一文读懂汽车动力电池

姜堰吴彦祖

动力电池作为电动汽车的三大件（电池、电机、电控）之一，是整个车辆系统的动力来源，一直以来被视为电动汽车发展的标志性技术，其性能好坏直接关系到车辆续航里程的长短，重要性不言而喻。今天小七带大家拨开迷雾，初探动力电池的基本原理及行业发展态势。
一、电池的分类

按照不同的能量来源方式，电池可以分为化学电池、物理电池及生物电池三大类。


目前汽车行业运用的电池基本都是化学电池，因此本文不对物理电池及生物电池做过多阐述。
化学电池根据特性的不同，又可以分为一次电池、二次电池及燃料电池。其中，一次电池也称为原电池，即使用后不能再行充电的电池（例如生活中使用的锌锰干电池）；二次电池也被称作为蓄电池，即一次放电后可以再行充电使用的电池，我们生活中的充电宝/手机以及汽车用电池都是属于这种类型；燃料电池指正负极本身不含活性物质，活性材料为外部不断补充的电池，目前的氢燃料电池就是属于这一种。
抛开尚未成气候的燃料电池，目前的汽车动力电池基本都是二次电池，根据介质的不同，二次电池主要包含铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锂金属电池等。
二、汽车电池的选择

关于汽车电池的选择，我们首先来看看蓄电池。作为汽车的启动电源，绝大部分汽车蓄电池都是铅酸电池，其正极为二氧化铅（PbO2），负极为纯铅，电解质为硫酸水溶液。对于蓄电池为什么会选择铅酸，而不是用逐渐成主流的锂电池替代？原因有很多，包括技术成本、安全程度及电池寿命，但最主要的还是铅酸电池的低温性能，相比于锂电池，铅酸电池的低温性能更佳，在低温下锂离子电池的放电性能是处于衰减性递减的，零下10度就会迅速没电，对应的是铅酸电池零下50度都能正常发动汽车。
说完蓄电池，就不得不拉回正题，谈谈动力电池，目前市面上电动汽车基本上都采用的是锂离子电池（以下简称锂电池），可能会有很多朋友会问，为什么动力电池偏偏用的是锂电池呢？
回答这个问题前，我们先来看看一个概念——能量密度。能量密度（Energy density）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小，电池的能量密度有两种，体积能量密度（能量与体积的比值）及质量能量密度（能量与重量的比值）。


从上图我们可以看出，锂离子电池无论在体积能量密度还是质量能量密度上都具有很大的优势，且相对于锂金属电池更加安全。这也是锂电池得以脱颖而出的一个重要原因。此外，相对于其他二次电池，锂电池还具有更优的寿命及环保表现。


三、锂电池的简介

3.1锂电池工作原理

锂离子电池一般是使用锂合金金属氧化物为正极材料、石墨为负极材料、使用非水电解质的一种二次电池。
锂电池充电时，锂离子从正极脱嵌，向负极移动，嵌入负极；锂离子放电时，锂离子从负极脱嵌，向正极移动，嵌入正极。

3.2锂电池的分类

锂电池按正极材料的不同，可以分为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂及三元材料。


几种锂电池相比较而言，在安全性、成本及性能表现等方面各有优劣。
磷酸铁锂（简称LFP），安全性能好，循环寿命长，原材料资源丰富，但其能量密度低，低温性能差。
锰酸锂，资源丰富，成本相对较低，但其高温循环性能及电化学稳定性差。
钴酸锂，是最早实现商业化的锂电池正极材料，但其缺点是比容量太低、安全性差，成本也较高。
三元材料，分为镍钴锰（NCM，以蔚来为代表）和镍钴铝（NCA，以特斯拉为代表）两种，其中钴是三元锂必不可少的材料，因为钴本身是有毒性的，因此“少钴化”也是目前三元电池领域研究的一个课题。
从成本、安全、性能等综合因素考量，目前市面上的动力电池主要以磷酸铁锂及三元锂电池为主。
四、动力电池的构造

电动汽车的动力电池实际上是一个统称，包含电芯、模组以及电池包三个层级。
电芯（Cell），可以充放电的锂离子电池基本单位，包含了正负极、隔膜及电解液，是电池氧化还原反应的进行空间。根据电芯封装形式不同，可以分为圆柱电芯、方形电芯及软包电芯。


模组（Module），为了保护电芯免于受到外部热、振动等冲击，将一定数量的电芯连接在一起，放在一个框架中组成电池的组件。
电池包（Pack），是装入电动汽车中电池的最终形态，在模组的基础上装配电池管理系统（BMS）、电池冷却系统、线束、支架等零部件。
简而言之，三者的关系为，多个电芯组成模组，多个模组组成电池包，然后再总成装配至电动汽车上。
谈到这里，小七不得不额外扩展几个你经常可能被刷屏的几个冷知识！

4.1什么是18650电芯？

18650是锂电池（电芯）的一种型号，是由日本SONY公司当年定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。


18650电池具有成熟的配套产业链，成本低廉，是一种理想的锂离子电池，在消费电子领域得到了广泛的应用。但18650电池容量较小，在动力电池领域应用时，往往需要上万只单体电池组合成为电池组，导致电池组的管理难度大幅上升。
2017年，特斯拉率先在Model 3上搭载21700电池（其中“21”指电池直径为21mm，“70”指高度为70mm，“0”代表圆柱体型的电池），掀起了一场21700替换18650电池的风暴。
相对于18650电池，21700电池的电量密度是目前世界上能量密度最高且成本最低的电池，售价也更平易近人，可以说，开启了一个圆柱电池提升容量的新阶段。

4.2什么是刀片电池？

刀片电池是比亚迪于2020年3月29日发布的电池产品，可以称为超级磷酸铁锂电池。之所以称为刀片电池，是因为它的排布方式像是刀片一样插入电池包内。这款刀片电池相比较三元锂电池来说，更加耐低温，并且它的电芯具有更大的散热面积，同时它能够匹配到较高的能量密度。


“刀片电池”通过结构创新，在成组时可以跳过“模组”，大幅提高了体积利用率，最终达成在同样的空间内装入更多电芯的设计目标。相较传统电池包，“刀片电池”的体积利用率提升了50%以上，也就是说续航里程可提升50%以上，达到了高能量密度三元锂电池的同等水平，并且比三元锂有了更优的安全及寿命表现。
五、动力电池的主要参数

5.1电池能量

电池能量即电池储存的能量，能量（W·h，瓦时）=电压（V）*电池容量（A·h，安时），例如：标识为3.6V/10A·h的电池，其能量为36W·h。如果把这样的四节电池串联，就组成了一个电压为14.4V，容量为10A·h的电池组；相对而言，如果把这样的四节电池并联，就组成了一个电压为3.6V，容量为40A·h的电池组，虽然形式不同但总能量都达到了144 W·h。

5.2能量密度

能量密度是动力电池比较常用的一个参数，关于概念前面已经提到这里就不做赘述，需要注意的是如果是单位体积，即体积能量密度（能量与体积的比值），有时直接称之为能量密度，单位为W·h/L；如果是单位质量，即质量能量密度（能量与重量的比值），有时也称作比能量，单位为W·h/kg。

5.3电池寿命

电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。
1）循环寿命，指的是电池可以循环充放电的次数，即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。
2）日历寿命，指的是电池在实际使用条件下，经过特定的使用工况，达到终止寿命条件（一般为容量衰减到80%）的时间跨度。
值得注意的是，容量衰减虽是电池老化的表象，也是一个重要评判标准。80%是一个经验值参考，也没有明确说低于80%容量就必须换电池，现在电动汽车电池质保大多效仿燃油车以时间或里程为质保期（几年或几十万公里）。

5.4电池的一致性

一致性是动力电池中的表现形式之一，同一规格型号的单体电池组成电池组后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别，锂电池的一致性是指这些参数的趋同性，是一个相对概念。同一个电池包内的多串电芯，每一个参数，最好全部处在一个较小的范围内，是为一致性好。根据使用中动力电池组不一致性扩大的原因和对动力电池组性能的影响方式，可以把动力电池的一致性分为容量一致性、内阻一致性和电压一致性。
六、动力电池行业现状及发展趋势

动力电池拥有一个庞大的产业链，上游主要是材料端，包含了正极所用到的镍、钴、锰、锂等矿产，也包含了石墨、电解液、隔膜等材料。我国的锂资源比较丰富，但钴资源却很匮乏，钴集中分布在刚果和澳大利亚。隔膜是技术壁垒较高的多孔材料，目前主要掌握在日韩企业手中。动力电池的中游，主要是电芯、模组及电池包的制备及封装。下游主要是应用领域。


今天小七主要带大家看看锂电池材料使用现状及装车企业情况。
（备注：动力电池装车量，指动力电池(单体电芯)的实际安装到车辆的数量，单位为GWh，1GWh=1000MWh=1000000KWh）

1）磷酸铁锂电池或迎第二春

2020年1-11月，三元锂电池共计装车32871.3MWh，磷酸铁锂电池装机17495.5MWh，可以看出动力电池领域虽然仍是以三元为主、磷酸铁锂为辅的态势，但从增长率上看，磷酸铁锂电池在持续走高，占比率已经超过30%。而随着补贴退坡、新国标5min扩散要求、能量密度边际改善，加之在工艺方面的技术革新（CTP和刀片电池），至2021年磷酸铁锂的装车量有望达到35-40%。

2）宁德时代稳居第一位

2020年1-11月，我国新能源汽车市场共计69家动力电池企业实现装车配套，较去年同期减少3家，排名前3家、前5家、前10家动力电池企业动力电池装车量分别为36.5GWh、41.7GWh和46.8GWh，占总装车量比分别为72.1%、82.2%和92.3%。其中宁德时代仍呈一家独大态势，装车辆占比49.3%。  


鉴于动力电池在电动汽车产业发展的重要性，我国在近年制定了动力电池的技术发展路线图，以能量密度、成本、寿命为主要指标，涵盖了BEV纯电及PHEV插电混合，覆盖了正负极材料、隔膜及电解液等。




<hr/>（更新于2022年8月28日）
小七在前文给大家介绍了什么是刀片电池，而随着新能源的不断发展，各整车企业也都开始意识到电池的重要性，纷纷将目光抛向了电池技术。继比亚迪刀片电池之后，又陆续诞生了一些新形式电池，例如广汽埃安的弹匣电池，岚图汽车的琥珀/云母电池，长城汽车的大禹电池，上汽集团的魔方电池。今天小七就带大家来认识下：

1、广汽埃安的弹匣电池

为什么叫弹匣电池，主要还是因为在结构上它采用了弹匣安全舱的设计，其电池模组看上去就像一个个弹匣安置在电池包之中，它将每个电池包里的单独电芯都独立在安全舱之内，这样就可以有效地阻隔热失控电芯的蔓延。


除了结构上的设计优化，广汽埃安的弹匣电池还涵盖了四项核心技术，包括超高耐热稳定的电芯、超强隔热的电池安全舱、极速降温三维冷却系统以及全时管控的第五代电池管理系统。


弹匣电池是有别于刀片电池的，刀片电池实质上是磷酸铁锂电池，相较于传统电池只是内部结构有所不同，其通过去掉电池模组，采用创新包封装技术，在安全的前提下实现电池能量密度的增加，主要针对的还是磷酸铁锂电池。而弹匣电池并非特指某一种动力电池种类，它是一种电池系统安全技术，官方给出的解释为，这是一个专门提升动力电池安全性的系统性技术。

2、岚图汽车的琥珀/云母电池

岚图汽车的琥珀/云母电池并不是指的电池形态，它的命名与电池采用的隔热材料有关，之所以较琥珀和云母，并非采用了琥珀和云母两大材料，而是这两款电池中所采用的隔热材料颜色和形态酷似琥珀和云母。
琥珀和云母电池的主要区别是三维隔热墙的材料及结构不同，琥珀电池的三维隔热墙技术，是在电池包内填充特殊有机硅复合材料，这种材料的特点是结合有机硅聚合物+低密度隔热材料+阻燃剂（1000℃以上），形成高效的隔热阻燃绝缘层，每个电芯单元像“琥珀”一样处于充分包裹中，也是将其命名为“琥珀”的原因。“云母” 电池系统三维隔热墙技术，是在电池包内加入层状Al-Si云母和气凝胶，且电芯和云母、气凝胶会像云母石一样层叠堆积，“云母”命名源于此。


根据官方信息显示，琥珀电池系统主要运用于纯电车型，而云母电池系统则会搭载于增程式车型上。

3、长城的大禹电池

长城汽车的大禹电池，并没有根据电池形态或者隔热材料的形态命名，而是通过一种全新的“变堵为疏”的设计理念，取名为“大禹”。众所周知，大禹之前，治理洪水的解决方案是修建大坝和堤堰，把洪水拦在外面，其弊端是堤坝有被冲破的风险，而大禹治水的核心主张是“变围堵为疏通”，开通更多河道，把洪水全部引入大海。


大禹电池，简单来说就是万一发生热失控，将气流、火流按照设计通道安全疏导出电池包外，通过疏导的方式排出热量，进行“定向泄洪”。其核心技术就是通过“控”和“导”提升动力电池安全性，“控”方面实现电芯热阻隔、模组级阻隔、绝热材料对比。“导”方面采用灭火盒阻火设计和PACK定向排爆，通过定向排爆流场、温度场、阻火盒、传导传热四个方面实现排爆、降温、导热等。


大禹电池并非是材料的创新，它也不是一个电池包，而是系统性的集成技术，该技术可有效解决不同化学体系电芯发生热失控之后的起火、爆炸问题。 相比其他电池技术，大禹电池的适配性极强，可以兼容不同正极材料配比，如NCM811三元锂电池、三元锂电池体系的NCA（镍钴铝）电芯及无钴电芯等，以及不同技术线路的磷酸铁锂电池，都可以装载到大禹电池上。

4、上汽魔方电池

为什么叫魔方电池？根据上汽官方的解释，是因为这套电池系统就像“魔方”一样，可以根据不同车型的车身尺寸、内部空间，以及不同的电芯化学配方，进行更自由的排列组合。


尺寸方面，魔方电池采用标准电池包，长宽统一，分别为1300mm、1690mm；高度有三种，分别为110mm、125mm和137mm。不同厚度的好处是，在保持统一的投影面积下，能够根据车型的定位，容纳不同的电芯，做成容量不同的电池包。例如主打续航的可以用137mm厚度，主打运动的可以用110mm，底盘“更薄”，从而带来更优秀的空间表现。
化学体系，魔方电池的电芯可以兼容不同化学体系，包括低能量密度的磷酸铁锂、钠离子、M3P等，中能量密度的三元电池5系、6系和高镍三元等，以及高能量密度的硅碳负极、半固态等都在应用范围之内。
除了尺寸及化学体系的灵活优势外，上汽的魔方电池还有一个特点就是能够躺平。目前，在市面上大多数品牌的电池都采用了铝壳方形电芯，而它们大部分都采用传统的立式布局，但魔方电池相比它们而言，则采用了全新的躺式布局。简单来说，就是将电芯横着平铺在电池包里。这种躺式布局的好处就是可以带来更好的集成化优势，这也是魔方能够自由排列组合的一个重要原因。由于采用了躺式电芯结构布局电池绝大部分空间都可以用来容纳有效的电化学材料 ，因此相比竞品而言 上 汽魔方电池在各个容量电池包的体积效率转换和重量效率转换都更为出色。

上汽魔方电池躺式布局
https://www.zhihu.com/video/1549353400738979841

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用户明雪爱轩沅

写的很棒！

风入弦

写的巨好！

地狱亡魂

电池容量这个概念挺特别的是Ah或者mAh。我理解是考虑到在同等电压下的电池对比相对方便而提出的？

相思南国

请问 文章后面的图片 来自哪个期刊呀？

镇南明星

刀片比三元更加耐低温？

十八易

已关注，写的很好，茅塞顿开