通过结构革新和材料迭代提升锂电池安全性

　　当前，锂电作为清洁能源的重要组成部分，在动力、储能、消费领域有着极为广泛的应用，已经成为我国推动能源变革、完成“双碳”目标的重要举措之一，但安全问题始终是制约锂电池产业发展的瓶颈。特别是近年来，锂电池燃烧和因电池故障导致的新能源汽车召回事件频繁发生，研究锂电池热失控机理和开发高安全性电池已成为当前电池领域亟须解决的关键问题。

　　随着锂电行业的成熟度不断提升，当前各大企业主要是从技术上提高电池的安全性，积极布局各项技术推动产业健康发展。

　　通过结构革新和材料迭代提升锂电池安全性

　　从锂电池近期发展来看，主要通过结构革新和现有材料体系的迭代升级来提升锂电池的安全性。

　　热失控是造成电池起火和爆炸的主要原因。目前，我国锂电企业主要是从电芯、模组、封装方式上进行结构的改进和精简，以降低电池热失控风险。

　　在结构革新方面，可以通过以下三个维度创新降低电池热失控风险。一是本征安全。即从单体电池的热失控机理着手，在材料层面提升各电芯材料的热稳定性，在工艺层面通过设计和制造的改进以保证电芯的可靠性。例如，OPPO研发的“夹心式安全电池”，用复合集流体代替传统集流体，不易断裂，以解决高镍三元的安全问题。二是被动安全。即在某一个单体电池热失控以后，通过隔热和散热的措施来抑制热蔓延。例如：广汽埃安研发的“弹匣电池”、岚图汽车发布的“琥珀”和“云母”电池等都重在深化隔热解决方案。三是主动安全。它的核心是电池管理系统(BMS)，通过大数据等技术对热失控进行提前预警。例如，蔚来发布的“100kWh电池”，在BMS中集成了一个热失控传感器，可以24小时实时监控热压力，从而提升电池安全性。

　　而在材料迭代升级方面，则是多种技术路线同步发展。在电池正极材料方面，磷酸铁锂和三元在我国占主流地位。由于磷酸铁锂材料来源丰富、安全性高、成本低、循环性能好等优势，近年来磷酸铁锂电池市场需求升温，出货量爆发式增长。据中国汽车动力电池产业创新联盟数据显示，2022年国内动力电池装车总量达到294.6GWh，同比增长90.7%。其中，磷酸铁锂电池累计装车量183.8GWh，占总装车量62.4%，累计同比增长130.2%;三元电池累计装车量110.4GWh，占总装车量37.5%，累计同比增长48.6%。从装机量上看，2018—2020年，国内磷酸铁锂电池的装车量均低于三元电池。2021年7月，磷酸铁锂电池的市场份额反超三元电池，此后便一直保持领先。此外，随着磷酸铁锂因其安全性和经济性日益受重视，被视为升级版磷酸锰铁锂再次受到热议，企业产业化布局也有所加速。

　　在电池形态方面，当下动力电池市场形成了方壳/刀片、软包、圆柱三种形态三分天下的局面，凭借高安全性、高能量密度及低成本优势，大圆柱电池正在成为最受瞩目的技术趋势之一。结合整车实际需求，目前很多电动汽车企业已经敲定了未来5～10年的动力电池方案，即经济型采用方壳或刀片磷酸铁锂电池，中高端采用三元+大圆柱电池的布局。

　　降低电解液含量向固态电池发展成竞争焦点

　　从锂电池中期发展来看，不断降低电解液含量向固态电池发展是技术发展的必然趋势，已成为全球电池行业下阶段竞争核心。

　　由于固态电池具有高安全性，无自燃、爆炸风险等优点，且能量密度显著高于传统锂电池，被公认为下一代电池技术路线的发展方向。目前，电池企业及整车企业都积极布局固态电池技术，但行业尚处于半固态向全固态发展的阶段，全固态电池的技术难题仍有待解决。

　　现阶段，我国在磷酸铁锂电池与三元锂电池领域的研发技术世界领先，以宁德时代和比亚迪为首的电池企业在汽车动力电池供应上处于绝对龙头地位，致使欧美日韩等企业扭转航向，直接投入到大力研发全固态电池的路线上，以期在车用动力电池领域实现“换道超车”。日本举全国之力开发全固态电池，包括制定了详细的国家战略、组建跨行业的产业联盟，加大研发投入等，其整体研发实力跃居全球首位。以丰田等龙头企业为主导，凭借本就领先的材料技术，正在快速推进全固态电池的商业化落地;美国依托SEEO、Solid Power、Solid Energy Systems等一大批初创公司确保其固态电池技术的先进性;韩国的三星 SDI、LG化学、SK创新等电池巨头则选择联合开发。相比之下，我国多家电池及相关企业也在攻关固态电池，但基本都是各自为政，没有组建“国家队”，且头部电池企业的技术尚不突出。

　　钠离子电池或成电池行业重要备选路线

　　全球锂资源储量有限，且分布不均、提取难度较高，而我国锂资源储量仅占全球6%，高度依赖进口。随着新能源汽车的发展对电池的需求大幅上升，锂电资源端的供给瓶颈逐渐显现。

　　从锂电池的远期发展来看，受锂资源短缺限制，资源储备丰富，具备高安全性和成本优势的钠离子电池或将成为电池行业的重要备选路线。钠离子电池具有其独特优势。一是高安全性。钠离子化学性能稳定性高，电阻稍高，受热受冷表现都比锂离子电池好，示范产品在国标测试中的热稳定性远超安全要求。二是成本优势。钠离子电池的正极材料成本仅为锂电池正极材料成本的40%，集流体成本仅为后者的20%～30%，材料整体成本较锂电池低30%～40%。三是设备兼容。钠离子电池的电解液及隔膜研发可借鉴锂电池的成熟技术，且两者的生产设备、工艺相兼容。

　　当前，全球钠离子电池仍处于产业化初期。在我国，宁德时代、中科海钠、钠创新能源、星空钠电等企业加快研发钠离子电池，在材料体系、综合性能、产业化推进、示范应用、专利布局以及标准制定等方面处于国际前列，特别是宁德时代研发的新一代钠离子电池，预计到2023年率先在全球实现钠离子电池的产业化与商业化应用。短期看，由于钠离子电池能量密度较低且提升空间有限，目前多运用于能量密度相对要求不高、成本敏感性较强的储能和低速动力领域。远期看，钠离子电池的定位是最具经济性的高安全储能电池，在储能和低速车市场可替代锂电池，而在中高端新能源汽车市场仍以锂电池为主。钠离子电池与锂电池将会形成部分替代、互补协同的格局。

　　重点从三方面切入提升锂电池安全性

　　高比能量电池是全球趋势，在提高动力锂电池能量密度的同时如何保证其安全性，需要准确把握“度”。重在优化平衡电池的能量密度、安全性和寿命等多项指标。

　　紧跟技术发展新动向，加强锂电池安全创新。近期内，通过优化多种技术来保障，引导企业开展固态电解质、阻燃电解液等关键材料技术研究，加快动力电池热失控安全、电池系统高压绝缘安全和碰撞安全、三元材料动力电池热稳定性、充电安全防护等安全技术攻关，实现电池系统不热扩散的目标。远期内，仍需不断加强前瞻性的科学研究以保障安全，比如着力强化固态电池、金属空气电池、钠离子电池等新一代电池的研发储备和产业化，以示范应用加速新型电池产品创新发展，率先形成规模生产能力。

　　发挥叠加优势，推动跨部门跨行业协同攻关。积极开展电池企业与整车企业的协同，在设计阶段、车辆匹配、热管理策略、异常状态的监测、测试与验证等方面开展深入合作;加强电池企业与消防行业的协同，围绕动力电池火灾案例分析、动力电池热失控早期火灾探测、长时效灭火剂、自动灭火装置等方面开展交流与联合研究。

　　搭建高层次的产学研用合作创新平台。充分发挥宁德时代、比亚迪、国轩高科等龙头企业在协同创新体系中的主体作用，联合国家重点实验室、国家动力电池创新中心等力量，开展关键共性技术和前瞻技术研究，完善成果分摊和利益共享机制，逐步构建稳固的锂电池研发基础。

　　作者：刘文婷　　来源：中国电子报、电子信息产业网