動力電池技術創新有余，突破不足

文/ 本刊記者 鄭雪芹

目前，磷酸鐵鋰、三元鋰、錳酸鋰、鈦酸鋰等是常用的動力電池材料類型，但行業圍繞動力電池技術的研發從未止步，從比亞迪的刀片電池到廣汽埃安的彈匣電池，從蜂巢能源的無鈷電池到寧德時代的鈉電池，宣告著電池技術的一個個優化與創新。

現階段的動力電池技術不乏優化與創新

今年以來，動力電池領域不斷傳來技術新進展，僅7月份就爆出兩則好消息。先是7月16日，蜂巢能源宣布全球首款無鈷電池正式實現量產，其由此也成為全球首家突破無鈷電池技術難關，成功實現產品量產的動力電池企業。據蜂巢能源技術人員介紹，該款電池具有高安全性、高能量密度、高循環壽命和低成本的核心優勢。相比同級別的高鎳三元電池，該款無鈷電芯循環壽命可達到3000次以上，能輕松通過150℃的熱箱測試和140%SOC的過充測試，擁有GB/IEC62660/UL2580/UN38.3等多項標準認證。

隨后的7月29日，寧德時代發布了第一代鈉離子電池。據其介紹，在正極材料方面，該電池采用了克容量較高的普魯士白材料，對材料體相結構進行電荷重排，解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減的核心難題；在負極材料方面，寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料，具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性。

7 月29 日，寧德時代發布了第一代鈉離子電池。據其介紹，在正極材料方面，該電池采用了克容量較高的普魯士白材料，對材料體相結構進行電荷重排，解決了普魯士白在循環過程中容量快速衰減的核心難題；在負極材料方面，寧德時代開發了具有獨特孔隙結構的硬碳材料，具有克容量高、易脫嵌、優循環的特性。

基于上述材料體系的一系列突破，寧德時代研發的第一代鈉離子電池具備高能量密度、高倍率充電、優異的熱穩定性、良好的低溫性能與高集成效率等特點。其電芯單體能量密度達160Wh/kg；常溫下充電15分鐘，電量可達80%以上；在-20%uB0C低溫環境中，擁有90%以上的放電保持率；系統集成效率可達80%以上；熱穩定性遠超國家強標的安全要求。

值得關注的是，雖然鈉離子電池的安全性、經濟性、工作溫度等多項指標都優于鋰離子電池，但鈉離子電池能量密度較低，產品性能相對不高。因此，為了彌補鈉離子電池在現階段的能量密度短板，寧德時代此次發布的鈉離子電池是與鋰電池混搭的，其創新的鋰鈉混搭電池包也一起在發布會上首次亮相。這就是寧德時代在電池系統集成方面提供的AB電池系統解決方案，即鈉離子電池與鋰離子電池兩種電池按一定比例進行混搭，集成到同一個電池系統里，通過BMS精準算法進行不同電池體系的均衡控制。

寧德時代董事長曾毓群解釋稱，“新的應用場景不斷出現，給了不同技術展示的舞臺。鈉離子電池在低溫性能、快充以及環境的適應性等方面擁有獨特的優勢，與鋰離子電池相互兼容互補，多元化的技術路線也是產業長期穩定發展的重要保障?！?/p>

事實上，除了寧德時代外，市場上研究鈉離子電池的企業還有中科海納、格林美等多家企業。今年6月底，中科海納發布了全球首套1MWh鈉離子電池光儲充智能微網系統，該系統以鈉離子電池為儲能主體，推動了鈉離子電池商業化的應用發展。同時，格林美也在今年5月份稱其已經完成了鈉離子電池材料的研發，鵬輝能源也已經做出鈉離子電池樣品并于6月份進行中試。

從寧德時代的“鈉鋰混搭”方案，我們不難看出，在電池技術難以獲得實質性突破的現在，各大電池制造商的主要工作就是針對現有的電池包，整合產業鏈技術進行集成創新。其本質上還是通過結構優化提高電芯通量和體積利用率，通過物理阻隔、冷卻和軟件監控等方式，實現熱監控并阻止熱擴散，廣汽埃安的彈匣電池和比亞迪的刀片電池采用的都是這個路徑。

為了讓三元鋰電池包在針刺后不發生熱失控，不起火，廣汽埃安在今年3月10日發布的新一代動力電池安全技術——“彈匣電池”系統采用了超高耐熱穩定電芯、超強隔熱電池安全艙、急速降溫三維速冷系統和全時管控第五代電池管理系統等安全技術。顧名思義，彈匣電池技術就是打造了一個安全保護殼，將電芯一個個地放進安全艙，酷似彈匣中的子彈，這個子彈既能是三元鋰，也能是磷酸鐵鋰。彈匣電池采用了耐高溫（超1400℃）材料制成，并在電芯之間采用了隔熱材料，可以很好地阻燃隔熱，保證在一個電芯出現問題的情況下不會波及其他電芯。

上述技術無論是針對電芯的材料創新，還是針對電池包的結構創新，其本質上都是一種對現有技術的優化，不能稱之為顛覆性技術。因此，不管是鋰電池的“去鈷”，還是“鈉鋰混搭”，現階段宣布已經量產或即將量產的動力電池技術，都有一個共同的特點，其研發目的是在降低成本、提高安全、增加續航方面找到平衡點，提升整車競爭力。

未來真正稱得上顛覆性的技術向何方突破？

就現階段來看，新能源汽車存在的續航短、充電慢、衰減快、售價高、安全性差、殘值低等諸多痛點，癥結根源直指電池，其性能難以多方兼顧，全面突破面臨挑戰。

那么，未來能夠真正顛覆鋰離子和磷酸鐵鋰電池地位的技術有哪些呢？離量產的距離還有多遠？

就現階段來看，新能源汽車存在的續航短、充電慢、衰減快、售價高、安全性差、殘值低等諸多痛點，癥結根源直指電池，其性能難以多方兼顧，全面突破面臨挑戰。

近來在全球范圍內最熱門的怕要屬固態電池了?，F代汽車的計劃是在2025年試生產配備全固態電池的電動車，2027年部分批量生產，在2030年左右實現全面批量生產。與此同時，大眾、通用、豐田等國際主機廠也在積極布局固態電池的研發和量產應用。在國內，寧德時代、國軒高科、蜂巢能源、贛鋒鋰電、清陶、衛藍等中國電池企業也在積極研發固態電池，商業化應用時間集中在2025-2030年。

所謂固態電池，顧名思義就是使用固體電解質的鋰電池，與目前主流的傳統鋰離子電池最大的不同在于電解質。從工作原理來看，傳統鋰電池由正極、負極、隔膜和電解液組成，而電解液中含有易燃的有機溶劑，發生內部短路時溫度驟升容易引起燃燒，甚至爆炸。而固體電解質材料具有不可燃、無腐蝕、不揮發以及不漏液等特性，即便是在高溫環境下也不會發生副反應。因此，采用固態電解質替代傳統鋰離子電池中的電解液和隔膜，有望提升電池的單體能量密度，在結構上有著更強的溫度適應性，電池使用壽命也相對延長，安全性能將得到有效改善。

作為下一代動力電池的重要技術路線，固態電池被寄予厚望。但總體而言，目前固態電池在世界范圍內尚處于研發階段，距離產業化還比較遠。在固態電池的發展過程中，還存在許多需要面對的問題，一些瓶頸還有待解決。這些難題包括固態電解質材料的鋰離子電導率偏低、金屬鋰反復充放電的循環性問題、電解質可塑性差、界面相容性等方面。

除此之外，鋰硫電池、金屬-空氣電池等也在研發中，技術瓶頸待解，量產遙遙無期。

其中，鋰硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰作為負極的一種鋰離子電池。單質硫在地球中儲量豐富，具有價格低廉、環境友好等特點。利用硫作為正極材料的鋰硫電池，其材料理論比容量和電池理論比能量較高，分別達到1675mAh/g和2600Wh/kg，遠遠高于商業上廣泛應用的鈷酸鋰離子電池的容量（<150mAh/g）。并且硫是一種對環境友好的元素，對環境基本沒有污染，是一種非常有前景的鋰離子電池。

然而，鋰硫電池的主要問題在于，如果電解質使用鋰離子電池中通常使用的有機電解質，則電池容量將隨著充電和放電循環而顯著降低。在電池的充電和放電反應期間產生的硫和鋰的中間化合物將溶解在電解質中并在負極側發生反應，從而大大減少了用于充電和放電的硫量。這些技術瓶頸都是等待攻克的難題。

金屬-空氣電池具有一半電池屬性、一半燃料電池屬性，使用的是空氣和電池內部的化學物質發生反應來產生電能。因為空氣可以隨時獲取，這樣就不需要在電池中儲存含有氧元素的固態物質，這樣一來就可以填入更多的鋰元素來增加能量密度。所以這種電池相比傳統鋰離子電池的能量密度提升可高達10倍。目前主流研究方向主要是鋰-空氣電池和鋅-空氣電池。

金屬-空氣電池最大的技術瓶頸在于反復充電。如果是一次性電池，那么毫無疑問，這種技術具備碾壓式的優勢。然而要想將其制造成可以反復充電的電池，就是非常困難的事情了。由于電池內部的金屬化學物質會因為跟空氣發生化學反應而慢慢變性，因此這種電池在充電幾次之后就幾乎失效了，所以反復充電的壽命問題亟待攻克。