《新能源汽車動力電池技術(shù)年度跟蹤報告（2021年）》是電動汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟2021年共性技術(shù)課題研究成果，由聯(lián)盟動力電池專業(yè)委員會研究編制，是國內(nèi)外車用動力電池技術(shù)進展及發(fā)展趨勢的年度性跟蹤報告。報告主體框架包括年度產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜述、年度重點技術(shù)進展、年度熱點案例解析和年度專利分析。

01年度產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜述

2021年全球動力電池累計裝機量為296.8GWh（數(shù)據(jù)來源：韓國市場研究機構(gòu)SNE Research）。2021國內(nèi)新能源汽車銷量約352.1萬輛，同比增長157.5%，市場占有率提升至13.4%，說明了新能源汽車市場已經(jīng)從政策驅(qū)動轉(zhuǎn)向市場拉動。我國動力電池累計產(chǎn)量為219.7GWh，同比增長163.4%；我國動力電池累計銷量達186.0GWh，同比增長182.3%；我國動力電池累計裝機量154.5GWh，同比增長142.8%（如圖1所示）。我國動力電池裝機量約占全球的52%。

圖1 2021年國內(nèi)動力電池裝機量（數(shù)據(jù)來源：中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟）

2021年國內(nèi)電池企業(yè)裝機量及市場份額如圖2所示。2021年全年，我國新能源汽車市場共計58家動力電池企業(yè)實現(xiàn)裝車配套，較去年同期減少13家，排名前3家、前5家、前10家動力電池企業(yè)動力電池裝機量分別為114.6GWh、128.9GWh和142.5GWh，占總裝機量比分別為74.2%、83.4%和92.3%。寧德時代以52%的國內(nèi)市場占有率位居第一；比亞迪16%的占有率居于第二；分別排第三、第四、第五的是中創(chuàng)新航、國軒高科和LG新能源。

圖2 2021年國內(nèi)電池企業(yè)裝機量及市場份額（數(shù)據(jù)來源：中國汽車動力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟）02

年度重點技術(shù)剖析

2.1 動力電池關(guān)鍵材料技術(shù)

磷酸錳鐵鋰材料方面，理論容量與磷酸鐵鋰相同，為170mAh/g，但是它相對于Li+/Li的電極電勢為4.1V，遠高于磷酸鐵鋰的3.4V，且位于有機電解液體系的穩(wěn)定電化學窗口，4.1V的高電位使得磷酸錳鐵鋰具有潛在的高能量密度。LMFP單獨使用，材料做成極片壓實密度可到2.3-2.5g/cm3，0.2C放電比容量可到140mAh/g以上，0.2C放電中值電壓可到3.75V，材料相對于磷酸鐵鋰具有較高的能量密度，相對于三元材料具有較優(yōu)的安全性能。

三元材料方面，在過去一年中，實現(xiàn)了第一代高鎳NCM產(chǎn)品（Ni83）和第二代高鎳NCM產(chǎn)品（Ni90）的大規(guī)模量產(chǎn)，目前在國內(nèi)率先實現(xiàn)了Ni92~96的超高鎳三元材料的技術(shù)突破，幫助多家電芯客戶實現(xiàn)300~350Wh/kg以上高能量密度電芯項目的開發(fā)。圖3是高鎳材料一到三代的演變過程。

圖3 高鎳材料一到三代演變過程

富鋰材料方面，基于離子交換設計了硫化的富鋰材料（S-LLOs），具有307.8mAh/g的高放電容量，200次循環(huán)后的容量保持率高達91.5%，同時具有良好的電壓保持率，倍率性能和熱穩(wěn)定性。通過在富鋰材料表面沉積La，在塊體材料表面外延生長緊密結(jié)合的鈣鈦礦LaMnO3涂層，這種設計結(jié)構(gòu)可以有效地抑制陰離子氧化還原活性，減緩不可逆和有害相在循環(huán)過程中轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定晶格結(jié)構(gòu)，提高材料的整體導電性，能給出291.7mAh/g的可逆比容量。通過在富鋰材料中雙重摻雜Na+和F，增加Li+/Ni2+混排和Li2MnO3相含量，制備的材料在0.2C下比容量達296mAh/g。

鎳錳兩元層狀材料方面，已完成大規(guī)模量產(chǎn)。圖4對比不同Ni含量的無鈷正極材料的容量、循環(huán)、熱穩(wěn)定性。從理化性能各項指標看，材料性能均達到行業(yè)領(lǐng)先水平。電池經(jīng)測試，其性能如下：0.1C放電比容量194mAh/g，電壓比三元高，倍率性能和三元正極材料相當，循環(huán)性能優(yōu)異（97%），DSC溫度高（230℃）。

圖4 不同Ni含量無鈷正極材料容量、循環(huán)和熱穩(wěn)定性

隔膜方面，行業(yè)已開發(fā)了基于超高分子量PE材料的高強度薄型基膜，目前能穩(wěn)定量產(chǎn)4μm和5μm的基膜。同時開發(fā)了耐高溫（150℃及以上）超薄無機涂層隔膜和有機樹脂涂層隔膜。

電解質(zhì)方面，在氧化物固體電解質(zhì)領(lǐng)域形成了NASICON型LATP材料和Garnet型LLZO（鋰鑭鋯氧）材料兩大產(chǎn)品體系，在2021年進行新型固體電解質(zhì)材料基礎研究、LATP及LLZO性能提升和批量工程技術(shù)開發(fā)，鞏固與加強公司的核心技術(shù)，儲備具有前瞻性的新產(chǎn)品和新技術(shù)，推進固體電解質(zhì)材料的產(chǎn)業(yè)化。在硫化物固體電解質(zhì)領(lǐng)域，在經(jīng)歷了實驗室克級-百克級發(fā)展之后，實現(xiàn)了公斤級制備的硫化物固態(tài)電解質(zhì)，所得材料無雜相，顆粒尺寸在3μm左右，離子電導率穩(wěn)定在5.88mS/cm，電子電導率4.75×10-10S/cm，完全滿足硫化物全固態(tài)電池的應用。在鹵素固體電解質(zhì)領(lǐng)域，不僅鹵化物電解質(zhì)材料如Li3InCl6，其它代表性的無機電解質(zhì)包括Li6PS5Cl、LLZTO都被成功地制成了大片的自支撐（8*6cm2），其厚度可低至15-20微米，基于高面容量電極（NMC811，3mAh/cm2）和LLZTO膜開發(fā)的實用型固態(tài)軟包電池能量密度高達280Wh/kg，循環(huán)250次后容量保持率高達94.4%。在聚合物及復合固態(tài)電解質(zhì)領(lǐng)域，在復合電解質(zhì)制備的基礎上，開發(fā)了卷對卷制備復合電解質(zhì)的新技術(shù)，可實現(xiàn)低張力的、厚度小于20μm、幅寬大于500mm的復合固態(tài)電解質(zhì)涂層卷對卷連續(xù)生產(chǎn)，年產(chǎn)能可達1000萬平米，在固態(tài)電解質(zhì)膜產(chǎn)業(yè)化方面，開發(fā)了基于原位聚合的界面精準調(diào)控技術(shù)和卷對卷式制備技術(shù)，可實現(xiàn)基于氧化物固體電解質(zhì)的柔性固態(tài)電解質(zhì)復合膜的連續(xù)制備。

電解液功能添加劑方面，現(xiàn)今常見的功能添加劑包括碳酸亞乙烯酯（VC）、硫酸乙烯酯（DTD）、二氟磷酸鋰（LiPO2F2）及氟代碳酸乙烯酯（FEC）等，但同時兼顧低阻抗及高溫和安全性能的添加劑較少，且部分添加劑的專利封鎖難以突破。總體上，開發(fā)突破專利壁壘、低阻抗兼顧高溫、高安全性能的添加劑，滿足對應電解液閃點至40℃以上，點燃時間>10s，電池在-40℃-80℃穩(wěn)定工作，電化學窗口>5.0V（vs.Li/Li+）的應用場景是未來功能添加劑的關(guān)鍵技術(shù)方向。

圖5 電解液關(guān)鍵技術(shù)

預鋰化技術(shù)方面，可分為負極預鋰化和正極預鋰化兩種技術(shù)路線。目前國內(nèi)頭部電芯企業(yè)圍繞金屬鋰負極預鋰化工藝和設備均有大量研發(fā)和專利布局。已有頭部企業(yè)發(fā)布應用“摻硅補鋰”技術(shù)的高端動力電池產(chǎn)品。正極預鋰化是通過在鋰離子電池正極中添加補鋰材料，電池充電過程中補鋰材料不可逆分解釋放活性鋰達到電池預鋰化效果。正極預鋰化技術(shù)的核心是正極加鋰材料，目前研究開發(fā)的有二元含鋰化合物、三元含鋰化合物和有機含鋰化合物。目前相對成熟的正極預鋰化材料包括鎳酸鋰Li2NiO2補鋰材料，其理論充電容量512mAh/g，實際充電容量~400mAh/g，放電比容量~100mAh/g，有效加鋰容量~300mAh/g。

2.2 動力電池單體技術(shù)

高比能固液混合電池方面，混合固液電池有望兼容液態(tài)鋰電池的部分材料、大部份設備和工藝，綜合平衡安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、高低溫性等性能，率先實現(xiàn)商業(yè)化，逐步提升液態(tài)鋰電池的性能。涉及的主要核心技術(shù)包括復合金屬鋰技術(shù)、原位固態(tài)化技術(shù)、固態(tài)電解質(zhì)和離子導電膜技術(shù)。綜合以上技術(shù)的混合固液軟包鋰離子電池，很好地結(jié)合了液態(tài)和固態(tài)的優(yōu)勢，兼顧高能量密度、高功率、高安全特性，重量能量密度達360Wh/kg，體積能量密度達770Wh/L，常溫1C充放電循環(huán)600次容量保持率達到80%，安全性較傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池能到很大改善。

鎳錳兩元層狀材料電池方面，通過陽離子摻雜提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，改善安全性和循環(huán)壽命；開發(fā)單晶化的正極材料，提升材料的機械強度，提升材料的循環(huán)壽命；對材料進行納米表面包覆，減少與電解液的副反應，提升材料安全性和改善循環(huán)壽命等，在電芯層面，采用高速疊片技術(shù)降低內(nèi)阻，開發(fā)高安全電解液等技術(shù)方案來改善電芯的安全性。韓國SDI、特斯拉、寧德時代、蜂巢能源等企業(yè)均致力于NMx無鈷電池的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作。

尖晶石鎳錳酸鋰方面，目前材料可逆比容量達到135mAh/g（比能量634.5Wh/kg），高電壓鎳錳酸鋰動力電池具有高能量密度、寬工作溫度范圍、高安全性、最低鋰當量等優(yōu)點。

2.3 動力電池系統(tǒng)集成技術(shù)

動力電池SOX動態(tài)高精度估算方面，提出了基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡的電池SOC估計方法，實現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池全SOC區(qū)間下SOC準確修正，最大誤差小于2.03%。

圖6 電池SOC估計方法示意圖

該團隊創(chuàng)新性地從電池正負電極的角度建立了更全面的電池SOH評價體系，其中包括正負極容量和初始SOC等電極老化參數(shù)，并基于此重構(gòu)出完整的電池OCV曲線，實現(xiàn)了對不同電池單體、全壽命周期下充放電特性的準確描述。

圖7 電池健康因子提取與OCV重構(gòu)方法示意圖

全氣候電池技術(shù)方面，研發(fā)了一款安全、可靠且高效的全氣候鋰離子動力電池及系統(tǒng)，并在內(nèi)蒙古海拉爾牙克石試驗場進行了面向冬奧環(huán)境實車測試。其中，根據(jù)電池的類型、性能與外形，設計了加熱片的阻值和形狀，結(jié)合絕緣技術(shù)開發(fā)出了溫升速率為7℃/min的60Ah軟包電池。

動力電池系統(tǒng)車云智能管理技術(shù)方面，內(nèi)短路和析鋰是導致熱失控的主要路徑，并且可以通過云端檢測進行相關(guān)熱失控的預警。當前行業(yè)重點放在內(nèi)短路檢測引發(fā)的熱失控上面，在線的析鋰檢測還缺乏有效手段。內(nèi)短路是否導致熱失控需要更多的判斷因素，并依托于云端構(gòu)建的復雜模型進行更為精準的預測。

圖8 基于電化學機理和機器學習的熱失控判定

2.4 新體系電池技術(shù)

目前，鈉離子電池受到研究者廣泛關(guān)注的正極材料主要包括層狀氧化物、隧道型氧化物、普魯士藍類化合物和聚陰離子型化合物，其晶體結(jié)構(gòu)示意圖與特點見下表1。

表1 鈉離子電池正極材料結(jié)構(gòu)與特點

2.5 動力電池制造技術(shù)

高速疊片制造技術(shù)方面，疊片工藝具備接觸界面均勻、內(nèi)阻低、能量密度高、高倍率特性好、極片膨脹變形均勻等綜合特點，已經(jīng)成為未來電池結(jié)構(gòu)的重要趨勢。疊片工藝的電池邊角處空間利用率更高，能量密度可提高5%以上；全生命周期更低變形和膨脹，循環(huán)壽命提升10%以上。邊緣結(jié)構(gòu)更簡單，結(jié)構(gòu)適應性更好，電池安全性更高。目前國內(nèi)外主要采用疊片制造工藝的公司有LG新能源、比亞迪、中創(chuàng)新航、SK on、孚能等，以寧德時代、松下為代表的電池企業(yè)主要采用卷繞制造工藝技術(shù)，也在進行相關(guān)的疊片制造技術(shù)布局。

全極耳大圓柱制造技術(shù)方面，將電芯極片與集流盤通過激光技術(shù)進行連接，使極片與蓋板之間過電流能力不低于極片本身。其工藝特性：極片揉平形成密實體，改善焊接特性；電芯極片與集流盤的焊接可“定制化”設計導電面積與電流分布；全極耳有軟/硬多種連接方式。

圖9 全極耳電池的產(chǎn)品特點與優(yōu)勢

2.6 動力電池測試評價技術(shù)

電池系統(tǒng)熱擴散測試評估技術(shù)方面，為了進一步提升熱失控的觸發(fā)概率、同時減少引入能量，行業(yè)內(nèi)進行積極探索的熱失控觸發(fā)方法，包括自加熱、電池內(nèi)部加熱等。其中自加熱是指被觸發(fā)電池本體為加熱片供電，進而消除外部能量的影響。電池內(nèi)部加熱是指將電加熱片置于電池內(nèi)部的極片或卷繞之間，進而減少熱量傳遞時間，同樣起到減少外部熱量引入，達到提高熱失控觸發(fā)概率的目的。

全生命周期安全性評估技術(shù)方面，一方面是采用本征熱穩(wěn)定性測試，基于特征溫度、反應時長、質(zhì)量損失、能量釋放率等方面量化評價動力電池安全水平的演化規(guī)律。另外一種測評方法則是模擬電池的實際失效場景，例如擠壓、泡水、外部短路以及自發(fā)的內(nèi)部短路等。

基于數(shù)據(jù)的電池系統(tǒng)安全性預警技術(shù)方面，行業(yè)內(nèi)加強了對小概率高危場景下的算法監(jiān)控，防止在車輛保有量變大后這類事件引發(fā)嚴重的安全事故。行業(yè)主要開展了基于運行數(shù)據(jù)的預警技術(shù)、基于圖像檢測的預警技術(shù)和對極端天氣場景下的異常監(jiān)控技術(shù)的研究，并應用于實際，為用戶做好全天候安全監(jiān)控工作。

2.7 動力電池回收利用技術(shù)

梯次利用技術(shù)方面，行業(yè)內(nèi)部分企業(yè)通過在梯次利用方面的技術(shù)的不斷投入研發(fā)實現(xiàn)了退役動力電池在線數(shù)據(jù)評估和梯次模型評估技術(shù)。退役動力電池在線評估可以大大降低電池后期梯次利用篩選成本，通過對退役動力的在線評估可以將退役動力電池按照其性能分別應用到合適的梯次利用場景。動力電池在線評估主要通過現(xiàn)有大數(shù)據(jù)進行性能評估，其中包括電池的剩余容量評估、一致性評估以及真實續(xù)航情況等評估。并且參考車輛歷史的使用情況，進行輔助判斷電池的損耗情況。從電池基本信息、性能情況以及使用信息三個維度來進行評估，確認退役動力電池性能及參數(shù)狀況。

圖10 動力電池性能評估

再生利用技術(shù)方面，目前退役動力電池的工業(yè)回收工藝通常采用火法回收或濕法回收技術(shù)分離所含金屬，而基于濕法回收的基礎上進行技術(shù)創(chuàng)新和升級，開發(fā)出高效、低碳、綠色的定向循環(huán)技術(shù)，形成新型獨特的“電池-廢電池-電池材料-電池”再生利用路線，在整個過程中鎳、鈷、錳金屬綜合回收率可達99.3%，高于濕法回收98%的金屬回收率，以及比火法回收具有更優(yōu)經(jīng)濟和環(huán)境效益，如圖11所示。

圖11 退役動力電池再生利用技術(shù)

03

年度熱點案例解析

3.1 新型鋰金屬電池

2021年11月8日，安徽盟維新能源科技有限公司與合肥經(jīng)開區(qū)正式簽約啟動鋰金屬電池研發(fā)制造基地項目，盟維科技鋰金屬電池實現(xiàn)從技術(shù)突破到產(chǎn)品交付的轉(zhuǎn)化，進入規(guī)?；慨a(chǎn)階段。鋰是自然界最輕質(zhì)的金屬元素，鋰金屬電池是當前電池行業(yè)創(chuàng)新突破性技術(shù)的重要發(fā)展方向。盟維科技針對電動航空實際應用需求開發(fā)metaRY®系列鋰金屬電池，采用純金屬鋰帶作為負極替代目前鋰離子電池普遍使用的石墨材料，正極采用高鎳三元材料，容量范圍10~50Ah，質(zhì)量能量密度350~550Wh/kg，最大放電倍率10C，循環(huán)壽命突破400圈（80%容量保持率）。

圖12 盟維科技鋰金屬電池

3.2 低溫極速加熱技術(shù)

北京理工大學孫逢春院士團隊發(fā)明了一種內(nèi)阻-外膜雙源動力電池自加熱新構(gòu)型，利用電池間歇性大電流自放電激發(fā)電極反應快速產(chǎn)熱，進一步提出了考慮溫升速率、容量衰減和耗電量的加熱調(diào)控策略，實現(xiàn)從零下40℃加熱至0℃以上可調(diào)加熱速率5℃/min~26℃/min，攻克了動力電池低溫環(huán)境適應性差的難題。

清華大學歐陽明高院士團隊提出了一種基于車載電機且與現(xiàn)有電路兼容的加熱方法，并可以實現(xiàn)對電池快速加熱的驅(qū)動電路，其原理如圖13所示。電池分為兩個模組，分別與逆變器相連接，利用電機來實現(xiàn)電池模組之間的電能傳輸。在任何頻率之下，可以顯著提高電池加熱的脈沖電流，使電池溫升速率達到8.6℃/min。

圖13 基于車載電機的電池包低溫加熱技術(shù)

3.3 混合固液電池

在混合固液電池領(lǐng)域，行業(yè)內(nèi)存在浙江鋒鋰、衛(wèi)藍新能源、蘇州清陶、臺灣輝能等多個企業(yè)，均實現(xiàn)了一定程度的技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化。2022年1月22日，首批搭載贛鋒鋰業(yè)固態(tài)電池的50輛東風E70新能源汽車正式完成交付，固態(tài)電池的商業(yè)化路徑愈發(fā)明晰。贛鋒鋰業(yè)在固態(tài)電池領(lǐng)域經(jīng)過多年的研究開發(fā)，研制出的第一代混合固液電解質(zhì)電池產(chǎn)品已通過多項第三方安全測試和多家客戶送樣測試，能量密度達235Wh/kg～280Wh/kg；第二代固態(tài)電池產(chǎn)品（基于高鎳三元正極、含金屬鋰負極材料），目前能量密度超過350Wh/kg，循環(huán)壽命接近400次。

圖14 交付的東風E70汽車

3.4 鈉離子電池

寧德時代開發(fā)的第一代鈉離子電池具備高能量密度、高倍率充電、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、良好的低溫性能與高集成效率等優(yōu)勢。寧德時代多年來深耕鈉離子化學體系材料的研發(fā)：在正極材料方面，采用了克容量較高的普魯士白材料，創(chuàng)新性地對材料體相結(jié)構(gòu)進行電荷重排，解決了普魯士白在循環(huán)過程中容量快速衰減這一核心難題；在負極材料方面，寧德時代開發(fā)了具有獨特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料，其具有克容量高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)的特性。

圖15 鈉離子電池核心指標雷達圖

3.5 云車智慧管理技術(shù)

華為三電云服務于2020年正式對外發(fā)布，旨在結(jié)合華為電池領(lǐng)域和ICT領(lǐng)域的核心技術(shù)，解決新能源汽車的電池安全與壽命管理問題。三電云服務基于車輛VHR（Vehicle History Record）海量云端大數(shù)據(jù)，在云端基于電池的溫度、電壓、內(nèi)阻等數(shù)據(jù)結(jié)合大數(shù)據(jù)人工智能進行分析，對電池異常、電池自燃等進行提前預測、預警，實現(xiàn)動力電池主動安全。基于華為VHR數(shù)據(jù)服務底座，華為三電云服務構(gòu)建了動力電池熱失控預警、電池故障檢測、電池健康度SOH評估、電池剩余壽命RUL預測等應用，為新能源汽車保駕護航。

圖16 華為三電云服務