電動汽車發展如火如荼，動力電池作為最重要的部分之一，它的發展對電動車的續航和安全有著決定性的作用。最近我們經常聽到一些名詞比如固態電池、蜂巢能源的果凍電池、蔚來汽車鎳55電池、智己汽車摻矽補鋰以及CTP/CTC技術等。其實這麼多技術方向，根本目的都是為了提高電池的能量密度和安全性。在這篇文章中，小編帶你來梳理下與之相關的技術路徑。

提升能量密度和安全性的路徑

先思考一個小問題：如果一個人去野外探險，揹包裝滿了食物，那麼如何讓食物供應更持久呢？最容易想到的方法一個方面是，裝的食物的熱量以及密度儘可能高，比如壓縮餅乾、巧克力等，另一個方面就是合理分配包裡面的佈局，裝儘可能多的食物。

工程師們絞盡腦汁的為了提高電池包的能量密度，也是用的類似兩個路徑：電芯密度提升和系統（電池包）密度提升。提升電芯密度相當於食物本身熱量更高；系統密度提升相當於揹包裡面裝更多食物。當然在提升能量密度的同時，安全性始終是重中之重。為了提高電池能量密度和安全性，廣大的工程師們做出了哪些努力以及當前出現了哪些新技術呢?現在我們就結合最近的新聞來探討下。

1 如何讓食物本身的熱量更高？——電芯能量密度提升

電芯由三部分組成，正極、負極以及正負極之間的電解質，提升能量密度就從這三方面入手，我們一個個來看。

正極—鎳55單晶材料

近期蔚來發布的100kWh電池包，也就是寧德時代此前宣佈的“只冒煙不起火”電池，在不改變電池包外殼尺寸和幾乎不增重的前提下，能量密度提升37%，大幅增加了續航里程。新款電池採用的鎳55三元電芯，是能量密度提升的重要因素。它的正極材料是一種高電壓的單晶材料。什麼是單晶？回答這個問題前，我們先看看正極材料的技術方向。

所謂“三元”鋰電池指的是其正極材料有鎳、鈷、錳（NCM）三種元素，鎳用於提升容量，鈷為了穩定結構，錳作用在於降低成本以及提高材料的結構穩定。鎳比例越高、鈷和錳比例越少則能量密度越大，但安全性降低。

為提升能量密度，NCM配比從“111（N:C:M=1:1:1）”，提升到“523”，再到“811”。該路線一直是三元正極材料發展的主流方向。

另一個方向對應的就是單晶路線（重點來啦）。新發布的電芯正極使用的是單晶5系材料。單晶材料更適合做高電壓。目前，商業化的三元正極材料大多是由奈米級別一次顆粒團聚形成的10微米左右的二次球型多晶材料。對多晶、單晶沒有概念的可以參照一下石英砂與玻璃，兩者同樣都是二氧化矽，石英砂就是多晶材料，玻璃則可以認為是單晶材料。

多晶NCM內部存在大量晶界（grain boundary），在電池充放電過程中，由於各向異性的晶格變化，多晶NCM容易出現晶界開裂，導致二次顆粒發生破碎，比表面積和介面副反應快速增加 （圖3），導致電池阻抗上升，效能快速下降。而單晶型三元材料內部沒有晶界，可以有效應對晶界破碎及其導致的效能劣化問題[1]。因此，單晶結構可以實現更高的電壓，不僅如此，還提升了三元材料的迴圈穩定性，大幅提升了電池安全性。

這是正極材料，下面看看負極。

負極—“摻矽補鋰”技術：

近期有訊息稱，智己汽車正在與寧德時代共同開發“摻矽補鋰電芯”技術，雙方將共享技術專利。智己汽車表示，這款電池的能量密度較現在行業領先水平降高出30-40%，最高可實現約1000km續航、20萬公里零衰減，這款電池將透過電芯材料配方的最佳化、成組技術隔熱阻燃，以及全鑄鋁電池包殼體封裝技術，結合BMS端雲協同管理保證電池安全。

什麼是“摻矽補鋰電芯”技術？

傳統鋰離子電池的石墨負極密度較低，為追求高密度，新的負極材料矽碳、矽氧成為企業追逐的新熱點。但是矽氧會存在首次效率低，需要補鋰的問題。液態鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相介面上發生反應,形成一層覆蓋於電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種介面層,具有固體電解質的特徵,是電子絕緣體卻是Li+ 的優良導體，Li+ 可以經過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質介面膜”( solid electrolyte interface)簡稱SEI膜（正極也有層膜形成,只是現階段認為其對電池的影響要遠遠小於負極表面的SEI膜[2]）。矽碳負極補鋰工藝是在矽碳負極表面預塗一層鋰金屬，該塗層與負極緊密接觸，在灌注電解液後與負極發生反應嵌入負極顆粒內部，預存一部分鋰離子在負極內部，從而彌補首次充放電或者迴圈過程中由於形成或修復SEI膜所需要消耗的Li離子。相比於高難度、高投入的負極補鋰工藝，正極補鋰就顯得樸實多了，典型的正極補鋰的工藝是在正極勻漿的過程中，向其中新增少量的高容量正極材料，在充電的過程中，多餘的Li元素從這些富鋰正極材料脫出，嵌入到負極中補充首次充放電的不可逆容量。透過這種複雜的補鋰工藝，可以實現負極材料的密度提升。目前尚不知道智己汽車具體是哪種技術，但智己汽車將應用這種高階鋰電池基本已成定局。

最後看看電芯能量密度提升的最後一環——電解質。

電解質—固態電池 & 果凍電池

當地時間12月8日，由大眾和比爾蓋茨支援的初創公司QuantumScape公佈了其最新固態電池的訊息，並表示電池將於2024年投產。此種固態電池，相較於傳統鋰離子電池有了顯著的改進：它們可以將電動汽車的續航里程提高80%。下面我們來探討下什麼是固態電池，它的好處又是什麼。

在提高電池能量密度的同時，電池的安全性是不得不考慮的問題。從根本上消除鋰離子電池的安全隱患仍在於電池材料安全性的提高。但對於正極材料，這兩方面是矛盾的。比如，前面已經講到，提高鎳含量能夠提高能量密度，但是鎳含量提高意味著安全性降低.有什麼辦法從別的方面加強電池的安全性，從而更放心的提升能量密度呢？這時候就要從電解質角度考慮了。大量研究表明，液態電解質參與了電池熱失控過程的大部分反應，並極大降低了電池的初始反應溫度，也就是讓熱失控的門檻變得更低。所以提髙電解質安全性是實現電池安全的最有效方法之一[3]。液態電解質的物理特性決定了其始終無法避免洩露，同時也不利於縮小電池體積從而提髙能量密度，因此為了提高能量密度和安全性，電解質的固態化就成了趨勢。我們把電極和電解質均為固態的電池稱為固態電池。固態電池電芯內部不含液體不僅安全性更高，還可實現先串並聯後組裝，減少了封裝殼體用料，PACK設計大幅簡化，這也提高了電池成組後的能量密度。

與傳統鋰電池類似，固態電池由正極、負極和電解質組成。其結構比傳統鋰電池簡單，固體電解質充當了電解液和隔膜的雙重功能。正極材料與傳統的鋰電池並無本質區別。而負極材料為金屬鋰負極材料、碳族負極材料和氧化物負極材料。對固態電池來說，固態電解質的研究與開發最為重要，它的材料種類繁多，主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及複合型固體電解質。

除了大規模使用的液態鋰電池和正在研究中的固態電池以外，一種半固態的電池-果凍電池-進入人們的視野。2020年12月，蜂巢能源率先發布果凍電池，並接受預定。果凍電池是一種應用了新型果凍狀電解質的鋰電池，這種凝膠型電解質可以與電極材料的表面更好的貼合，具有自癒合、阻燃等特點，在幾乎不降低導電效能的同時阻止熱擴散。果凍電池可以說是液態電池向固態電池發展的一個過渡。

2 如何裝的更多？——系統密度提升-電池包新技術

除了提高電芯能量密度以外，讓同樣體積和重量的電池包裡面裝更多的電芯，也是一種提高電池能量密度的方法。這裡簡單介紹下目前比較新的電池包技術。

去掉內部封裝——Cell to Pack （CTP）技術：

一般電池不僅最外部有電池包，內部還有一組一組電芯形成的“模組”，所謂CTP就是無模組化，電芯直接打包，目前是企業提高能量密度的一個主要選擇。寧德時代、比亞迪、蜂巢能源均推出了無模組電池包技術。前一陣子比較火爆的比亞迪刀片電池就是基於磷酸鐵鋰電池，採用無模組設計提高了空間利用率。

內封外包全去掉——Cell to Chassis （CTC）技術：

特斯拉的電池日上，提出了一種結構化電池的方案（structural battery），把電池直接內建在汽車結構中（見龍哥之前的文章《特斯拉電池日資訊解讀》）。這種結構化電池技術與寧德時代此前提出的CTC技術類似，該技術將電芯和底盤整合在一起，再把電機、電控、整車高壓系統透過創新的架構整合在一起，並透過智慧化動力域控制器最佳化動力分配和降低能耗。

結語

透過以上的介紹，相信大家已經對電池相關新技術有了一定的瞭解。雖然全固態電池的商用，還需要我們耐心的等待，但半固態電池、正極單晶材料以及摻矽補鋰技術，相信近期就能被我們體驗到了。

來源：智慧網聯汽車網