自20世紀90年代SONY正式將鋰離子電池商業(yè)化以來，鋰離子電池技術的原理和基本配置一直沒有革命性的進展，但相關的新材料不斷涌現。關鍵設備和生產技術發(fā)展迅速，電池和電池系統的設計不斷創(chuàng)新和改進。

電池單元的能量密度從最初的80Wh/kg增加到目前的近300Wh/kg，電池成本逐年下降，這也表明鋰離子電池技術取得了顯著進步。

近年來，隨著新能源汽車動力電池的快速發(fā)展，新的電池技術層出不窮。本文總結了近年來的一些新技術。

 

特斯拉新電池技術：4680大型圓柱形電池

在電池日上，特斯拉公布了其4680大型圓柱形電池技術。4680電池直徑46毫米，高度80毫米，比特斯拉之前的2170電池更大。

根據官方數據，4680電池的能量密度將提高5倍，功率輸出將提高6倍，每千瓦時成本將降低14%，電池的型號范圍將增加16%。其主要創(chuàng)新如下：

 

 

（1） 電池尺寸優(yōu)化

考慮到電池能量密度、散熱特性和電池組性能，電池的外殼直徑優(yōu)化為46 mm，高度為80 mm。

（2） 無凸耳設計

特斯拉4680電池技術采用了無凸耳的設計，正極和負極集流體從卷芯的兩側泄漏，并通過集流體直接與電池的正極和負極端子連接。從電極接線片的角度來看，電池的功率特性得到了改善，電流密度以較大的速率均勻分布。

當陰極材料不在涂層一側時，一側涂層邊緣上的陰極電極，而當在電池陰極和陽極上進行耳焊時。

陰極和陽極通過隔膜離開電極，電流在收集流體之間流過的距離短，可以實現高功率密度，電極熱值小。

4680電池技術在能量密度和功率輸出方面具有一些優(yōu)勢，但由于線圈芯中的電極較長，可能會加劇內部電流和溫度的不均勻分布。隨著圓柱體直徑的增加，由于電池的表面積/體積比的降低，有效的熱管理可能存在問題。

 

 

為了解決這些問題，特斯拉提出了一種“無陽極耳朵”的電流收集模式，通過使用集電箔本身（箔邊緣）收集電流，這種模式在電池內部更均勻地分布。

（3） 干電極技術

特斯拉的干電極技術包括三個步驟：（I）干粉混合，（ii）從粉末到薄涂層的成型，以及（iii）將薄涂層壓到集電體上，所有這些步驟都不含溶劑。干電極工藝是可擴展的，可以適應當前的鋰離子電池化學系統和先進的新型電池電極材料。

大量商用陽極材料（如硅基材料和鈦酸鋰（LTO））和陰極材料（如層狀三元NMC、NCA、LFP、硫）證明了干電極工藝的穩(wěn)定性和通用性。

（4） CTC技術（電池到底盤，電芯直接集成到車輛底盤中）

4680電池直接安裝在底盤上，進一步減少了電池組的數量和重量，從而增加了車輛的續(xù)航里程。馬斯克表示，CTC可以節(jié)省370個零件，減輕10%的體重，并將每千瓦時的電池成本降低7%。

比亞迪新電池技術：刀片電池

刀片式電池技術直接拉長電池部件，并像刀片一樣將其集成到電池組的框架中，省去了模塊和大多數結構部件，并直接由電池單元封裝。

此外，較薄的厚度還進一步減少了穿刺過程中的熱量積聚，并提高了電池組的強度和安全性。比亞迪表示，刀片式電池組的成本比普通磷酸鐵鋰電池低30%，單位體積的能量密度高50%。

常見的新能源汽車，其寬度一般在1米以上，長度在幾米以內；新能源汽車的動力電池組一般放置在新能源汽車底部；目前，市場上的動力電池組與新能源汽車的寬度大致一致，約為1米或更長。

 

 

同時，兩個相鄰的單電池需要通過外圍設備的電源連接器連接。因此，存在許多單電池的安裝結構，這不僅增加了成本，而且增加了整體重量。

并且單個電池的安裝結構占用了封裝的更多內部空間，導致動力電池封裝的總容量減少。并排放置的單個電池越多，浪費的空間就越大。

此外，由于需要設置多個外部電源連接器進行電源連接，導致內部電阻增加，因此提高了使用中動力電池組的內部消耗。

單刀片電池的長度L設計為600mm-2500mm。因為單個電池體足夠長，所以在單個電池的外表面上設置支撐區(qū)域。單個電池可以直接支撐到支撐區(qū)域。

汽車底盤配備有向下凹腔至單體電池組件，這樣，在電池組內部不設置任何加強肋，放置在電池組電池陣列中，通過單體電池和電池之間的粘合劑，直接通過連接單體電池承擔加強肋的作用，大大簡化了電池組的結構。

此外，加強件和單個電池的安裝結構占用的空間減少，從而進一步提高空間利用率，進一步提高續(xù)航能力。

通過葉片電池技術的尺寸參數設計，可以提高電池的散熱效果。在快速充電的相同條件下，刀片電池的溫升不同程度地低于傳統電池，這優(yōu)于現有電池技術的散熱效果。

 

 

當單個電池組裝成電池組時，電池組的溫度升高也會降低。電池組通過設計單刀片電池布局、尺寸參數等因素，空間利用率可以突破現有電池組的限制，從而實現更高的能量密度。

 

寧德時代的新電池技術：Cell-to-Pack（CTP）

Cell-to-Pack（CTP）電池技術，也稱為模塊化設計。多個電池直接布置在盒子中，而無需將多個電池組裝成模塊。零部件數量大大減少，底盤空間利用率大大提高，制造成本進一步降低。

動力電池高效組CTP電池技術打破了行業(yè)固有的“單體單元模塊組電池組”三組設計思想，電池組的結構高度集成，新的工藝開發(fā)和優(yōu)化了電池熱管理，開發(fā)了新的動力電池高效的組CTP技術，實現兩級組&“單體直接組電池組”。

根據寧德時代發(fā)布的數據，其CTP電池組體積利用率提高了15%-20%，電池組零件數量減少了40%，生產效率提高了50%，動力電池的制造成本大大降低。

同時，減少了傳統模塊的生產流程，生產效率提高了20%。批量生產的電池組重量能量密度超過170Wh/kg，而正在開發(fā)的產品電池組重量能源密度達到215Wh/kg。

 

 

CTP電池技術將一個大模塊分成幾個小空間，其中有幾個塑料散熱器，可以插入一個小空間，比如電腦硬盤。每個電池的側面都安裝了一個熱硅膠墊圈，在電池寬度的散熱板上有一個冷卻通道，可以直接連接到外部冷卻管路。

這將模塊之間的線束、側板、背板等部件的數量減少約40%。通過移除電池模塊并將電池直接集成到電池串中，可以提高電池串的空間利用率，可以降低電池串的質量，可以提高能量密度，并且可以降低成本。

 

中航鋰電的新電池技術：一站式電池

中航鋰電在2021世界新能源汽車會議（WNEVC）上公布了一站式電池技術，這是該公司為TWh時代設計的新電池技術。

使用該電池技術后，三元鋰電池系統電池的能量密度可達到300Wh/kg，電池組的能量密度可達240Wh/kg；里程可達1000公里。根據磷酸鐵鋰電池，電池系統和電池組的能量密度可達到200Wh/kg和160Wh/kg，里程可達700km。

電池級：采用0.22mm薄殼技術、多維外殼成型技術、“蓋板”設計、多功能復合包裝技術、模塊化柱、一體式電連接技術、高剪切外絕緣技術、柔性壓力技術。

它可以提高空間利用率，結構重量減少5%和40%，減少25%，備件，成本降低15%。

生產工藝：電池生產工藝，采用超高速復合層壓，現場無塵組裝技術，高速薄壁焊接技術，流體收集直接焊接技術。

因此，這種電池技術可以將生產效率提高100%，生產空間減少50%，制造成本減少30%，能耗減少60%，異物“零”引入風險。

 

 

電池系統：采用模塊技術、極簡系列拓撲電連接技術、復雜嵌入式外殼技術和高效熱管理技術、集成表面技術、積木拼接組技術、熱失控抑制技術。

它可以提高空間利用率，將能量密度提高5%和10%，減少20%的零件，在熱效率提高的同時，成本提高10%50%。

 

廣汽集團新電池技術：彈匣電池技術

彈匣電池是一種專門為提高動力電池安全性而設計的系統電池技術。它是一套從電池單元的本質安全提示到被動安全強化和主動安全預防和控制的安全技術。

彈匣電池技術的四大核心包括超高耐熱性和穩(wěn)定性電池芯、超高隔熱電池安全艙、快速冷卻系統和具有全時控制的第五代電池管理系統。

（1） 超耐熱電池

通過正極材料的納米涂層和摻雜技術以及新添加劑的應用，實現了SEI膜的自修復。高安全電解質，自聚合高阻抗界面膜，大大降低熱失控反應熱。

這一系列關鍵電池技術的應用使電池的耐熱溫度提高了30%。電池的正極是三元鋰。

（2） 超級隔熱電池艙

彈匣電池技術采用超級隔熱電池安全室和網狀納米孔隔熱材料，可防止相鄰電池的熱失控。電池倉充當一個存儲庫，將電池單元彼此分開。電池組采用耐高溫外殼，可承受1400℃的高溫。

 

 

（3） 快速冷卻3D冷卻系統

采用全貼合液冷一體化系統，高效散熱通道設計，高精度導熱路徑設計，散熱面積提高40%，散熱效率提高30%。

（4） 第五代電池管理系統的全時控制

除了上述硬件改進之外，BMS軟件為彈匣電池的安全提供了最后一道屏障。最新一代電池管理系統芯片每秒可實現10次全天候數據采集，比上一代系統多100倍。

電池可監(jiān)控24小時。如果發(fā)現任何異常，可立即啟動電池快速冷卻系統以冷卻電池。

 

長城汽車新電池技術：永不燃燒、永不起火的大禹電池系統

大禹電池技術集熱分區(qū)、雙向轉換器、熱通量分布等8大設計理念，在開發(fā)基于新型電池和高溫絕熱復合模塊模塊的雙復合材料的基礎上，在大禹電池的雙重保護下，實現熱源的有效分區(qū)。

（1） 熱源的有效分隔

至于電池，所有電池之間采用了新開發(fā)的雙層復合材料，可以隔離熱源，抵抗火焰沖擊，有效解決了傳統氣凝膠無法抵抗沖擊的痛點。

同時，考慮到不同化學體系中細胞的不同膨脹特性，雙層復合材料的設計不僅可以有效解決細胞膨脹的空間需求，還可以隔離熱源。

對于模塊，每個模塊之間使用高溫絕緣復合材料，以防止火焰沖擊和長時間傳熱。防護罩設計有定向爆炸排放口，可快速排出模塊內部的高溫氣體和火流，避免模塊內部的熱擴散。

（2） 雙向換向

電池熱失控過程中會產生大量高溫高壓氣體和火流。

大禹電池技術通過模擬多種類型的轉換器通道設計方案，實現轉換器強度和比例的精確設計，根據預定軌跡有效控制熱源流量，減少對相鄰模塊的熱影響，并可避免再次點燃。

（3） 熱流分布

通過構建燃燒模型、熱力學和流體力學的擬合模擬、沖擊強度和壓力計算等虛擬技術，可以實現不同結構通道內氣體火焰的均勻分布。電池組中設計了縱向通道。

縱向通道在底部與換向器通道連接，并在空氣壓力的作用下上下流動。根據熱量影響的大小、氣流強度和溫度變化，根據熱源軌跡流動，避免對相鄰電池和相鄰模塊產生劇烈的熱沖擊，造成第二次熱失控。

 

 

（4） 定向EOD

可將火源快速引導至滅火通道，通過分流、分流、換向等方式安全排放。通道中的壓力和流量被均勻地調節(jié)，以消除熱量集中，并使氣體火流在通道中均勻地流動。

高溫氣體，如NCM811電池，可通過定向引爆和換向將溫度從1000°C以上迅速降至200°C以下。

（5） 自動滅火

在電池組的定向爆炸放電出口處設置多層不對稱蜂窩結構，以實現快速的火焰抑制和冷卻。

通過多點、均勻、小型化設計，有效減少體積和重量，提高冷卻效果。從電池組流出的空氣和火的溫度低于100℃。

（6） 正壓電阻氧氣

根據蜂窩孔徑和單位氣體質量流率，在通道和滅火設計中，通過多次試驗優(yōu)化了滅火孔徑的大小，袋內壓力始終高于袋外壓力，以避免氧氣進入引起二次燃燒。

（7） 高溫絕緣

在熱失控過程中，傳統設計的高溫絕緣材料會燃燒殆盡，電池組中的金屬部件會產生電弧。高溫絕緣材料是為了使電池組中高壓部件絕緣。

（8） 智能冷卻

為了電池安全，該電池技術具有智能冷卻監(jiān)控和自動冷卻啟動系統。當電池管理系統識別出電池芯已觸發(fā)熱失控時，它可以通過BMS和云雙重監(jiān)控確保車輛的冷卻系統能夠快速打開，并抑制熱擴散。

 

期待更多新電池技術的誕生！