谢乐琼， 王莉， 何向明
清华大学核能与新能源技术研究院，北京，100084
摘要：本文从锂离子动力电池产业中的电池、模组及系统进行概述，并对产业现状进行总结及分析。
1. 引言
电动汽车和传统燃油汽车于19世纪末均有诞生，而在此后的一个世纪由于电动车的造价较燃油车昂贵，电动汽车的发展几近停滞。直到21世纪电池行业的兴起，电动汽车才迎来了研发及生产制造的新潮。全球电动车的存量取决于美国和中国电动车市场的增长与发展，预计到2020年，全球新能源汽车销量将接近500万辆，其中中国200万辆、美国100万辆。中国的电动车市场现已日趋规范化，2015年发布的《新建纯电动乘用车企业管理规定》要求电动汽车厂商必须申请发改委和工信部两部门的资质方能生产及销售电动车，而资质审批严格，目前申请的厂商中有22%获得了发改委资质，获工信部的资质企业仅为13%。
对于制造商而言，电动汽车的设计需考虑使用范围、模组系统、成本、汽车功率、寿命、乘坐与操纵等各方面因素。不同类型车辆对引擎、发动机、电池的的要求各不相同，传统车仅靠电池进行引擎启动，而混合动力、增程式及纯电动车对电池的要求从吸收再生制动能量、支持加速到提供唯一的动力和能源，对电池性能要求逐级增高，纯电动车最核心的部件是电池，详见表1。电动车成本中最显著的影响因素是电池的成本，而在产业化初期电动车的成本也远远高于传统车型，如图1。随着电池生产量的增加和电动车市场的变化，电池及其相关组件成本快速下降。2007-2015年，电池包的成本从6700元/kWh降至1600元/kWh。更好的材料和电芯结构也使得电池体积能量密度增加，如18650电池经过20年时间发展，容量可从1400mAh提升至3400mAh。锂离子电池相关技术的快速进步使电动车制造成本更具有竞争力。本文概述了锂离子动力电池产业中的电池、模组及系统，并对产业现状进行了总结及分析。
表1 不同类型汽车各部件功能
图1 不同类型汽车成本统计图
2. 锂离子动力电池
锂离子动力电池是以锂作为充电电荷载体的各类电池的通称。锂离子在重量和电压方面具有独特优势，可作为汽车用可充电电池。锂离子电池的种类很多，这取决于阳极和阴极材料的精确组合。在充电过程中，带正电的锂离子从阴极流过电解质/隔膜进入阳极，并储存于阳极：电子从负极通过外部电路流向正极，当锂离子不再流动时电池充满电。放电过程中，锂离子通过电解液回流至阴极，电子通过外电路回到负极，当所有离子回到阴极后，电池放电完毕，如图2。电动机将电池的电能转化为机械能来转动车轮，来自电网的电能可用来给电池充电。
图2 以钴酸锂电池为例
2.1. 电池关键材料及特性
图3为各类典型的正负极材料对锂的电位差及理论比容量值。不同的正负极材料对锂的电位及比容量均不同，因此在设计制造电池时可根据不同需求来选择合适的正负极材料。
图3 各个正负极材料比容量
2.1.1 正极材料
正极材料在锂离子动力电池中是锂离子的主要来源[]。如今在产业中使用较多的正极材料包括：六方层状结构的材料如钴酸锂(LCO)、锂镍钴铝(NCA)、锂镍锰钴氧化物(NMC)、尖晶石结构的锂锰氧化物(LMO)和橄榄石结构的磷酸铁锂(LFP)[]。钴酸锂具有高能量、高功率的优点，但其热不稳定、寿命较短、负载能力有限：锂锰氧化物具有高功率、热稳定、高安全性、成本低的优势，但较其他阴极材料容量相对较低且寿命有限[]，在应用中提升热管理会让此类材料更有优势：锂镍钴铝(NCA)具有高比能量、良好的比功率及长循环寿命，但安全性相对较低且成本更高：锂镍锰钴氧化物中镍具有高比能量、锰的成分可降低电池内阻、可提供高比能量及功率，但镍的稳定性不高且锰提供的比能量较低：磷酸铁锂(LFP)具有固有的安全性及热稳定性优势，在滥用状态下表现更为安全，以磷酸铁锂为正极材料的电池电流额定值更高且具有长的循环寿命。低电压和低容量是磷酸铁锂材料的缺点，这也导致了磷酸铁锂材料的能量密度相对其他材料要低。
2.1.2 负极材料
动力电池产业中的负极材料主要有石墨/碳基、钛酸锂(LTO)、硅合金(Si)。石墨/碳基具有良好的机械稳定性、良好的导电率及锂离子运输能力和高的克比容量，但体积容量较低是石墨/碳基材料的缺点：钛酸锂具有耐受快速充放电速率、固有安全性、长循环寿命的优势，但相比石墨其能量密度更低、成本更高：硅合金具有高质量/体积容量、低成本和化学稳定性的优势，但其也存在充电时机械膨胀度高的问题。
2.2. 动力电池的种类及特点
动力电池基本单元是由单体电芯组成，电芯的类型从结构上分类包括软包电池、圆柱形电池及方壳电池，如图4。圆柱电池在在产业领域应用极为广泛，其尺寸易于标准化生产且有机械自支撑的特点使得动力电池产业中以圆柱形电池为主，因此圆柱电池也具有高产量及价格竞争力的特点，但圆柱电池的结构会影响动力电池整体的重量从而使动力电池组装密度及比能量降低。软包电池具有高的功率和能量密度，质量较轻且更容易有效的利用组装空间。与圆柱电池相比，软包电池需要更多的商业化空间。软包电池的局限性在于缺乏成型标准，在模组中需要结构支撑及冷却散热系统，尤其在使用高能量大软包电池时，对热滥用等安全方面的保护设计仍存在巨大挑战。方壳电池具有圆柱和软包电池的共有优点，分层的方法提高了空间利用率并能根据不同的要求进行灵活的模组设计，但方壳电池亦缺乏成型标准，大成组的方壳电池能量高且制造成本较圆柱电池要高，同时对滥用和安全性破坏的保护设计的要求更高。
图4 叠片电池和卷绕电池组成结构
动力锂离子电池从材料体系分类为：固态电池、金属空气电池(如：锂、铝、锌、钠)、锂硫电池(Li-S)、钠离子电池、硅合金(硅)电池。固态电池优势在于其固态电解质，无需考虑电池使用过程中的泄漏问题，因此也大大提高了电池使用的安全性：高电压的固态电池也可提高电池包潜在能量密度，在电池包使用中可不置入冷却系统从而让动力电池系统更轻、更高效。固态电池研发中最大挑战即提高固态电解液的导电性，而在产业化中的大批量生产并让成本被市场接受也是一大挑战[]：金属空气电池具有纯金属阳极和O2阴极，理论容量高(可达1000Wh/kg以上)且未采用重金属制备电池，更环保且提高了安全性。金属空气电池的循环寿命短，现实可再充电、空气管理及高功率下能量密度降低问题依然属于研究挑战。锂硫电池中硫是来源丰富且低成本的材料，锂硫电池具有高的理论质量能量密度，在安全性方面有待提高的空间。锂硫电池体积能量密度偏低，功率密度和放电倍率问题仍有待解决，循环寿命及稳定性在研发层面有较多挑战。钠离子电池中钠的成本低且来源丰富、安全性高，但体积和质量能量密度问题还需进一步深入研究解决。硅合金(硅电池)具有比石墨高10倍的质量容量，可变得更轻及储存更多能量，但循环寿命是此类电池的短板，实际应用存在限制。
2.3. 动力电池的生产及供应链
电池生产主要分为电极极片制造和电池组装两方面工序。电极组装工序为：粉末-混料-涂覆-干燥-辊压-分切：电池组装工序为：叠片-焊接-打包-注液-化成/老化-下线检测(EOL测试)。步骤如图5。
图5 电池组装工序
动力电池是由电解液、隔膜、集流体、粘结剂、阴阳极材料、导电剂及粘结剂等材料组成。按电池成本及相对比重细分，电池价值不仅仅来自初级电化学材料，而是分布于电池中的各个组分，以NCA圆柱电池为例，如图6。各组分的体积和成本占比有一定的正相关性，又并非完全正相关。电池生产中正极材料在体积和成本的占比均最大，且成本较体积占比更高(高约11%)：负极材料次之，其体积占比与成本占比相当：电解液的体积占比12%，成本为9%：隔膜体积占比2%，但成本占比为14%：添加剂如粘结剂和导电剂的体积和成本目前在产业中占比仅约为1%。
图6 圆柱电池典型材料体积及成本分解图(数据来源：台湾ITRI )
正极材料是锂离子电池中所占体积和成本最高的组分，是动力电池产业发展的关键。而正极材料的典型原料为钴和锂。
3. 动力电池模组、电池包及管理系统
3.1. 动力电池模组
模组的成组是为了连接大量电池，为电池提供支撑结构、传热界面及附着端子，多个模组与传感器连接，并将控制器等装置装在一个箱子里即可成为电池包，如图7、8。
图7 Nissan leaf汽车模组
图8 圆柱形电池模组(特斯拉)
1、外壳：金属外壳提供电芯机械支撑，使电芯在压缩状态下保持最佳性能：
2、夹紧框架：钢架为可保护模组到电芯的盒子：
3、温度传感器：模块中的传感器监控电池温度，以允许电池管理系统在安全范围内保持冷却和供电：
4、电芯：每个模组中的电芯数量是一致的，电芯的数量可根据设计和使用的需求变化：
5、终端：模块上的两个端子，允许通过母线和其他模块连接：
6、电芯互接：每个电芯具有正负两极。将电芯间正负极串联焊接在一起，然后连接到终端：
7、冷却通道：液体冷却剂在一排排电芯之间流动，以排除热量避免热失控。Nissan Leaf 采用的是空气冷却。
模组的制造涵盖了电芯的筛选、组装、焊接、检测等各个工序。模组制造的主要任务有：将电芯组装成载体，连接结构中的导体(焊接)，用电压和温度传感器安装模块控制单元，若有必要装入冷却系统，测试系统功能，具体流程详见下图。不断提高自动化水平，也大大降低了制造成本，生产流程如图9所示。
图9 模组生产流程
3.2. 动力电池包
电动汽车以电池包的形式与动力系统连接。电池包由外壳体、模组、母线、保险丝、切断、冷却系统、BMS等组件组成，如图10、11。
图10 Nissan leaf汽车电池包
图11 Nissan UK 的电池包
1、上壳体：为电池部件提供防火和防水外壳，保护其免受灰尘侵入。也屏蔽人员受高压原件的影响：
2、电池模组：一个模组通过多个连接电芯，为电芯提供支撑结构及接线端子。模组设计是通过电芯的形式及车辆设计需求而定：
3、母线：将电池模组连接起来的通电装置，并将模组连接到接触器：
4、接触器：将电池包和汽车电隔离，在安全测试完成时关闭，当发生碰撞或电池故障时打开：
5、保险丝：保护昂贵组件免受功率急剧上升和故障的损害：
6、切断：用于维修或保养期间电池和车辆的隔离：
7、冷却：模组需要冷却。电池包冷却方式有空气、水或空调系统：
8、电池管理系统(BMS)：BMS确保电池在安全的工作温度和电压范围内工作。它测量电池剩余电量并记录电池健康状态。它还确保电池在关闭接触器之前正确的连接和隔离：
9、下壳体：结构外壳支撑电池组并保护其面授损坏。
3.3. 管理系统
电池管理系统用于监测与控制电池温度、电压并管理电池。BMS监测和控制电池模组的充电状态(SOC)、健康状态(SOH)、功能状态(SOF)、安全和重要保障、平衡负载/单电池效率：BMS可提高电池使用率和效率，并减少所需的电池量。BMS的设计及制造需要高度熟练的电子和软件工程人才，BMS运行流程详见图12、13。
图12 电池管理系统运行
图13 电池管理系统示意图
配电系统(EDS)主要功能是提供电池包的导电路径。功能细分包含：为电池包提供隔离传导途径：测量高压电路中的电流和电压：提供高压线路供电时的预充电功能：高压线路在过电流情况下熔断：监测电器绝缘的有效性：低压线为电池控制功能提供电量，并采用CAN协议让电池与汽车通信：高压线带有一个信号以确认所有外部连接器正确相连并确保高压导体永久不接触：BMS接收模组电压和温度传感器的信息，模组中BMS可提供输出信息以驱动电池冷却系统的其他部件，如风扇、泵或电池冷却系统的阀门：外部连接器更加牢固和安全的连接了电池包和其他动力系统，通常分为高压、低压及其他辅助连接器(充电器和高压附件)，如图14。
图14 配电系统示意图
电池包集成-生产过程主要分为处理、集成和测试。电池包生产过程主要任务可细分为：将模组组装：在封装体系中加入模组：连接及测试电路：可根据使用设计装入冷却系统：测试电池包质量和系统功能，如图15。
图15 电池包集成-生产过程
4. 结论与展望
动力电池的潜在化学/技术从实验室概念阶段的新化学品开始，通常需要数十年才能成为市场产品。新材料的发展如探究新化学成分，理解产品特性和特征等方面研发工作都由科研机构的化学实验室或大学主导实验，这类突破性的发现通常并没有时限。实验室中在克级发展有前景的材料并可为应用提供性能测试及分析的工作也由科研机构实验室或大学主导实验，此类研究一般可经历3年甚至数十年。有前景的材料从实验室到商业化的电芯一般由大学或工业化企业来主导，此时可进行规模化的测试分析及确定制造过程，历时一般约为2年。当电池产品可进行工业化发展，企业和大学等科研机构需相互配合来证明可量化电池生产应用，供应链验证，工业规模制造的优化，历时可长达3年。工业企业需用1-1.5年来完成产品在电池阶段的验证、量化电池按工业化标准测试，OEM(原始设备制造商)验证及确保可靠性及安全性水平。而OEM的循环发展需历时2-3年时间。
图16为未来的20年内对动力电池的成本、能量密度、功率密度、安全性、寿命、使用温度范围、可预见性和再循环能力的预期。通过动力电池各领域的发展及突破限制，相信未来的动力电池具更高安全性、能量密度、功率密度及更低成本的广阔领域，并能更好的服务于人类。
图16 二十年内对动力电池8大性能预期
致谢
感谢科技部国际合作项目(No. 2016YFE0102200)和北京市英才计划项目(No. YETP0157)资助。感谢“清华大学-张家港氢能与先进锂电技术联合研究中心”支持。
参考文献
[1]王兆祥， 陈立泉， 黄学杰. 锂离子电池正极材料的结构设计与改性[J]. 化学进展， 2011，23(2/3)： 284-301.
[2] 施志聪，杨勇.聚阴离子电池正极材料研究进展[J]. 化学进展， 2005， 17(4)： 604-613
[3] 唐致远，阮艳莉. 锂离子电池容量衰减机理的研究进展[J]. 化学进展，2005，17(1)：1-7
[4] 刘晋， 徐俊毅，林月， 等. 全固态锂离子电池的研究及产业化前景[J]. 化学学报，2013： 869-878.
(来源:电车资源EV江湖 何向明)
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