动力电池演化中的六大方向分析

摘要

基于电化学材料及结构体系的基础创新和产业化突破，利于中国企业和产业把握新能源行业的主动权，反哺全球能源转型。

下一代动力电池技术正在快速逼近，从系统结构设计到材料体系优化，中国动力电池企业开始展示出越来越强的底层创新能力。

系统结构创新层面，CTP、CTC、JTM、CTB、One-Stop等创新技术层出不穷；材料体系创新层面，无钴电池、快充电池、钠离子电池、锂硫电池、固态电池、高锰铁锂电池等纷纷出圈。与此同时，动力电池技术多元化也在驱动着装备工艺的复杂化与革新化。

动力电池技术创新背后，既有来自全球能源变革与新能源产业升级的驱动，同时也是电池企业参与市场竞逐的关键砝码。动力电池作为新能源汽车的基石部件，技术的创新突破也与产业升级空间息息相关。

基于对行业的深度洞察，蜂巢能源董事长兼CEO杨红新将下一代动力电池技术概括为六大方向：无钴化、4C快充、短刀电池、叠片技术、预锂补锂、可预见性。

宏观上，这六大方向的底层逻辑源于“一纵一横一圈层”的产业发展规律。

一纵指的是“矿产资源—关键材料—电池材料—电池装备—梯次回收—资源再生”纵向一体化；一横指的是在充换电基础设施、智能制造、电池银行等横向协同环节进行多元化拓展；为横纵向服务的是外围整个生态圈层，包括金融服务，产业园运营、资本创新等。

微观上，这六大方向直击当下亟需解决的企业痛点与用户痛点，如资源瓶颈、补能及安全焦虑等。

毕竟无论电池技术的路线怎么变，根本目的都是在可负担成本内，让电动汽车变得充电快、高安全、跑得远。

就行业的技术变革动态来看，这六大方向也是动力电池演化中的行业共识。

无钴化

全球66% 钴产量都出自政局不稳定的刚果（金），中国钴储量仅占全球储量的1%左右，钴资源的稀缺严重威胁动力电池供应链安全。

同时，钴在正极材料成本中占重要部分。以三元 523电池体系为例，钴的材料成本占比达20%，其价格波动会直接影响到电芯成本。

因此动力电池“去钴化”已成全球行业共识，三元体系高镍低钴更是技术热门。

但宽泛而言，只要是锂电池的正极材料中不含钴元素，都可以被叫做无钴电池。除了低钴化的三元电池，磷酸铁锂、磷酸锰铁锂等也包括在无钴体系内。

杨红新表示，未来锂电产品分布中，“大无钴系”电池市场占比将超过70%，可覆盖A00-BC级，300-700公里续航的乘用车，以及轻型动力车和商用储能。

不同于其他电池企业的“少钴”电池，蜂巢能源的层状无钴材料电池是真正的“0”钴电池，并且是是全球首家成功研发出无钴电池的企业。

相比同级别的高镍三元电池，蜂巢无钴电芯具有高安全性、高能量密度、高循环寿命和低成本的核心优势，循环寿命可达3000次以上，能轻松通过150℃的热箱测试和140% SOC的过充测试。

杨红新透露，蜂巢能源将于2023年推出第二代层状无钴电池，预计成本与磷酸铁锂接近，续航可达到800Km。

超快充

今年上半年，新能源汽车产销两旺，市场渗透率已达21.6%。为缓解电动出行“里程焦虑”和“补能焦虑”，布局超快充已是大势所趋。

基于800V高压平台的电池快充成为目前业内布局的重点。随着800V车型如极狐阿尔法S、阿维塔11、小鹏G9、长城机甲龙陆续上市，2022年成为800V车型量产元年。

但超快充落地的一大挑战在于充电基础设施严重不完善。目前可匹配超快充车型的充电桩/站数量远远达不到建立超快充生态的需求。

除了受前期高额投入成本制约外，超充站的建设严重依赖于电网的稳定性。适配于800V高压快充的超充站需要超大电容匹配，而电网进行电容改造的力度和速度，直接决定了普及率。

超充站在短期内造成的用电高峰，需要大量、高效的电缆通道以及其他配套设施支持。不可不谓艰巨的改造工程。今年8月西南地区的限电潮更是引发了对电网稳定性的忧虑。

因此，虽然业内已有电池厂商落地量产了更高倍率的快充电池，但从整车及充电设施经济性、公共电力稳定性出发，4C电池方能在里程焦虑与现实配备间实现较好的平衡性。

中短期来看，4C+800V是公共电网可承受范围内的最优方案，并且可避免不必要的热管理隐患。今年年底，蜂巢能源预计发布实现4C+800v快充能力的新电池技术。

电芯长薄化

如果说无钴化是电池材料创新加速的体现，那么长薄电芯就是电池结构创新领域的重要方向。

长薄电芯通过减薄电芯厚度、增大电芯长度，同时取消模组设计、使电芯直接阵列在电池包中充当结构件，从而提升空间利用率、提高电池安全性。

从规模化生产制造的角度出发，长薄电芯面临的最大问题是良率的控制和大规模制造的效率问题。而蜂巢能源研发的短刀电池在长短之间找到了一个相对平衡点，不仅在通用性、适配性方面表现优异，且在良率控制和大规模工业化量产方面优势明显。

2019年，蜂巢能源首次公布L600磷酸铁锂短刀电芯，目前已搭载于长城欧拉的一款车型。

与超过一米长度的比亚迪刀片电池相比，L600短刀电芯574mm的长度支持切换590标准模组，可广泛适配以大众MEB、长城A30及后续DE30等纯电车型，实现A0级以上车型500km以上续驶里程。

而相比传统的方型电池，L600短刀电芯具备刀片电池的几乎所有长处：体积能量密度高、可以作为结构件实施 CTP 方案，降低成本，易于散热，安全性好。

其两侧出极柱的电芯设计，可支持pack环节采用上下双水冷技术，实现2~4C快充性能，满足800V高压电气架构高端车型应用，同时与最新的CTC技术具有更好匹配性。

蜂巢能源还提出了“全域短刀化”，将短刀思路延伸至各品类。目前量产的L300-L600短刀电池，可覆盖1.6-4C充电范围；无钴、三元、磷酸铁锂全域化学体系；及乘用车、商用车、储能、工程机械全域使用场景。

叠片技术

传统方形电池一般选择卷绕工艺进行生产，但长薄化电芯利用卷绕工艺很容易出现褶皱、变形等问题。叠片工艺既提高了方形电池的内部利用率，又具备多项性能优势：

更高的电池能量密度：卷绕空间利用率比叠片低，叠片能够充分利用边角空间，故在相同体积情况下能量密度更高。

更稳定的内部结构：受卷绕拐角处内外层内应力不一致的影响，电池会发生波浪状变形，导致电流分布不均，加速内部结构不稳定。叠片工艺可保持电池界面平整。

更高安全性：卷绕下两端极片折弯处容易发生掉粉、毛刺问题，严重时造成电池内部短路，引起热失控。而叠片电池受力均匀，安全性更高。

更长的循环寿命：叠片电池的极耳数量是卷绕的 2 倍，极耳数量越多，电子传输距离越短，电阻越小，故叠片电池内阻能够降低 10%+，循环寿命更长。

在“匀浆、涂布、辊压、模切、叠片、装配”六大短刀电池生产环节中，叠片的生产效率及质量对电芯良品率至关重要。

但叠片工艺一直面临设备效率低、设备投资额较高、良率低、控制难度大等缺点，叠片机技术成为叠片工艺渗透率增长关键。

蜂巢能源一直引领高速叠片工艺。今年6月，其自主研发的0.125S/片短刀电池叠片3.0高速设备已经完成技术验收，并全面导入量产，实现单机产能0.9GWh。此种设备单次可叠八片，同时对每一片完成在线检测，消除质量隐患，发现缺陷后可对单片在线剔除。

蜂巢能源下一代搭配激光切割技术的0.06S/片超高速叠片设备也已开始立项研发。

预锂补锂

通过预锂化对电极材料进行补锂，可抵消SEI膜造成的不可逆锂损耗，提高电池的总容量和能量密度。 

由于预补锂工艺有望解决硅碳负极首次库伦效率较低的问题，故其常常出现在“掺硅补锂”的技术路线中。

整机厂中，特斯拉采用硅基负极的 4680 电池在技术层面采用了干电极+预锂化。比亚迪最早在2004年便开始布局补锂技术，累计申请补锂相关专利 20 余项，具有超强技术储备。

国轩高科、亿纬锂能以及远景动力等电池厂商也布局大量补锂相关专利，主要涉及负极预锂化技术路线。杉杉能源及珠海冠宇等则主要涉及正极预锂化技术路线。

正极材料厂商德方纳米目前处于产能建设阶段，预计部分补锂剂产能将于今年Q4或明年Q1量产。深圳研一专利覆盖正负极预锂化，已成功实现正极补锂剂镍酸锂、铁酸锂量产。

蜂巢能源在实验室里研发的正极补锂技术，已经在储能电芯上实现1万次循环，并计划挑战1.2万次循环，即实现与光伏系统同寿命。

随着硅基负极逐渐放量及高端动力/储能电池补锂需求，预锂化或将成为锂电池未来一大发展方向。

通过预锂补锂+短刀电芯结合，叠加新型的冷却与安全技术，蜂巢能源推出CTR技术方案。升级后的储能电芯在325Ah左右，全面超越市面上主流的280Ah储能产品。

可预见性

从材料创新到结构创新、制造创新，动力电池多技术路线明q暗战不断升级。然而，理论上再完美的技术，也无法100%保证电芯及电池包的安全。

这种现实情况下，可预见性变得非常重要。通过预警算法，加以监控+云端计算，提前识别电芯潜在风险并给予预警，同时可就残值评估及利用空间输出在线报告。

蜂巢能源推出的电池监测系统——蜂云平台可对车辆实时运行状态进行监测，电芯数据可用来开展后续的电池性能分析，截至2022年7月底已经接入监测车辆超过37万台，累计数据突破592亿条。

蜂云平台通过内短路预警、析锂预警、绝缘预警等算法模型，能精准识别风险电池，轻微内短路可提前两个月预警，严重内短路可在热失控前数小时预警，最大程度保障电动车应用安全。

除了以上六个关键技术以外，蜂巢能源还在磷酸铁锂压实密度、果冻电池（半固体电池）、钠电池等新方向上进行持续研发。

杨红新表示，蜂巢能源正在通过系统集成的方案，把快充、高能量密度、高安全性等所有关键技术集成到一起，结合蜂巢能源短刀电芯的创新性结构，在磷酸铁锂领域形成一个行业最高成组效率的方案。

作为创立仅4年的新势力企业，蜂巢能源在诸多方向上从0到1的技术创新令行业印象深刻。对此，杨红新曾解释，在技术壁垒、资金壁垒、供应链壁垒都极高的动力电池行业，后入局者沿用原有材料体系做电池，无法赢过原有巨头的规模效应。只有与头部企业进行错位竞争，进行技术与产品差异化创新，才能在市场站住脚跟。

从国家战略的角度而言，长期以来汽车工业的核心专利被掌握在欧美和日韩国家手中, 而基于电化学材料及结构体系的基础创新和产业化突破，利于中国企业和产业把握新能源行业的主动权，反哺全球能源转型。

编辑：黄飞