中動力電池的技術瓶頸，并提出對策建議供行業參考。

1 2019-2020 年中國汽車動力電池產業技術狀況

1.1 動力電池產業態勢

2019 年，我國新能源汽車及動力電池產業面臨“內憂外患”的緊迫形勢。

在產業發展方面，國內動力電池產能結構性過剩問題仍然存在，2019 年度新能源汽車的市場表現差強人意，連續6 個月出現負增長，對動力電池產業的發展產生了負面影響。

在產品成本方面，企業降本增效的壓力和挑戰還較大：一是上游原材料價格波動對電池成本影響較大，二是目前依靠技術迭代實現成本大幅縮減的路徑還在摸索。

在政策導向方面，2019 年度補貼大幅退坡后，整車企業將資金壓力傳導至電池企業，部分企業市場議價能力較弱，盈利水平大幅降低，營收方面過度依賴補貼回款，已經出現經營難以為繼的情況。

在技術發展方面，動力電池關鍵技術研發仍需加強，關鍵材料和新型材料、固態電池等方面的研發投入仍然不足，核心技術專利較為缺乏，成套自動化裝備水平不高，動力電池產品一致性、可靠性還有待提升。

從國內市場來看，隨著新能源汽車產業的快速發展，我國動力電池在生產規模和產品性能上均呈現較大幅度的提升，已涌現出一批具有國際競爭力的優勢企業，但整體上面臨市場增長乏力、成本居高不下、產品安全和質量一致性、技術亟待創新突破等問題。許多鋰電池相關事故的原因，都指向鋰電池的質量缺陷問題，比如生產過程中引入毛刺，活性物質涂覆不均，極耳焊接工藝缺陷等問題。

從實踐中看，在規范實施系統性質量管控的基礎上，電池產品如果出現質量問題,主要原因仍然與電池產品的設計相關聯。例如，為了提升動力電池的能量密度而使用較薄的隔膜，但卻會造成產品的制造質量管控難度提升，產品很容易產生瑕疵等質量問題。

因此，電芯的設計仍然是提高電芯安全性的根本，而質量瑕疵是次生原因所在。

1.2 新能源及動力電池產業2019 年度主要特點

1.2.1 新能源汽車產量出現首次下滑

據行業協會統計，全年共計生產新能源汽車117.68 萬輛，同比下降3.56%；其中新能源乘用車100.73 萬輛、新能源客車9.91 萬輛、新能源專用車11.39 萬輛，以乘用車為市場主體。新能源乘用車中純電動、插電式混合動力車分別為75.18 萬輛、25.55 萬輛。全年總體出現新能源汽車產量下滑，主要受補貼退坡的影響。

1.2.2 動力電池裝車量持續呈現正增長

2019 年度盡管新能源汽車銷量出現首次下滑，但隨著單臺車平均帶電量的增加，全年動力電池裝車量仍呈現正增長[3]，共計裝車62.2 GWh，同比增長9.2%。其中，三元電池為40.5 GWh，磷酸鐵鋰電池為20.2 GWh，錳酸鋰電池為0.5 GWh，鈦酸鋰電池為0.4 GWh，三元電池裝車量仍占據市場主體地位。

從外形工藝看，2019 年方形電池占比進一步提升，圓柱電池市場份額持續收窄。2019 年我國方形、軟包和圓柱動力電池裝車量分別為51.8GWh、6.3GWh 和4.1GWh,分別占動力電池總裝車量的83.2%、10.1%和6.7%。

包裝路線作為影響能量密度的重要因素，競爭格局隨能量密度趨勢發生變動。電池包裝路線分為方形、圓柱和軟包3 類，理論能量密度上限從高到低依次為軟包、方形和圓柱。2019 年乘用車中，方形電池裝機量為34.32 GWh（同比增長45.04%），軟包電池裝機量為5.86 GWh（同比增長16.55%），圓柱電池裝機量為2.06 GWh（同比下降53.03%），方形電池裝機量和增速超過軟包、圓柱形2 類電池，對圓柱形電池的替代趨勢明顯，如表1～表3 所示。

表1 2019 年方形電池裝車量前五名企業

表2 2019 年軟包電池裝車量前五名企業

表3 2019 年圓柱電池裝車量前五名企業

1.2.3 動力電池產業集中度進一步提高

2019 年，隨著補貼大幅度退坡和市場對電池產品質量要求的進一步提高，2019 年全年共計79 家動力電池企業為整車配套，相比2018 年減少14 家。

排名前3、前5、前10 的動力電池企業動力電池裝車量分別為 45.6 GWh、49.2 GWh 和 54.7 GWh，占總裝車量比分別為73.4%、79.1%和87.9%，行業集中度明顯上升。

1.2.4 動力電池技術水平進一步提升（帶動成本下降）

根據2019 年6 月26 日開始執行的新補貼標準，160 Wh/kg 以上車輛能夠獲得1 倍補貼，新能源汽車動力電池能量密度提升將是行業發展的重要方向，補貼政策或許能夠幫助推動高能量密度電池占比。2019 年動力電池系統能量密度的分布，進一步證明電池產品的優勝劣汰。預計2020 年160 Wh/kg 的電池占比將會顯著提升。

2019 年動力電池裝機主要集中在140 Wh/kg 以上區間，其中又以按2018 年標準可獲得1.1 倍補貼系數的140～150 Wh/kg 的產品裝機最多。

2019 年160 Wh/kg 以上電池裝機量為9.86 GWh，主要供應商為寧德時代（6.26 GWh）、比亞迪（1.51 GWh）、孚能科技（0.37 GWh）。

2019 年度，三元電池和磷酸鐵鋰電池系統能量密度分別達到182 Wh/kg、145 Wh/kg，帶動電池成本進一步下降。以寧德時代、天津力神為代表，300 Wh/kg 的單體電池產品技術開發已取得顯著進展；以中科院物理所、衛藍等為代表，固態電池技術研發也取得一定程度的進展。

1.2.5 動力電池安全成為全產業關注的焦點

據不完全統計，2019 年全年起火事故車輛高達70余輛，事故比例較高。

盡管整車安全涉及到多個方面，不能單單歸咎于某單個技術環節，但整車安全控制技術、電池安全技術及熱擴散控制技術，以及充電安全預警技術等，是產業能否高質量發展的關鍵所在。

2 新能源汽車動力電池技術問題瓶頸

2.1 鋰電芯的安全問題是技術瓶頸的根本

從技術路線圖1.0 發布以來的技術實踐可以看到，鋰電芯的安全問題是技術瓶頸的根本。在近十多年的電池行業研究中，已確定鋰電芯的安全問題跟材料有很大的關聯性。比如隔膜材料，目前PE/PP/PE 塑料復合隔膜的融解溫度基本在150℃左右，但雙面陶瓷涂覆的PE 隔膜融解溫度則可以達到180℃以上，選擇后者可以有效地提高電芯耐高溫能力，并降低熱失控的機率。

不同正負極材料的鋰電池，安全性差異也較大。LiFePO4 電芯的能量密度較低，但其熱穩定性更好，三元電芯的能量密度較高，但其安全性較差，選擇前者無疑有利于電池安全性的提高。

最關鍵的是鋰電池電解液本身便是可燃性材料。全球許多鋰電池研究機構都在研究利用難燃性的電解液，或者阻燃性的添加劑，來改善鋰電池的安全性。然而，這些開發技術多數仍然不夠成熟，通常會影響電池效能或者壽命，因此仍然無法被市場所接受。以現階段新能源汽車推廣應用的實踐經驗而言，鋰電池起火風險始終是無法避免的安全議題。

2.2 電池系統輕量化技術是技術瓶頸的工程難題

行業數據顯示，圓柱電芯模組的成組效率約為90%，系統成組效率約為70%；軟包電池模組的成組效率約為89%，系統成組效率約為65%；方殼電池模組的成組效率約為92%，系統成組效率約為75%。

按照目前的成組效率計算，要達到《促進汽車動力電池產業發展行動》中提出的2020 年新型鋰離子電池系統能量密度達到260 Wh/kg 的要求，圓柱單體電芯需達到370 Wh/kg，軟包單體電芯需要達到400 Wh/kg，方殼單體電芯需要達到347 Wh/kg，難度較大。

基于行業組分材料分析，提高成組效率成為提高動力電池系統能量密度的另一條出路。動力電池系統輕量化設計，是提高系統成組效率的關鍵技術之一，對提高動力電池系統質量能量密度起到非常重要的作用。

動力電池模塊和箱體結構優化，是在保證電池包結構強度的基礎上，減少非儲能物質的運用。通過CAD/CAE/CAM 一體化技術對電池箱結構進行優化和分析，實現箱體內部零部件的精簡、整體化和輕量化，是電池箱體設計過程中的主要方法。

輕質新材料的使用，比如已經初步實現運用鋁合金材料；同時，高強鋼強度的大幅提升，可以幫助實現箱體的薄壁化設計，從而實現動力電池包的輕量化設計。復合材料具有輕質高強度等優良性能，如SMC、BMC 等熱固性復合材料在動力電池箱體輕量化發展方向上能夠發揮重要作用。碳纖維復合材料由于高成本的限制，應用較少，但隨著復合材料的成本降低，未來復合材料有望在電池包箱體上實現大規模的應用。

3 動力電池系統的安全防護作為解決方案突破點

動力電池系統是由電芯、模組、控制系統、輔助功能模塊、外殼等組成的一個完整系統。在整車行駛過程中，電池系統不斷受到各種嚴苛的機械環境條件，比如高低溫沖擊、振動和機械沖擊，道路石子撞擊、交通車輛碰撞等異常情況，電氣連接部分逐漸或突然松脫，造成連接處阻抗明顯增大，產生大量熱量，熱量傳導給電池，最終導致局部電池熱失控并迅速擴散到整個電池造成整個車輛的起火。

市場上多起整車起火案例或電池產品的起火案例，都與電氣連接松脫有關。比如2008 年2 月豐田普銳斯插電式混合汽車的起火事件，由于電池模組輸出端的連接點組裝工藝出錯，造成連接處無法有效鎖緊，并且無緊固裝置。

為此，應從設計、質量管控和濫用防護等3 方面協同考慮動力電池系統安全防護措施。尤其是設計環節，是實現動力電池系統安全的首要條件。建議在電池系統安全設計方面，關注電池包外殼機械強度、內部塑料絕緣件絕緣衰減、電池包內部的線纜固定、電氣連接鎖緊裝置、高壓電路防護、動力電池高壓互鎖、電池系統熱管理等關鍵相關因素，對動力電池系統開展正向設計。

此外，多材料、輕量化的動力電池包箱體設計開發，是未來發展趨勢之一，在箱體不同部位應用不同材料、實現最優箱體結構設計的同時，開展高強鋼、高性能鋁合金、碳纖維增強復合材料、工程塑料和合成橡膠及制品等車輛輕量化關鍵材料產業化應用。

還應強調，動力電池的安全標準無法涵蓋所有的濫用情況,尤其是極端濫用條件，比如說高速碰撞、碰撞后落水、異物刺穿等情況，動力電池廠家應根據整車的性能和安全要求以及失效風險分析制定電池的安全方案和測試驗證規范，將相關風險控制在整車行業可接受的水平。

4 結論

新能源汽車未來十五年的發展，汽車產業技術進步仍然日新月異，企業將繼續面臨汽車產業內外部環境不斷發生變化的嚴峻挑戰。文章所介紹的新能源汽車動力電池產業現狀、特點、發展趨勢、存在問題、建議及解決方案，因調研收集材料局限，分析僅為一己之言，還望企業實體參考使用。為了保障新能源汽車技術發展的科學性、時效性和引領性，希望行業同仁在工業和信息化部的指導下，按照新能源汽車產業規劃（2021～2035 年）及新能源汽車技術路線圖2.0 的指引，持續開展動力電池技術攻關工程，為行業總體發展提供有效解決方案。