国内主流制造技术分析-新能源电池全面介绍！

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。

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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。

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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。

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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！

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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

蔚来汽车发布150kWh固态电池现场图

固态电池技术发展路线

固态电解质的研究主要包括三大类：聚合物、氧化物、硫化物。

1）聚合物固态电解质由聚合物基体（如聚酯、聚酶、聚胺等）和锂盐（LiClO4、LiFP6等）组成，Li+以锂盐形式“溶于”聚合物基体，传输速率受到基体相互作用及链段活动能力的影响，温度越高，聚合物的离子电导率越高。目前主要研究的聚合物电解质体系是PEO，其可与多种锂盐发生络合，对锂盐溶解性好，但室温电导率仅10-5S/cm，氧化电位也较低（3.8V），需要进行改性来满足高电压体系。

2）氧化物固体电解质包括晶态（钙钛矿型LLTO、NASICON型、石榴石型LLZO、LISICON型）和非晶态（LiPON型等）两种物质结构。氧化物晶态固体电解质化学稳定性好、循环性能好，但其室温电导率也较低，电解质与电极颗粒接触差。LiPON型电解质制备工艺复杂、成本较高。

3）硫化物固体电解质室温离子电导率较高，接近甚至超过有机电解液，并且热稳定性好、安全性能好，但硫化物对空气较敏感，容易氧化，遇水容易产生硫化氢等有害气体，且电化学稳定性差，搭配高电压正极时电解质层部分贫锂，增大了界面阻抗，搭配金属锂负极时生成的SEI膜阻抗也较大。

综上所述，固态电池优缺点非常鲜明。其可以大幅提升电池能量密度，较好的解决电动汽车里程焦虑问题，由于固态电解质不可燃，其安全性极好，并且可以在更高温度下运行。但是固态电解质与电极之间是固-固接触，接触面积小，Li+传输效率低，功率性能较差，此外，固态电池的制造成本也较高。

根据蔚来汽车公 开 信息判断，本次蔚来发布的单体360Wh/kg的固态电池并非全固态电池，而是采用了部分液态电解质，并搭配高镍正极和硅碳负极，严格意义上是，只能算一款半固态电池。但根据其披露的电芯相关性能参数，相比现有的液态锂电池已有较大提升。

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广汽埃安宣传海报

石墨烯分子结构片段

但由于石墨烯的二维平面结构，会产生“位阻效应”，从而大大阻碍Li+的迁移，导致电池功率性能恶化，通常认为当石墨烯片径小于活性物质或与活性物质相当时，其对Li+的位阻效应才可以忽略不计，然而当石墨烯片径减小时，其优异的导电性和导热性能将无法充分发挥，也就大大弱化了石墨烯的优势。

目前将石墨烯融入电池产业，主要有两个方向，一是作为导电添加剂，二是作为负极主材料。假如动力电池将石墨烯作为导电添加剂，虽能勉为其难接受其成本，但对电池的性能提高其实并不大，而如果作为负极主材料，电池造价将非常高，恐怕没人愿意买单。

根据广汽埃安披露的8分钟充电80％的性能数据，初步判断电池满足5C～6C持续充电，这对于不采用石墨烯的锂电池而言亦不是难事。综上，广汽埃安宣称的石墨烯电池似乎并非直接以石墨烯作为负极主材料的技术革命，而更像是以石墨烯作为导电添加剂加入负极配方中一次商业行为。

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2021年1月13日，由上汽集团、张江高科和阿里巴巴共同打造的智己汽车在上海举行全球品牌发布会，发布了高端智能纯电动汽车品牌-IM智己。

据悉，本次发布的一款纯电动轿车和一款纯电动SUV均搭载了智己汽车和宁德时代共同研制的掺硅补锂电池，该电池单体能量密度高达300Wh/kg，系统能量密度240Wh/kg，续航里程最高可达1000km。

智己汽车品牌发布会现场图

“掺硅补锂”是针对高能量锂离子电池的配套技术，随着人们对电池能量密度的更高追求，一种全新的Si负极材料受到广泛研究，相比于常规的石墨负极，硅的容量是石墨的十倍以上，意味着仅需使用10%wt的硅材料，就能达到石墨相同的容量水平，从而能够大幅减轻电池的质量。然而，当硅和锂完全合金化后，其膨胀高达300%，是常规石墨的30倍左右，因此，在锂电池的首次充电过程将会在硅表面形成更大面积的SEI膜，从而产生更多活性锂损失。

由于硅的膨胀太大，通常难以单独应用到锂电池中，而是和石墨掺混形成混合负极，即使掺杂的硅很少，也会对负极首次效率造成较大劣化，往往得不偿失，因而针对掺硅负极的补锂技术应运而生，通过为电化学体系提供额外的锂源来形成SEI膜，从而将硅材料的高容量优势彻底发挥出来。

锂金属直接接触负极补锂示意图

目前主流的负极补锂技术包括：短路法、电化学法和化学法。

1）短路法

将负极片直接和锂金属（锂箔或锂粉）接触，在电解液环境中，锂金属和负极材料的电势差导致电子定向移动，锂金属产生的Li+释放到电解液中，为保持电荷平衡，电解液中的Li+会嵌入负极材料中。

2）电化学法

将锂金属和负极片组装成半电池，然后对半电池进行放电，负极片的锂化程度可以通过电流和电压控制，最后将预嵌锂的负极片拆解下来再与正极片组装成全电池。

3）化学法

用低电势的含锂化学试剂与负极材料发生化学反应，对其进行还原实现补锂，此种方法制备的锂化试剂具有很高的化学活性，必须使用无水溶剂并在干燥的气氛下进行。

尽管掺硅补锂所带来的效果是显著的，但是硅材料固有的膨胀特性将会严重恶化电池循环性能，且各种补锂工艺目前均不太成熟，还存在相关的补锂配套设备开发问题、高活性锂金属的安全问题、锂化程度的定量控制问题等。

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宁德时代第一代钠离子电池合磷酸铁锂电池性能对比图

钠离子电池工作原理

由于电荷载体由Li+替换为Na+，因此正极材料可采用含钠过渡金属氧化物NaxMO2（M=Co、Fe、Mn、Ni等）、普鲁士蓝类似物（含高Na，白色，也可称普鲁士白）NaxMa[Mb(CN)6]（Ma、Mb=Fe、Mn等），如铁基普鲁士白Na2Fe[Fe(CN)6]、锰基普鲁士白Na2Mn[Fe(CN)6]、锰基高锰普鲁士白Na2Mn[Mn(CN)6]、聚阴离子化合物等，电解液由锂盐替换为钠盐，由于Na+半径（0.102nm）比Li+半径（0.076nm）大，Na+无法嵌入常规石墨负极层间，因此钠离子电池负极材料需要采用层间距更大、孔隙结构更丰富的碳材料进行储钠，但由于Na+在低电位下无法嵌入Al的晶格中，因此钠离子电池可以采用铝箔作为负极集流体，可以在一定程度上降低成本和提高能量密度。

相比锂离子电池，钠离子电池具有诸多优势：首先是成本优势，钠资源储量丰富，不适用Li、Ni、Co等贵重金属，电解液用钠盐替代锂盐，并且可以采用低浓度钠盐实现高电导率，负极集流体可以采用更便宜的铝箔等，从材料体系组成来看，钠离子电池成本比锂离子电池便宜30%~40%。其次是安全性能和低温性能，钠离子电池可以实现零电存储和运输，充电过程不易产生枝晶刺穿隔膜，并且Na比Li更稳定，安全性能比锂离子电池更好，除此之外，钠离子电池电解液可以大量使用PC基溶剂，低温性能也比较好。

虽然仅是用Na+替代了Li+，但其半径差异性导致钠离子电池综合性能远远不如锂离子电池，如Na+在正、负极材料中的嵌入和脱出阻力较大，对材料结构破坏较大，循环可逆性差。更严重的问题是，钠离子电池工作电压范围2.8~3.5V，电压平台低，正极材料克容量基本也比较低（大约150mAh/g左右），压实密度也低，负极材料克容量也不如石墨，导致钠离子电池重量能量密度只有160Wh/kg左右，显然无法取代锂离子电池在高端消费场景下的应用，在储能领域，循环性能又不如磷酸铁锂，所以目前来看，钠离子电池仍然任重道远。

不过，在本次发布会上，宁德时代还提出了应用钠离子电池的AB电芯构想，即将锂离子电池和钠离子电池组合形成锂钠混合电池包。通过BMS的算法控制实现不同电池体系的SOC均衡，从而在不同的环境或场景下发挥各自体系的优势，既弥补了钠离子电池的能量密度短板，又发挥了其快速充电、低温性能等优势，不失为一种较好的折中方案。

锂钠混合电池包构想

（蓝色-锂离子电池，白色-钠离子电池）

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宁德时代M3P电池

宁德时代未来将新能源汽车市场三个细分市场：1000km续航、700km续航和300~500km续航。

1）1000km续航：采用高镍三元/低硅材料电池体系；

2）700km续航：采用M3P电池体系；

3）300~500km续航：采用钠离子电池体系；

M3P电池是基于材料创新的新型电池，但其确切的材料体系目前不清楚，根据某些公 开 信息判断M3P电池正极材料应该完全采用或部分采用了具有与磷酸铁锂（LFP）相同橄榄石结构的改性磷酸锰铁锂（LFMP）。宁德时代曾在调研中表示，M3P不是LFMP，还掺杂了其他金属元素（研报认为是Mg、Zn、Al中的两种元素），公司内部称为“磷酸盐体系的三元材料”。

LFMP和LFP理论容量均为170mAh/g，压实密度均为2.3~2.6g/cm3，但LFMP放电平台（4.1V）比LFP高（3.4V），因此理论上LFMP能量密度高20%左右，由于掺杂了Mn元素取代部分Fe，合成的工艺成本比LFP略高，但仍然远低于三元材料，Mn、Fe元素储量丰富，价格便宜，因此M3P电池是一种介于铁锂电池和三元电池之间的折中技术方案。

LFMP的充放电曲线

虽然LFMP成本低廉、安全性好，能量密度还比LFP更高，但LFMP依然存在不少问题：

1）LFMP的电子电导率比LFP低4个数量级，导电性能极差，导致其倍率性能和循环性能差；

2）充放电过程双平台问题导致BMS管理难度较大；

3）依然存在Jahn-Teller畸变和Mn2+溶解问题，导致Li+扩散困难和材料循环稳定性差。

©文章来源于电池制造时代