近年來(lái)，隨著新能源汽車的快速蓬勃發(fā)展，動(dòng)力電池技術(shù)和相關(guān)集成管理技術(shù)層出不窮、節(jié)節(jié)開(kāi)花，如新材料技術(shù)（無(wú)鈷材料等）、新工藝技術(shù)（刀片電池等）、新集成技術(shù)（CTP等）、新管理技術(shù)（彈匣電池等）匯聚了材料廠、電池廠和整車廠的最新研發(fā)應(yīng)用成果。

本文整理了近三年（動(dòng)力）電池的主要公開(kāi)技術(shù)，參考了大量研究報(bào)告、公開(kāi)文獻(xiàn)、公開(kāi)專利、發(fā)布會(huì)內(nèi)容、音視頻資料等并揉合了作者個(gè)人主觀觀點(diǎn)，簡(jiǎn)單介紹了近年來(lái)具有代表性的10種新材料、新工藝技術(shù)和10種電池包集成和管理技術(shù)，并公開(kāi)分享。
新材料、新工藝技術(shù)目前新能源汽車動(dòng)力電池主要采用三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，根據(jù)中國(guó)汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的公開(kāi)資料，2021年，我國(guó)三元鋰電池裝機(jī)量74.3GWh，占比48.1%，磷酸鐵鋰裝機(jī)量79.8GWh，占比51.7%，二者占據(jù)了近100%的動(dòng)力電池市場(chǎng)并且彼此難分伯仲，各有千秋。
三元電池的核心優(yōu)勢(shì)是能量密度，劣勢(shì)是成本和安全性能，而磷酸鐵鋰的核心優(yōu)勢(shì)是成本和安全性能，劣勢(shì)是能量密度。在此基礎(chǔ)上，材料廠、電池廠、整車廠不斷推出了新材料、新工藝技術(shù)，以期望達(dá)到電池能量密度、成本和安全的相對(duì)平衡。
1 無(wú)鈷電池
2019年7月9日，蜂巢能源（原長(zhǎng)城汽車動(dòng)力電池事業(yè)部）舉行品牌戰(zhàn)略規(guī)劃及產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，面向全球首發(fā)無(wú)鈷電池產(chǎn)品。
無(wú)鈷電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

本次發(fā)布的無(wú)鈷電池產(chǎn)品尺寸為44.3*220*100mm，容量156Ah，能量密度達(dá)到265Wh/kg，循環(huán)壽命可以滿足2000次。據(jù)蜂巢能源介紹，其無(wú)鈷材料性能可以達(dá)到NCM811的水平，但材料成本可以降低5~15%，電芯BOM成本降低約5%。
無(wú)鈷電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

目前，動(dòng)力電池正極材料主要包括NCM和LFP兩種材料，NCM材料由于含有Ni、Co、Mn三種元素而得名“三元材料”，所謂的無(wú)鈷電池就是在NCM材料基礎(chǔ)上取消了Co元素，即可以理解為NMx二元電池。
由于Co儲(chǔ)量較少，地殼豐度僅為0.0025%，且大部分Co資源都產(chǎn)自政局不穩(wěn)定的剛果（金），無(wú)法穩(wěn)定支撐汽車未來(lái)的全面電動(dòng)化過(guò)程，且價(jià)格昂貴，因此，取消Co元素后可以降低材料成本，規(guī)避對(duì)Co元素的依賴，但Co元素可以穩(wěn)定材料層狀結(jié)構(gòu)，降低Li+/Ni2+混排，從而提升循環(huán)和倍率性能，取消Co元素后必然對(duì)材料性能產(chǎn)生不利效果，為了解決這一問(wèn)題，蜂巢能源對(duì)無(wú)鈷材料進(jìn)行以下改性：
1）陽(yáng)離子摻雜
摻雜無(wú)未成對(duì)的電子自旋元素，降低Li+/Ni2+混排，提升倍率性能；
摻雜M-O鍵能大的元素，穩(wěn)定O的八面體結(jié)構(gòu)，減緩Li+嵌入/脫出過(guò)程的晶胞體積變化，提升循環(huán)性能。
2）單晶化

區(qū)別于多晶材料（一次顆粒團(tuán)聚為二次球），單晶材料是單個(gè)分散的顆粒，具有更穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，可以大幅提升電池高電壓下的循環(huán)性能和安全性能。
3)納米網(wǎng)絡(luò)包覆
在單晶顆粒表面包覆一層納米氧化物，減少正極材料與電解液的副反應(yīng)，從而有效改善高電壓下的循環(huán)穩(wěn)定性。
2021年8月29日，蜂巢能源在第二十四屆成都國(guó)際車展上正式宣布，其開(kāi)發(fā)的全球首款無(wú)鈷電池包正式搭載長(zhǎng)城歐拉首款SUV車型櫻桃貓，實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)裝車。本次量產(chǎn)裝車的無(wú)鈷電池包的總電量82.5KWh，系統(tǒng)能量密度170Wh/kg，支持工況續(xù)航里程超600公里。
搭載無(wú)鈷電池的長(zhǎng)城歐拉SUV櫻桃貓

2 四元電池
2019年7月9日，蜂巢能源舉行品牌戰(zhàn)略規(guī)劃及產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，面向全球同時(shí)首發(fā)了NCMA四元電池產(chǎn)品。
四元電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

本次發(fā)布的四元電池產(chǎn)品尺寸為44.3*220*100mm，容量157Ah，能量密度達(dá)到265Wh/kg，循環(huán)壽命可以滿足2500次。
四元電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

NCMA四元電池指材料中含有Ni、Co、Mn、Al四種元素，即在NCM三元材料中摻雜第四元素，同時(shí)將Ni含量降低，制備單晶材料，可以達(dá)到NCM811相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?，并且改善了高鎳材料產(chǎn)氣、循環(huán)和安全問(wèn)題。
第四元素（Al）的加入可以增強(qiáng)材料晶粒之間的邊界強(qiáng)度，減少有害相變轉(zhuǎn)變過(guò)程的微隙，從而提高循環(huán)性能和安全性能。但元素?fù)诫s種類過(guò)多，制備工藝更復(fù)雜，材料合成的一致性難以保證。
3 刀片電池

2020年3月29日，比亞迪在深圳衛(wèi)視舉行“刀片電池”超級(jí)發(fā)布會(huì)，刀片電池首次進(jìn)入大眾視野。據(jù)悉，刀片電池在重慶璧山基地量產(chǎn)，采用磷酸鐵鋰材料體系，將首次搭載于“比亞迪-漢”車型。
刀片電池發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

刀片電池是指電池外形像刀片一樣細(xì)長(zhǎng)扁平（如典型尺寸13.5mm*90mm*960mm）的鋰電池，內(nèi)部采用疊片工藝，單張極片長(zhǎng)度可達(dá)900mm以上，電池PACK時(shí)直接集成到電池包底部，取消了模組結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)電池包，刀片電池集成的空間利用率提高約50%，也就是說(shuō)，相同的體積下可裝配更多的刀片電池，從而提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程。
刀片電池外觀圖

刀片電池的核心優(yōu)勢(shì)：
1）超級(jí)利用率
傳統(tǒng)電池包采用電芯-模組-電池包的組裝方案，空間利用率約40%，刀片電池采用電芯-電池包的組裝方案，空間利用率約60%，由于取消了模組和梁結(jié)構(gòu)，刀片電池既作為能量體提供電能，又充當(dāng)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行固定和支撐。
2）超級(jí)強(qiáng)度
刀片電池采用側(cè)立插入式排布，形成電芯陣列，電池堆強(qiáng)度極高，并且在電池堆上下兩面還粘貼了兩塊高強(qiáng)度板，對(duì)電池包強(qiáng)度進(jìn)行升級(jí)。
刀片電池的電芯陣列

3）超級(jí)安全
采用熱穩(wěn)定性良好的磷酸鐵鋰材料，可通過(guò)最嚴(yán)苛的針刺安全測(cè)試，且電池表面溫度不超過(guò)60℃。
刀片電池的隱憂：
1）低溫性能

磷酸鐵鋰材料本身低溫性能差，搭載磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車在低溫天氣下可能導(dǎo)致續(xù)駛里程急速降低。
2）可維修性
由于刀片電池直接集成到電池包底部，當(dāng)電池受損需要更換時(shí)，需要拆掉整個(gè)電池包，維修成本較高。
4 4680無(wú)極耳電池

2020年9月23日，特斯拉舉辦2020年度股東大會(huì)暨“電池日”活動(dòng)，特斯拉掌門人Elon Musk向全球展示了一款全新電池—4680無(wú)極耳電池。據(jù)悉，相比于此前的2170電池，這款新型電池可以提升5倍的能量，6倍的充電功率，16%的續(xù)駛里程，降低每度電成本約14%。
特斯拉“三代”圓柱電池

4680無(wú)極耳電池主要包括“4680”和“無(wú)極耳”兩大技術(shù)，4680代表直徑46mm，高度80mm的圓柱電池，通過(guò)增加單體電芯的尺寸可攤薄非活性物質(zhì)占比，降低固定成本和BMS難度。無(wú)極耳指的并不是沒(méi)有極耳，而是沒(méi)有傳統(tǒng)意義上的焊接在集流體上的極耳，通過(guò)激光直接在集流體上切割出極耳形狀，然后與集流盤焊接，通過(guò)集流盤將電流引出到殼體，實(shí)現(xiàn)外電路的連接。
4680電池拆解內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
4680電池生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖
在4680電池應(yīng)用上，特斯拉采用CTC技術(shù)方案，即直接將電芯集成到汽車底盤上，從而可以大幅減少零部件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)車身減重，續(xù)航提升，單位成本降低。
特斯拉 Model Y 底盤設(shè)計(jì)

搭載4680無(wú)極耳電池的 Model Y 實(shí)物拆解圖

從實(shí)物圖中可以看到，組成Model Y的950顆4680電池縫隙間填充了大量粉色泡沫材料（聚氨酯），利用聚氨酯將單個(gè)電池之間牢牢粘結(jié)在一起，在沒(méi)有模組和電池包的情況下，也能實(shí)現(xiàn)與汽車底盤的可靠固定，并且泡沫材料具有一定的彈性，當(dāng)電動(dòng)汽車受到碰撞時(shí)，可以吸收電池受力的能量，具有較好的耐沖擊和耐振動(dòng)性能。

4680無(wú)極耳電池通過(guò)大圓柱方案實(shí)現(xiàn)了單體能量的大幅提升，極大簡(jiǎn)化了PACK的零部件，降低了成本，提升了續(xù)航，采用無(wú)極耳技術(shù)還大幅降低了電池內(nèi)阻（集流體內(nèi)阻可降低99%以上），減少了電池產(chǎn)熱，提高了安全性能。但4680電池工藝極其復(fù)雜（參考4680生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)圖，如極耳揉平和與集流盤的焊接等工藝難點(diǎn)），且對(duì)設(shè)備要求極高，除外，4680電池采用CTC車身一體化集成方案，同樣會(huì)面臨同刀片電池一樣的問(wèn)題，那就是可維修性很差，甚至有過(guò)之而無(wú)不及，業(yè)內(nèi)給出的評(píng)價(jià)是：特斯拉這種CTC電池包維修的可能性幾乎為零！

5 干法電池

特斯拉掌門人Elon Musk在2020年度股東大會(huì)暨“電池日”活動(dòng)上，向全球展示了一款全新電池—4680無(wú)極耳電池，據(jù)悉，該款電池采用了干法電極技術(shù)，亦可稱為“干法電池”。
特斯拉2020年“電池日”活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)圖
早在2019年5月，特斯拉以溢價(jià)55%的價(jià)格（2.18億美元）收購(gòu)了Maxwell公司，根據(jù)資料顯示，Maxwell成立于1965年，是一家生產(chǎn)超級(jí)電容器的公司，產(chǎn)品主要用于能源、工業(yè)和汽車領(lǐng)域，公司核心技術(shù)是超級(jí)電容技術(shù)和突破性的干法電極技術(shù)。
在鋰電池制造過(guò)程中，電極制備通常是采用濕法工藝，即將組成電極配方的干粉顆粒與溶劑混合分散形成漿料，然后涂覆在集流體上烘烤后形成電極。干法電極不使用任何溶劑，而是直接將組成電極配方的干粉顆粒高速混合，通過(guò)高速剪切使粘結(jié)劑PTFE纖維化，然后對(duì)混合后的粉末進(jìn)行熱輥壓形成自支撐膜，最后將自支撐膜在熱量作用下壓合粘接在集流體上形成電極。
干法電極制備過(guò)程實(shí)物圖
Maxwell 干法電極制備工藝示意圖
由于干法電極制備過(guò)程不使用任何溶劑，因此是一種綠色工藝，既節(jié)能環(huán)保，又可以降低材料成本，還有利于制備能量型電池的厚電極，并且其制造工藝特別適用于下一代摻硅補(bǔ)鋰和固態(tài)電池體系，可以說(shuō)是一種非常具有前景的極片制備工藝，但自支撐膜和集流體的接觸問(wèn)題以及干粉顆粒之間的接觸問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致電極的阻抗增加，其倍率相對(duì)更差，并且干法電極工藝難度較大，需要開(kāi)發(fā)專用設(shè)備，目前很難大規(guī)模應(yīng)用。
6 (半)固態(tài)電池
2021年1月9日，蔚來(lái)汽車“NIO Day”在成都舉辦，并發(fā)布了首款旗艦轎車ET7，宣稱搭載了150kWh固態(tài)電池，能量密度高達(dá)360Wh/kg，續(xù)駛里程突破1000km，隨后，創(chuàng)始人李斌一句“量產(chǎn)固態(tài)電池”更是震驚業(yè)界。
蔚來(lái)汽車發(fā)布150kWh固態(tài)電池現(xiàn)場(chǎng)圖
實(shí)際上，固態(tài)電池是一個(gè)較為寬泛的概念，傳統(tǒng)的鋰電池采用液態(tài)電解質(zhì)作為Li+傳輸?shù)妮d體，而固態(tài)電池技術(shù)的核心就是針對(duì)電解質(zhì)的革新。根據(jù)電解質(zhì)中液態(tài)成分含量劃分為半固態(tài)電池（液體含量≤10%）、準(zhǔn)固態(tài)電池（液體含量≤5%）、全固態(tài)電池（液體含量0%），固態(tài)電池的發(fā)展和應(yīng)用趨勢(shì)將是一個(gè)“梯次滲透”的過(guò)程，最終的固態(tài)電池將完全采用固態(tài)電解質(zhì)，并且負(fù)極需要采用鋰金屬材料，才能充分發(fā)揮固態(tài)電池的優(yōu)勢(shì)，理論能量密度可達(dá)400~500Wh/kg甚至更高。
固態(tài)電池技術(shù)發(fā)展路線
固態(tài)電解質(zhì)的研究主要包括三大類：聚合物、氧化物、硫化物。
1）聚合物固態(tài)電解質(zhì)由聚合物基體（如聚酯、聚酶、聚胺等）和鋰鹽（LiClO4、LiFP6等）組成，Li+以鋰鹽形式“溶于”聚合物基體，傳輸速率受到基體相互作用及鏈段活動(dòng)能力的影響，溫度越高，聚合物的離子電導(dǎo)率越高。目前主要研究的聚合物電解質(zhì)體系是PEO，其可與多種鋰鹽發(fā)生絡(luò)合，對(duì)鋰鹽溶解性好，但室溫電導(dǎo)率僅10-5S/cm，氧化電位也較低（3.8V），需要進(jìn)行改性來(lái)滿足高電壓體系，
2）氧化物固體電解質(zhì)包括晶態(tài)（鈣鈦礦型LLTO、NASICON型、石榴石型LLZO、LISICON型）和非晶態(tài)（LiPON型等）兩種物質(zhì)結(jié)構(gòu)。氧化物晶態(tài)固體電解質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性好、循環(huán)性能好，但其室溫電導(dǎo)率也較低，電解質(zhì)與電極顆粒接觸差。LiPON型電解質(zhì)制備工藝復(fù)雜、成本較高。

3）硫化物固體電解質(zhì)室溫離子電導(dǎo)率較高，接近甚至超過(guò)有機(jī)電解液，并且熱穩(wěn)定性好、安全性能好，但硫化物對(duì)空氣較敏感，容易氧化，遇水容易產(chǎn)生硫化氫等有害氣體，且電化學(xué)穩(wěn)定性差，搭配高電壓正極時(shí)電解質(zhì)層部分貧鋰，增大了界面阻抗，搭配金屬鋰負(fù)極時(shí)生成的SEI膜阻抗也較大。
綜上所述，固態(tài)電池優(yōu)缺點(diǎn)非常鮮明。其可以大幅提升電池能量密度，較好的解決電動(dòng)汽車?yán)锍探箲]問(wèn)題，由于固態(tài)電解質(zhì)不可燃，其安全性極好，并且可以在更高溫度下運(yùn)行。但是固態(tài)電解質(zhì)與電極之間是固-固接觸，接觸面積小，Li+傳輸效率低，功率性能較差，此外，固態(tài)電池的制造成本也較高。
根據(jù)蔚來(lái)汽車公開(kāi)信息判斷，本次蔚來(lái)發(fā)布的單體360Wh/kg的固態(tài)電池并非全固態(tài)電池，而是采用了部分液態(tài)電解質(zhì)，并搭配高鎳正極和硅碳負(fù)極，嚴(yán)格意義上是，只能算一款半固態(tài)電池。但根據(jù)其披露的電芯相關(guān)性能參數(shù)，相比現(xiàn)有的液態(tài)鋰電池已有較大提升。
7 石墨烯電池
2021年1月15日，廣汽集團(tuán)全資子公司埃安新能源發(fā)布“廣汽埃安全新動(dòng)力電池科技”宣傳海報(bào)，預(yù)告顯示其石墨烯超級(jí)快充電池8分鐘可充滿80%電量。
廣汽埃安宣傳海報(bào)

石墨烯是一種從石墨中剝落的、以SP2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料，具有極其優(yōu)異的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，是目前已知導(dǎo)熱系數(shù)最高的物質(zhì)，在鋰電池中使用可以大大降低電池內(nèi)阻，提升倍率性能，并且能夠提高電極材料的熱傳遞，提高電池的穩(wěn)定性和安全性能。

石墨烯分子結(jié)構(gòu)片段

但由于石墨烯的二維平面結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生“位阻效應(yīng)”，從而大大阻礙Li+的遷移，導(dǎo)致電池功率性能惡化，通常認(rèn)為當(dāng)石墨烯片徑小于活性物質(zhì)或與活性物質(zhì)相當(dāng)時(shí)，其對(duì)Li+的位阻效應(yīng)才可以忽略不計(jì)，然而當(dāng)石墨烯片徑減小時(shí)，其優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性能將無(wú)法充分發(fā)揮，也就大大弱化了石墨烯的優(yōu)勢(shì)。
目前將石墨烯融入電池產(chǎn)業(yè)，主要有兩個(gè)方向，一是作為導(dǎo)電添加劑，二是作為負(fù)極主材料。假如動(dòng)力電池將石墨烯作為導(dǎo)電添加劑，雖能勉為其難接受其成本，但對(duì)電池的性能提高其實(shí)并不大，而如果作為負(fù)極主材料，電池造價(jià)將非常高，恐怕沒(méi)人愿意買單。
根據(jù)廣汽埃安披露的8分鐘充電80％的性能數(shù)據(jù)，初步判斷電池滿足5C～6C持續(xù)充電，這對(duì)于不采用石墨烯的鋰電池而言亦不是難事。綜上，廣汽埃安宣稱的石墨烯電池似乎并非直接以石墨烯作為負(fù)極主材料的技術(shù)革命，而更像是以石墨烯作為導(dǎo)電添加劑加入負(fù)極配方中一次商業(yè)行為。
8 摻硅補(bǔ)鋰電池
2021年1月13日，由上汽集團(tuán)、張江高科和阿里巴巴共同打造的智己汽車在上海舉行全球品牌發(fā)布會(huì)，發(fā)布了高端智能純電動(dòng)汽車品牌-IM智己。
據(jù)悉，本次發(fā)布的一款純電動(dòng)轎車和一款純電動(dòng)SUV均搭載了智己汽車和寧德時(shí)代共同研制的摻硅補(bǔ)鋰電池，該電池單體能量密度高達(dá)300Wh/kg，系統(tǒng)能量密度240Wh/kg，續(xù)航里程最高可達(dá)1000km。
智己汽車品牌發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

“摻硅補(bǔ)鋰”是針對(duì)高能量鋰離子電池的配套技術(shù)，隨著人們對(duì)電池能量密度的更高追求，一種全新的Si負(fù)極材料受到廣泛研究，相比于常規(guī)的石墨負(fù)極，硅的容量是石墨的十倍以上，意味著僅需使用10%wt的硅材料，就能達(dá)到石墨相同的容量水平，從而能夠大幅減輕電池的質(zhì)量。然而，當(dāng)硅和鋰完全合金化后，其膨脹高達(dá)300%，是常規(guī)石墨的30倍左右，因此，在鋰電池的首次充電過(guò)程將會(huì)在硅表面形成更大面積的SEI膜，從而產(chǎn)生更多活性鋰損失。
由于硅的膨脹太大，通常難以單獨(dú)應(yīng)用到鋰電池中，而是和石墨摻混形成混合負(fù)極，即使摻雜的硅很少，也會(huì)對(duì)負(fù)極首次效率造成較大劣化，往往得不償失，因而針對(duì)摻硅負(fù)極的補(bǔ)鋰技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)為電化學(xué)體系提供額外的鋰源來(lái)形成SEI膜，從而將硅材料的高容量?jī)?yōu)勢(shì)徹底發(fā)揮出來(lái)。
鋰金屬直接接觸負(fù)極補(bǔ)鋰示意圖

目前主流的負(fù)極補(bǔ)鋰技術(shù)包括：短路法、電化學(xué)法和化學(xué)法。

1）短路法
將負(fù)極片直接和鋰金屬（鋰箔或鋰粉）接觸，在電解液環(huán)境中，鋰金屬和負(fù)極材料的電勢(shì)差導(dǎo)致電子定向移動(dòng)，鋰金屬產(chǎn)生的Li+釋放到電解液中，為保持電荷平衡，電解液中的Li+會(huì)嵌入負(fù)極材料中。
2）電化學(xué)法
將鋰金屬和負(fù)極片組裝成半電池，然后對(duì)半電池進(jìn)行放電，負(fù)極片的鋰化程度可以通過(guò)電流和電壓控制，最后將預(yù)嵌鋰的負(fù)極片拆解下來(lái)再與正極片組裝成全電池。
3）化學(xué)法
用低電勢(shì)的含鋰化學(xué)試劑與負(fù)極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)其進(jìn)行還原實(shí)現(xiàn)補(bǔ)鋰，此種方法制備的鋰化試劑具有很高的化學(xué)活性，必須使用無(wú)水溶劑并在干燥的氣氛下進(jìn)行。
盡管摻硅補(bǔ)鋰所帶來(lái)的效果是顯著的，但是硅材料固有的膨脹特性將會(huì)嚴(yán)重惡化電池循環(huán)性能，且各種補(bǔ)鋰工藝目前均不太成熟，還存在相關(guān)的補(bǔ)鋰配套設(shè)備開(kāi)發(fā)問(wèn)題、高活性鋰金屬的安全問(wèn)題、鋰化程度的定量控制問(wèn)題等。
9 鈉離子電池

2021年7月29日，寧德時(shí)代舉辦鈉離子電池發(fā)布會(huì)，發(fā)布了其第一代鈉離子電池并首次亮相了鋰鈉混搭電池包。據(jù)悉，本次發(fā)布的鈉離子電池單體能量密度可達(dá)160Wh/kg，常溫充電15min，電量可達(dá)80%以上，即使在-20℃低溫環(huán)境下放電，其保持率也可達(dá)到90%以上。
寧德時(shí)代第一代鈉離子電池和磷酸鐵鋰電池性能對(duì)比圖
鈉離子電池是對(duì)鋰離子電池革命性的技術(shù)，主要的區(qū)別包括將正極材料替換為鈉離子體系，負(fù)極材料替換為硬碳或軟碳，集流體銅箔替換為鋁箔，但鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，是依靠Na+在正、負(fù)極材料之間嵌入、脫出實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，也可以稱之為“搖椅式電池”。
鈉離子電池工作原理

由于電荷載體由Li+替換為Na+，因此正極材料可采用含鈉過(guò)渡金屬氧化物NaxMO2（M=Co、Fe、Mn、Ni等）、普魯士藍(lán)類似物（含高Na，白色，也可稱普魯士白）NaxMa[Mb(CN)6]（Ma、Mb=Fe、Mn等），如鐵基普魯士白Na2Fe[Fe(CN)6]、錳基普魯士白Na2Mn[Fe(CN)6]、錳基高錳普魯士白Na2Mn[Mn(CN)6]、聚陰離子化合物等，電解液由鋰鹽替換為鈉鹽，由于Na+半徑（0.102nm）比Li+半徑（0.076nm）大，Na+無(wú)法嵌入常規(guī)石墨負(fù)極層間，因此鈉離子電池負(fù)極材料需要采用層間距更大、孔隙結(jié)構(gòu)更豐富的碳材料進(jìn)行儲(chǔ)鈉，但由于Na+在低電位下無(wú)法嵌入Al的晶格中，因此鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體，可以在一定程度上降低成本和提高能量密度。
相比鋰離子電池，鈉離子電池具有諸多優(yōu)勢(shì)：首先是成本優(yōu)勢(shì)，鈉資源儲(chǔ)量豐富，不適用Li、Ni、Co等貴重金屬，電解液用鈉鹽替代鋰鹽，并且可以采用低濃度鈉鹽實(shí)現(xiàn)高電導(dǎo)率，負(fù)極集流體可以采用更便宜的鋁箔等，從材料體系組成來(lái)看，鈉離子電池成本比鋰離子電池便宜30%~40%。其次是安全性能和低溫性能，鈉離子電池可以實(shí)現(xiàn)零電存儲(chǔ)和運(yùn)輸，充電過(guò)程不易產(chǎn)生枝晶刺穿隔膜，并且Na比Li更穩(wěn)定，安全性能比鋰離子電池更好，除此之外，鈉離子電池電解液可以大量使用PC基溶劑，低溫性能也比較好。
雖然僅是用Na+替代了Li+，但其半徑差異性導(dǎo)致鈉離子電池綜合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如鋰離子電池，如Na+在正、負(fù)極材料中的嵌入和脫出阻力較大，對(duì)材料結(jié)構(gòu)破壞較大，循環(huán)可逆性差。更嚴(yán)重的問(wèn)題是，鈉離子電池工作電壓范圍2.8~3.5V，電壓平臺(tái)低，正極材料克容量基本也比較低（大約150mAh/g左右），壓實(shí)密度也低，負(fù)極材料克容量也不如石墨，導(dǎo)致鈉離子電池重量能量密度只有160Wh/kg左右，顯然無(wú)法取代鋰離子電池在高端消費(fèi)場(chǎng)景下的應(yīng)用，在儲(chǔ)能領(lǐng)域，循環(huán)性能又不如磷酸鐵鋰，所以目前來(lái)看，鈉離子電池仍然任重道遠(yuǎn)。

不過(guò)，在本次發(fā)布會(huì)上，寧德時(shí)代還提出了應(yīng)用鈉離子電池的AB電芯構(gòu)想，即將鋰離子電池和鈉離子電池組合形成鋰鈉混合電池包。通過(guò)BMS的算法控制實(shí)現(xiàn)不同電池體系的SOC均衡，從而在不同的環(huán)境或場(chǎng)景下發(fā)揮各自體系的優(yōu)勢(shì)，既彌補(bǔ)了鈉離子電池的能量密度短板，又發(fā)揮了其快速充電、低溫性能等優(yōu)勢(shì)，不失為一種較好的折中方案。
鋰鈉混合電池包構(gòu)想

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