NO.485
中国电动汽车百人会
1 2 3动力电池技术创新主体动力电池技术创新水平动力电池技术创新方向
4动力电池技术创新趋势及挑战
动力电池技术是制约新能源汽车产业发展的关键因素之一。如何解决电动汽车续驶里程较短、充电时间达不到传统车加油时间、动力电池衰减过快、动力电池成本较高导致整车价格过高、安全事故频发问题，成为动力电池技术创新的关键。
动力电池能量密度提升、充电特性改善、提高循环寿命、降低成本、提高安全性是新能源汽车市场发展的需求，我国动力电池技术政策也将其作为突破重点。
本课题通过搜集2016年6月-2017年11月的300多个与电池技术突破相关的报道，经过筛选梳理出151个与以上5个技未突破重点相关的案例，作为本课题研究的依据。
(一）动力电池技术创新主体
通过对统计的典型创新案例分析发现，研究机构及大学等对前瞻技术的研究较企业多，151个创新案中，仅有33个与企业有关，仅占21.8%。
这与企业基于技术的保密性有直接联系，企业为了保证竞争优势对创新技术公开较少；研究机构与大学一般案例较多，主要作为学术研究，其中创新案例数量最多的为中国科学院，达到36个，占比超过23.8%。
图12创新主体分布情况
通过统计的创新案例发现，企业比较注重提升能量密度、改善安全性和充放电特性，而研究机构/大学与企业的创新重点基本一致，这几个性能改善案例数量最多，其中能量密度提升案例达到52个，占比达到34%。
图13不同创新方向案例数量
注：1、统计是基于本文已收集的典型公开报道案例；
2、性能提升不完全基于某一种电池，是不同类型电池或材料在其特定领域的改善；
3、部分案例是几种性能的综合改善，性能改善数量大于案例数量。
图14不同创新主体创新方向统计
(二）动力电池技术创新水平
通过对收集的典型创新案例技术指标梳理，可以发现，目前一些产品的关键指标已经得到提升。
在能量密度方面，铝空气电池能量密度达到780Wh/kg，锂硫电池达到350Wh/kg，固态电池达到360Wh/kg;在充电倍率方面，典型创新性产品最高充电倍率已经超过100C。
在循环寿命方面，典型创新产品已经能够超过15000次。
图15典型创新产品能量密度（单位：Wh/kg )
图16典型创新材料和产品充电倍率（单位：C )图17典型创新产品循环寿命（单位：次）
(三）动力电池技术创新方向
1、提升能量密度
我国非常重视动力电池能量密度的提升，相关规划也都提出了能量密度的发展目标。案例分析发现，能量密度的提升主要基于提高正负极材料容量与开发的新型电池，比如Cr2O5、高镍、富锂正极材料、硅负极材料、石墨烯材料、在现有材料基础上添加硅纳米颗粒等方式，以及新型电池如锂硫电池、金属空气电池、全固态电池等。
综合来看，提升动力电池的能量密度主要有三个方向：一是提高工作电压，二是提高正负极活性物质的比容量，三是优化结构设计。
提升工作电压。在其他技术条件相同前提下，动力电池能量密度与正负极电压差成正比例关系，提高正极材料电压、降低负极材料电压成为一个重要方向：比如高电压的尖晶石镍锰酸锂材料，其工作电压可达5.0V，电压平台在4.7V左右，相对目前主流三元电池4.2V提升19%，北京交通大学研制的高倍率性能纳米富锂材料电压也能达到4.8V，能够提升14%。
图18创新材料电压提升情况（单位：V )
提高比容量。
提升动力电池能量密度的另一途径是提高正负极活性物质的比容量。
比如中国科学技术大学研制的Cr2O5正极材料比容量可达275mAh/g，相对目前主流三元正极材料200mAh/g，提升37%;中国科学院长春应用化学研究所研制的锂离子纳米复合负极比容量能够达到956mAh/g以上，相对目前主流石墨类负极材料的理论比容量372mAh/g，提升157%。
图19创新材料容量提升情况（单位：mAh/g )
优化结构设计。提高锂离子电池的比能量从结构上讲，要提高正负极活性物质在锂离子电池中所占的比例。例如特斯拉的21700电池，就是通过使用直径更大的电芯，增加电芯的高度提高活性物质占比，减少结构件等非活性材料的比重，提高锂离子电池的比能量，单体能量密度达到300Wh/kg，相对18650电池提升20%。
图20特斯拉21700电芯与18650电芯对比
2、改善充放电特性
提高动力电池的充放电倍率，满足消费者快速充电的需求，是新能源汽车产业发展的一个重要方向。案例分析发现，充放电倍率改善主要有Li/LiFePO4固态电解质、纳米材料、三维石墨泡沫集流体结构负极等，以及钛酸锂电池、金属空气电池和闪充电池等新型电池。
综合来看，提高动力电池的充放电倍率主要有三个方向。一是提高离子迁移速度，二是提高电解质的离子电导率，三是减少电池内阻。
提高离子迁移速度。正负极材料对锂离子的扩散系数有显著影响，选择扩散系数比较高的正负极材料，是改善倍率性能的重要方向。比如中国科学院福建物质结构研究所和温州大学合作，合成了由高导电碘掺杂石墨烯包裹的三明治型NbS2@S@IG正极材料，NbSi2的高电导率和孔隙率提高了界面电荷转移和离子迁移速度，由NbS2@S@IG组装的Li-S电池，在20-40C的高倍率下，表现出优异的循环稳定性。
图21 NbS2@S@I G电极在20、30和40C下的循环性能
提高电解质导电率。在大倍率充放电时，电池的电化学窗口变化范围非常宽，如果电解质的化学稳定性不好，容易在正极材料表面氧化分解，影响电解质的离子电导率。目前锂离子电池所采用的有机电解质，不管是液体电解质，还是固体电解质，其离子电导率都不是很高。选择具有较高的离子传导能力、良好的化学稳定性且与电极材料匹配的电解质是提高动力电池倍率性能的一个重要方向。
降低内阻。不同物质之间的界面所形成的电阻值，会对离子或电子的传导产生影响。可以通过正负极活性物质内部添加导电剂、改变集流体材质、电解质与正负极材料的浸润程度、控制SEI 膜变化等途径，提升动力电池的倍率性能。
比如滑铁卢大学利用碳纳米管与LiMn 2O 4合成不需要使用粘结剂的电极，其中碳纳米管既是粘结剂，又是导电剂、集流体。这种电极由于具有碳纳米管之间良好的连接，使得极片电阻极大的降低。电极的多孔结构使得活性物质LiMn 2O 4与锂离子交换更快，
提高了电池的倍率性能，在20C 充电倍率下有较好性能。低离子导电率低化学稳定性高离子传导能力高化学稳定性与电极材料匹配
图22电解质提高充放电倍率的方向
