电动汽车发展如火如荼，动力电池作为最重要的部分之一，它的发展对电动车的续航和平安有着决议性的作用。最近我们经常听到一些名词比如固态电池、蜂巢能源的果冻电池、蔚来汽车镍55电池、智己汽车掺硅补锂以及CTP/CTC技术等。实在这么多技术偏向，底子目标都是为了进步电池的能量密度和平安性。在这篇文章中，小编带你来梳理下与之相关的技术路径。

提升能量密度和平安性的路径

先思考一个小问题：假如一小我去野外探险，背包装满了食品，那末如何让食品供给更持久呢？最轻易想到的方式一个方面是，装的食品的热量以及密度尽可能高，比如压缩饼干、巧克力等，另一个方面就是公道分派包里面的结构，装尽可能多的食品。

工程师们挖空心思的为了进步电池包的能量密度，也是用的类似两个路径：电芯密度提升和系统（电池包）密度提升。提升电芯密度相当于食品自己热量更高；系统密度提升相当于背包里面装更多食品。固然在提升能量密度的同时，平安性始终是重中之重。为了进步电池能量密度和平安性，广大的工程师们做出了哪些尽力以及当前出现了哪些新技术呢?现在我们就连系最近的新闻来探讨下。

1 如何让食品自己的热量更高？——电芯能量密度提升

电芯由三部分组成，正极、负极以及正负极之间的电解质，提升能量密度就从这三方面入手，我们一个个来看。

正极—镍55单晶材料

近期蔚来发布的100kWh电池包，也就是宁德时代此前公布的“只冒烟不起火”电池，在不改变电池包外壳尺微暇和几近不增重的条件下，能量密度提升37%，大幅增加了续航里程。新款电池采用的镍55三元电芯，是能量密度提升的重要因素。它的正极材料是一种高电压的单晶材料。什么是单晶？回答这个问题前，我们先看看正极材料的技术偏向。

所谓“三元”锂电池指的是其正极材料有镍、钴、锰（NCM）三种元素，镍用于提升容量，钴为了稳定结构，锰作用在于下降本钱以及进步材料的结构稳定。镍比例越高、钴和锰比例越少则能量密度越大，但平安性下降。

为提升能量密度，NCM配比从“111（N:C:M=1:1:1）”，提升到“523”，再到“811”。该线路一直是三元正极材料发展的主流偏向。

另一个偏向对应的就是单晶线路（重点来啦）。新发布的电芯正极使用的是单晶5系材料。单晶材料更适合做高电压。今朝，商业化的三元正极材料大多是由纳米级别一次颗粒团圆形成的10微米左右的二次球型多晶材料。对多晶、单晶没有概念的可以参照一下石英砂与玻璃，两者同样都是二氧化硅，石英砂就是多晶材料，玻璃则可以以为是单晶材料。

多晶NCM内部存在大量晶界（grain boundary），在电池充放电进程中，由于各向异性的晶格变化，多晶NCM轻易出现晶界开裂，致使二次颗粒发生破裂，比概况积和界面副反应快速增加 （图3），致使电池阻抗上升，性能快速下降。而单晶型三元材料内部没有晶界，可以有效应对晶界破裂及其致使的性能劣化问题[1]。因此，单晶结构可以实现更高的电压，不但如此，还提升了三元材料的循环稳定性，大幅提升了电池平安性。

这是正极材料，下面看看负极。

负极—“掺硅补锂”技术：

近期有消息称，智己汽车正在与宁德时代配合开辟“掺硅补锂电芯”技术，双方将同享技术专利。智己汽车暗示，这款电池的能量密度较现在行业领先水平降横跨30-40%，最高可实现约1000km续航、20万千米零衰减，这款电池将通过电芯材料配方的优化、成组技术隔热阻燃，以及全铸铝电池包壳体封装技术，连系BMS端云协同治理保证电池平安。

什么是“掺硅补锂电芯”技术？

传统锂离子电池的石墨负极密度较低，为追求高密度，新的负极材料硅碳、硅氧成为企业追逐的新热门。可是硅氧会存在首次效率低，需要补锂的问题。液态锂离子电池首次充放电进程中,电极材料与电解液在固液相界面上发生反应,形成一层覆盖于电极材料概况的钝化层。

这种钝化层是一种界面层,具有固体电解质的特征,是电子绝缘体却是Li+ 的优良导体，Li+ 可以经过该钝化层自由地嵌入和脱出,因此这层钝化膜被称为“固体电解质界面膜”( solid electrolyte interface)简称SEI膜（正极也有层膜形成,只是现阶段以为其对电池的影响要远远小于负极概况的SEI膜）。

硅碳负极补锂工艺是在硅碳负极概况预涂一层锂金属，该涂层与负极慎密接触，在灌注电解液后与负极发生反应嵌入负极颗粒内部，预存一部分锂离子在负极内部，从而填补首次充放电或者循环进程中由于形成或修复SEI膜所需要消耗的Li离子。相比于高难度、高投入的负极补锂工艺，正极补锂就显得俭朴多了，典型的正极补锂的工艺是在正极匀浆的进程中，向其中添加少量的高容量正极材料，在充电的进程中，过剩的Li元素从这些富锂正极材料脱出，嵌入到负极中补充首次充放电的不成逆容量。

通过这种复杂的补锂工艺，可以实现负极材料的密度提升。今朝尚不知道智己汽车具体是哪类技术，但智己汽车将应用这种高端锂电池根基已成定局。

最后看看电芯能量密度提升的最后一环——电解质。

电解质—固态电池 & 果冻电池

当地时间12月8日，由公共和比尔盖茨支持的草创公司QuantumScape公布了其最新固态电池的消息，并暗示电池将于2024年投产。此种固态电池，相较于传统锂离子电池有了明显的改良：它们可以将电动汽车的续航里程进步80%。下面我们来探讨下什么是固态电池，它的益处又是什么。

在进步电池能量密度的同时，电池的平安性是不能不斟酌的问题。从底子上消除锂离子电池的平安隐患仍在于电池材料平安性的进步。

但对于正极材料，这两方面是矛盾的。

比如，前面已经讲到，进步镍含量能够进步能量密度，可是镍含量进步意味着平安性下降.有什么法子从此外方面增强电池的平安性，从而更安心的提升能量密度呢？这时候就要从电解质角度斟酌了。大量研究表白，液态电解质介入了电池热失控进程的大部分反应，并极大下降了电池的初始反应温度，也就是让热失控的门坎变得更低。所以进步电解质平安性是实现电池平安的最有效方式之一。

液态电解质的物理特性决议了其始终无法避免泄露，同时也晦气于缩小电池体积从而提髙能量密度，因此为了进步能量密度和平安性，电解质的固态化就成了趋勢。我们把电极和电解质均为固态的电池称为固态电池。固态电池电芯内部不含液体不但平安性更高，还可实现先串并联后组装，削减了封装壳体用料，PACK设计大幅简化，这也进步了电池成组后的能量密度。

与传统锂电池类似，固态电池由正极、负极和电解质组成。其结构比传统锂电池简单，固体电解质充任了电解液和隔膜的双重功能。正极材料与传统的锂电池并无本质区别。而负极材料为金属锂负极材料、碳族负极材料和氧化物负极材料。对固态电池来说，固态电解质的研究与开辟最为重要，它的材料种类繁多，主要包括氧化物、硫化物、聚合物以及复合型固体电解质。

除了大范围使用的液态锂电池和正在研究中的固态电池以外，一种半固态的电池-果冻电池-进入人们的视野。2020年12月，蜂巢能源率先发布果冻电池，并接管预定。果冻电池是一种应用了新型果冻状电解质的锂电池，这种凝胶型电解质可以与电极材料的概况更好的贴合，具有自愈合、阻燃等特点，在几近不下降导电性能的同时阻止热分散。果冻电池可以说是液态电池向固态电池发展的一个过渡。

2 如何装的更多？——系统密度提升-电池包新技术

除了进步电芯能量密度以外，让同样体积和重量的电池包里面装更多的电芯，也是一种进步电池能量密度的方式。这里简单先容下今朝比力新的电池包技术。

去掉内部封装——Cell to Pack （CTP）技术：

一般电池不但最外部有电池包，内部还有一组一组电芯形成的“模组”，所谓CTP就是无模组化，电芯直接打包，今朝是企业进步能量密度的一个主要选择。宁德时代、比亚迪、蜂巢能源均推出了无模组电池包技术。前一阵子比力火爆的比亚迪刀片电池就是基于磷酸铁锂电池，采用无模组设计进步了空间操纵率。

内封外包全去掉——Cell to Chassis （CTC）技术：

特斯拉的电池日上，提出了一种结构化电池的方案（structural battery），把电池直接内置在汽车结构中（见龙哥之前的文章《特斯拉电池日信息解读》）。这种结构化电池技术与宁德时代此条件出的CTC技术类似，该技术将电芯和底盘集成在一起，再把机电、电控、整车高压系统通过创新的架构集成在一起，并通过智能化动力域控制器优化动力分派和下降能耗。

结语

通过以上的先容，相信大师已经对电池相关新技术有了一定的领会。虽然全固态电池的商用，还需要我们耐心的期待，但半固态电池、正极单晶材料以及掺硅补锂技术，相信近期就能被我们体验到了。

参考资料：

1 news.sjtu.edu.cn/jdzh/2

2 nmm.xmu.edu.cn/2017/122

3 《无机/有机复合锂离子电池固态化平安电解质的制备与综合性能研究》

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