材料、工艺技术

目前新能源汽车动力电池主要采用三元锂电池和磷酸铁锂电池，三元电池的核心优势是能量密度，劣势是成本和安全性能，而磷酸铁锂的核心优势是成本和安全性能，劣势是能量密度。在此基础上，材料厂、电池厂、整车厂不断推出了新材料、新工艺技术，以期望达到电池能量密度、成本和安全的相对平衡。

2019年7月9日，蜂巢能源（原长城汽车动力电池事业部）举行品牌战略规划及产品发布会，面向全球首发无钴电池产品。

本次发布的无钴电池产品尺寸为44.3*220*100mm，容量156Ah，能量密度达到265Wh/kg，循环寿命可以满足2000次。据蜂巢能源介绍，其无钴材料性能可以达到NCM811的水平，但材料成本可以降低5~15%，电芯BOM成本降低约5%。

无钴电池发布会现场图

目前，动力电池正极材料主要包括NCM和LFP两种材料，NCM材料由于含有Ni、Co、Mn三种元素而得名“三元材料”，所谓的无钴电池就是在NCM材料基础上取消了Co元素，即可以理解为NMx二元电池。

由于Co储量较少，地壳丰度仅为0.0025%，且大部分Co资源都产自政局不稳定的刚果（金），无法稳定支撑汽车未来的全面电动化过程，且价格昂贵，因此，取消Co元素后可以降低材料成本，规避对Co元素的依赖，但Co元素可以稳定材料层状结构，降低Li+/Ni2+混排，从而提升循环和倍率性能，取消Co元素后必然对材料性能产生不利效果，为了解决这一问题，蜂巢能源对无钴材料进行以下改性：

1）阳离子掺杂

掺杂无未成对的电子自旋元素，降低Li+/Ni2+混排，提升倍率性能；掺杂M-O键能大的元素，稳定O的八面体结构，减缓Li+嵌入/脱出过程的晶胞体积变化，提升循环性能。

2）单晶化

区别于多晶材料（一次颗粒团聚为二次球），单晶材料是单个分散的颗粒，具有更稳定的晶体结构，可以大幅提升电池高电压下的循环性能和安全性能。

3)纳米网络包覆

在单晶颗粒表面包覆一层纳米氧化物，减少正极材料与电解液的副反应，从而有效改善高电压下的循环稳定性。

2021年8月29日，蜂巢能源在第二十四届成都国际车展上正式宣布，其开发的全球首款无钴电池包正式搭载长城欧拉首款SUV车型樱桃猫，实现量产装车。本次量产装车的无钴电池包的总电量82.5KWh，系统能量密度170Wh/kg，支持工况续航里程超600公里。

2019年7月9日，蜂巢能源举行品牌战略规划及产品发布会，面向全球同时首发了NCMA四元电池产品。

本次发布的四元电池产品尺寸为44.3*220*100mm，容量157Ah，能量密度达到265Wh/kg，循环寿命可以满足2500次。

四元电池发布会现场图

NCMA四元电池指材料中含有Ni、Co、Mn、Al四种元素，即在NCM三元材料中掺杂第四元素，同时将Ni含量降低，制备单晶材料，可以达到NCM811相当的能量密度，并且改善了高镍材料产气、循环和安全问题。

第四元素（Al）的加入可以增强材料晶粒之间的边界强度，减少有害相变转变过程的微隙，从而提高循环性能和安全性能。但元素掺杂种类过多，制备工艺更复杂，材料合成的一致性难以保证。

刀片电池发布会现场图

刀片电池是指电池外形像刀片一样细长扁平（如典型尺寸13.5mm*90mm*960mm）的锂电池，内部采用叠片工艺，单张极片长度可达900mm以上，电池PACK时直接集成到电池包底部，取消了模组结构，相比于传统电池包，刀片电池集成的空间利用率提高约50%，也就是说，相同的体积下可装配更多的刀片电池，从而提高电动汽车的续驶里程。

刀片电池外观图

刀片电池的核心优势：

1）超级利用率

传统电池包采用电芯-模组-电池包的组装方案，空间利用率约40%，刀片电池采用电芯-电池包的组装方案，空间利用率约60%，由于取消了模组和梁结构，刀片电池既作为能量体提供电能，又充当结构件进行固定和支撑。

2）超级强度

刀片电池采用侧立插入式排布，形成电芯阵列，电池堆强度极高，并且在电池堆上下两面还粘贴了两块高强度板，对电池包强度进行升级。

3）超级安全

采用热稳定性良好的磷酸铁锂材料，可通过最严苛的针 刺安全测试，且电池表面温度不超过60℃。

刀片电池的隐忧：

1）低温性能

磷酸铁锂材料本身低温性能差，搭载磷酸铁锂电池的电动汽车在低温天气下可能导致续驶里程急速降低。

2）可维修性

由于刀片电池直接集成到电池包底部，当电池受损需要更换时，需要拆掉整个电池包，维修成本较高。

2020年9月23日，特斯拉举办2020年度股东大会暨“电池日”活动，特斯拉掌门人Elon Musk向全球展示了一款全新电池—4680无极耳电池。据悉，相比于此前的2170电池，这款新型电池可以提升5倍的能量，6倍的充电功率，16%的续驶里程，降低每度电成本约14%。

特斯拉“三代”圆柱电池

4680无极耳电池主要包括“4680”和“无极耳”两大技术，4680代表直径46mm，高度80mm的圆柱电池，通过增加单体电芯的尺寸可摊薄非活性物质占比，降低固定成本和BMS难度。无极耳指的并不是没有极耳，而是没有传统意义上的焊接在集流体上的极耳，通过激光直接在集流体上切割出极耳形状，然后与集流盘焊接，通过集流盘将电流引出到壳体，实现外电路的连接。

在4680电池应用上，特斯拉采用CTC技术方案，即直接将电芯集成到汽车底盘上，从而可以大幅减少零部件数量，实现车身减重，续航提升，单位成本降低。

搭载4680无极而电池的Model Y事物拆解图

从实物图中可以看到，组成Model Y的950颗4680电池缝隙间填充了大量粉色泡沫材料（聚氨酯），利用聚氨酯将单个电池之间牢牢粘结在一起，在没有模组和电池包的情况下，也能实现与汽车底盘的可靠固定，并且泡沫材料具有一定的弹性，当电动汽车受到碰撞时，可以吸收电池受力的能量，具有较好的耐冲击和耐振动性能。

4680无极耳电池通过大圆柱方案实现了单体能量的大幅提升，极大简化了PACK的零部件，降低了成本，提升了续航，采用无极耳技术还大幅降低了电池内阻（集流体内阻可降低99%以上），减少了电池产热，提高了安全性能。但4680电池工艺极其复杂（参考4680生产工艺简图，如极耳揉平和与集流盘的焊接等工艺难点），且对设备要求极高，除外，4680电池采用CTC车身一体化集成方案，同样会面临同刀片电池一样的问题，那就是可维修性很差，甚至有过之而无不及，业内给出的评价是：特斯拉这种CTC电池包维修的可能性几乎为零！

特斯拉掌门人Elon Musk在2020年度股东大会暨“电池日”活动上，向全球展示了一款全新电池—4680无极耳电池，据悉，该款电池采用了干法电极技术，亦可称为“干法电池”。

早在2019年5月，特斯拉以溢价55%的价格（2.18亿美元）收购了Maxwell公司，根据资料显示，Maxwell成立于1965年，是一家生产超级电容器的公司，产品主要用于能源、工业和汽车领域，公司核心技术是超级电容技术和突破性的干法电极技术。

在锂电池制造过程中，电极制备通常是采用湿法工艺，即将组成电极配方的干粉颗粒与溶剂混合分散形成浆料，然后涂覆在集流体上烘烤后形成电极。干法电极不使用任何溶剂，而是直接将组成电极配方的干粉颗粒高速混合，通过高速剪切使粘结剂PTFE纤维化，然后对混合后的粉末进行热辊压形成自支撑膜，最后将自支撑膜在热量作用下压合粘接在集流体上形成电极。

Maxwell干法电极制备工艺示意图