文章開始前，先問大家一個問題：我們為什么要去提高電池能量密度？答案其實很簡單：焦慮，準確的講是里程焦慮。我們希望通過能量密度的提升來獲得更高的續航里程。

在國家政策的扶持下，我國動力電池取得了很大的進步，關鍵性能指標提高、成本下降，電池成組、BMS（電池管理系統）技術取得了一定的進步。按照科技部部長萬鋼給出的數據，目前純電動乘用車產品的續駛里程高于 300 公里的比例達到 81%，系統能量密度 140Wh/kg 以上的產品已經成為主流，單體能量密度發展更快，基本上超過 250Wh/kg，有些已經達到了 300Wh/kg 的預定目標。

但是在這樣的成績的背后仍存在許多疑問：目前鋰電技術存在哪些問題？未來動力電池發展趨勢是什么？高比能材料研究進展如何？

電池安全問題

「鋰電池具有成為動力電池主流技術的潛質，但瓶頸是高比能量動力電池的安全性」。在今年的百人會上，中國科學院院士歐陽明高一開場就直奔主題。

此前，國家補貼門檻提高，三元鋰逐漸取代磷酸鐵鋰成為主流，電池能量密度以及整車續航里程得到很大的提升，但是在這種增幅背后卻隱藏著危險——熱失控。

首先簡單了解一下什么是熱失控（主要是高溫熱失控）：動力電池在工作的時候會發熱，正常情況下可控，但是在電池溫度過高或充電電壓過高時，電池內部化學反應會接連發生，產生連鎖反應，使電池內壓及溫度急劇上升，進而引發電池熱失控，發生爆炸 or 燃燒。

造成熱失控的原因很多，主要從兩個方面來說：內因和外因。

內因：本身材料、制造工藝會對電池性能產生影響，使單體電池狀態（SOC 等）存在差異、電池使用時間過長，存在析鋰、隔膜融化等現象造成內短路，進而導致熱失控；

外因就比較多，過充過放、車輛使用老化可靠性降低、充電不規范、密封不好、碰撞……

（圖片來自 @ 42 號車庫）

為了讓電池可以穩定工作，需要對原材料以及制造工藝進行品質控制，從內部保持生產的一致性；但即便如此也無法完全保證，這就需要 BMS（電池管理系統）從外部來控制電池組的溫度，以便讓電池發揮最佳效率。

現在的電動車為追求高能量密度高續航，將電池中的隔膜厚度進行削減，給電池安全造成了一定的安全隱患，很容易造成熱失控，除此之外，國家補貼政策的快速調整與動力電池系統開發周期不協調，導致產品無法得到充分驗證，進而產生安全隱患。

如何在提高電池能量密度的同時保證電池安全，是當下需要解決的問題。

未來電池的發展方向

除了要著眼于現在，從業者的目光還是要放的長遠一些。

「一個行業共識是，傳統液態介質鋰電池的能量密度不可能大幅度提升，未來 3-5 年，三元鋰電池會達到技術的瓶頸」。這是天際汽車董事長兼 CEO 張海亮在百人會上分享的觀點。

在這種情況下，哪種形式的電池又會是研究主流呢？

固態電池？

固態電池其實并不算一種完全的技術革新，只是將現有鋰電池中的隔膜或電解液用可傳導鋰離子的固態電解質替代，結構上稍有差異，但工作原理幾乎一致，相對而言，固態電池要比傳統鋰電池安全一些，且能量密度較高。

按照歐陽明高給出的展望，電池正極發展方向是減鈷到無鈷，負極將是加硅，硅的含量將逐步提升，甚至是全硅。電解質要減少有機溶劑，逐步提高鋰鹽的濃度，未來可能要開發全固態電解質，但是全固態電解質目前還有很多技術瓶頸需要克服，大規模商業化估計在 2025-2030 年（以后）。

免管理電池（MFB）是終極解決方案？

魚與熊掌不可兼得。電池材料在反應活性和穩定性上存在一個固有矛盾， 活性大性能好衰減也快，穩定性好的活性較差。「我們做電池的科學家跟工程師，基本上每天是在玩折中的游戲。」賓夕法尼亞州立大學教授王朝陽這樣說道。

（圖片來自 @ 42 號車庫）

在他看來，既然現有材料無法實現我們在反應活性和穩定性上的要求，那就應該去建立新的電池體系：第一步將材料鈍化，增加電池內阻，保證電池安全，通過熱刺激方式迅速調制電化學動力特性，讓電池輸出高功率；第二步，在原有電池結構中加入一個鎳片（厚度僅 5 微米），連通正負極形成回路，可以使電池迅速升溫。有多快呢？每秒 2-5 度，從 25 度到 60 度，只需要 7 秒的時間。王朝陽說這個電池的熱管理很簡單，將來甚至不需要主動熱管理，自然對流就可以。

其實這并不是最新技術，早在兩年前王朝陽就將其發表在《自然》期刊上。就在去年，搭載該技術的車子已經進行過一次實驗，近期將會去做第二次實驗。

高容量富鋰正極材料？

高能量密度動力電池如果要達到 300Wh/kg，正極容量就要達到 200mAh/g，如果能量密度達到 400Wh/kg，正極材料就要超過 250mAh/g，如果考慮到密度，可能要達到 270mAh/g 以上。已經商業化的正極材料如錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰等，他們的比能量難以滿足 400Wh/kg 鋰離子動力電池能量的密度要求。計算表明，要構筑比能量達到 400Wh/kg 的鋰離子電池，采用高比容量富鋰氧化物正極材料和硅負極是可行的技術路線。

這是北京大學教授夏定國給出的觀點。

去年 11 月，夏定國團隊制備出一種 O2 構型的錳基富鋰動力電池正極材料，放電比容量達到 400mAh/g 以上（比能量密度 1380Wh/kg 以上）。

在研發初期，研發人員發現這種材料有充放電效率較低、倍率性能不夠好、循環穩定性較差、充放電過程中會出現持續的電壓衰減等問題。在后期，夏定國團隊通過表面修飾、電子結構調整等方式進行過電池優化，提高了材料的穩定性。

但是材料本身還存在電壓滯后等問題，需要進一步的研究實驗。也就是說，這種材料從實驗室到真正走入現實還有比較長的一段路要走。

小結一下

總的來說，目前動力電池存在的最主要問題是， 隨著能量密度的提高，熱失控幾率呈上升趨勢。從整個發展規劃來看，動力電池發展路線將會是這樣： 正極減鈷到無鈷、負極加硅、電解質減有機溶劑，逐步向全固態的方向發展。在補貼逐漸退出，國家逐步取消對續駛里程、能量密度等細節要求之后，技術的決策權將回到企業，市場則會對產品進行選擇。

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