電動汽車發(fā)展如火如荼，動力電池作為最重要的部分之一，它的發(fā)展對電動車的續(xù)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(tài)電池、蜂巢能源的果凍電池、蔚來汽車鎳55電池、智己汽車摻硅補鋰以及CTP/CTC技術等。其實這么多技術方向，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。
先思考一個小問題：如果一個人去野外探險，背包裝滿了食物，那么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盡可能高，比如壓縮餅干、巧克力等，另一個方面就是合理分配包里面的布局，裝盡可能多的食物。
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(tǒng)（電池包）密度提升。提升電芯密度相當于食物本身熱量更高；系統(tǒng)密度提升相當于背包里面裝更多食物。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。
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。
近期蔚來發(fā)布的100kWh電池包，也就是寧德時代此前宣布的“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(xù)航里程。新款電池采用的鎳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。什么是單晶？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，鎳用于提升容量，鈷為了穩(wěn)定結構，錳作用在于降低成本以及提高材料的結構穩(wěn)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(fā)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(fā)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(yè)化的三元正極材料大多是由納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硅，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，由于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(fā)生破碎，比表面積和界面副反應快速增加 （圖3），導致電池阻抗上升，性能快速下降。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性能劣化問題[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循環(huán)穩(wěn)定性，大幅提升了電池安全性。
這是正極材料，下面看看負極。
近期有消息稱，智己汽車正在與寧德時代共同開發(fā)“摻硅補鋰電芯”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(yè)領先水平降高出30-40%，最高可實現約1000km續(xù)航、20萬公里零衰減，這款電池將通過電芯材料配方的優(yōu)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端云協同管理保證電池安全。
什么是“摻硅補鋰電芯”技術？
傳統(tǒng)鋰離子電池的石墨負極密度較低，為追求高密度，新的負極材料硅碳、硅氧成為企業(yè)追逐的新熱點。但是硅氧會存在首次效率低，需要補鋰的問題。液態(tài)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界面上發(fā)生反應,形成一層覆蓋于電極材料表面的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質的特征,是電子絕緣體卻是Li+ 的優(yōu)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“固體電解質界面膜”( 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于負極表面的SEI膜[2]）。硅碳負極補鋰工藝是在硅碳負極表面預涂一層鋰金屬，該涂層與負極緊密接觸，在灌注電解液后與負極發(fā)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循環(huán)過程中由于形成或修復SEI膜所需要消耗的Li離子。相比于高難度、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，向其中添加少量的高容量正極材料，在充電的過程中，多余的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。通過這種復雜的補鋰工藝，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端鋰電池基本已成定局。
最后看看電芯能量密度提升的最后一環(huán)——電解質。
當地時間12月8日，由大眾和比爾蓋茨支持的初創(chuàng)公司QuantumScape公布了其最新固態(tài)電池的消息，并表示電池將于2024年投產。此種固態(tài)電池，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池有了顯著的改進：它們可以將電動汽車的續(xù)航里程提高80%。下面我們來探討下什么是固態(tài)電池，它的好處又是什么。
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于電池材料安全性的提高。但對于正極材料，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.有什么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(tài)電解質參與了電池熱失控過程的大部分反應，并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(tài)電解質的物理特性決定了其始終無法避免泄露，同時也不利于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(tài)化就成了趨勢。我們把電極和電解質均為固態(tài)的電池稱為固態(tài)電池。固態(tài)電池電芯內部不含液體不僅安全性更高，還可實現先串并聯后組裝，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后的能量密度。
與傳統(tǒng)鋰電池類似，固態(tài)電池由正極、負極和電解質組成。其結構比傳統(tǒng)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(tǒng)的鋰電池并無本質區(qū)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(tài)電池來說，固態(tài)電解質的研究與開發(fā)最為重要，它的材料種類繁多，主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及復合型固體電解質。
除了大規(guī)模使用的液態(tài)鋰電池和正在研究中的固態(tài)電池以外，一種半固態(tài)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(fā)布果凍電池，并接受預定。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，具有自愈合、阻燃等特點，在幾乎不降低導電性能的同時阻止熱擴散。果凍電池可以說是液態(tài)電池向固態(tài)電池發(fā)展的一個過渡。
除了提高電芯能量密度以外，讓同樣體積和重量的電池包里面裝更多的電芯，也是一種提高電池能量密度的方法。這里簡單介紹下目前比較新的電池包技術。
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(yè)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于磷酸鐵鋰電池，采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），把電池直接內置在汽車結構中（見龍哥之前的文章《特斯拉電池日信息解讀》）。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集成在一起，再把電機、電控、整車高壓系統(tǒng)通過創(chuàng)新的架構集成在一起，并通過智能化動力域控制器優(yōu)化動力分配和降低能耗。
通過以上的介紹，相信大家已經對電池相關新技術有了一定的了解。雖然全固態(tài)電池的商用，還需要我們耐心的等待，但半固態(tài)電池、正極單晶材料以及摻硅補鋰技術，相信近期就能被我們體驗到了。
參考資料：
1 news.sjtu.edu.cn/jdzh/2
2 nmm.xmu.edu.cn/2017/122
3 《無機/有機復合鋰離子電池固態(tài)化安全電解質的制備與綜合性能研究》（來源：知乎，作者MR.C）
