安富强等：纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展 .23· KEY WORDS electric vehicle:lithium ion batteries;nickel-manganese-cobalt;silicon-based material;battery design;manufac- ture technology 纯电动汽车的发展历程可以追溯到1834年美 子电池已经是目前动力电池技术的主流解决方案， 国Thomas Davenport制造的世界上第一辆不可充电 并得到科学领域的广泛研究和产业链的协调发展. 千电池推动的三轮车和l881年法国Gustave Trouve 同时，纯电动车不断提高的技术要求，对锂离子动力 制造的可充电铅酸电池为动力的三轮车，早于传统 电池的发展也是一种挑战，图2展示了未来电动车 燃油内燃机车开始快速发展.电动车历经近两百年 对动力电池的关键技术要求指标.为了电池技术的 的发展，其作为驱动源的化学电源一直在不断发展， 持续发展，其正负极原材料、设计和工艺从实验室研 电池技术从最开始的铅酸电池，镍镉电池发展到镍 究到实现产业化的转换速度仍需要进一步提高. 氢电池，但由于这些电池一直没有达到纯电动车动 220 ☑☑质量能量密度/ 3000 力方面的技术需求，再加上化石燃料的开采和内燃 200 (W.hkg) 机技术的提高，动力电池在应用上处于明显的劣势， 180 ☒体积能量密度/ 2500 160 (W.h.L) 2000 于是电动车经历了辉煌和低谷，逐步淡出了市场. 世140 o功率密度(W·kg) 直到上世纪末，随着锂离子电池的诞生及其在数码 120A 1500 器100 0 1000 产品领域的广泛应用：人们对化石燃料的燃烧污染 500 和资源枯竭的忧虑感增强，综合促动了电动车开始 以锂离子电池作为动力源的方向发展，又开始新一 轮的蓬勃发展，并受到市场关注和政策的不断支持. HE HP HE HP HE HP HE HP 铅酸 镍镉 镍氢 锂离子 近些年来，物联网、无人驾驶等技术飞速发展，电动 电池类型 车作为零排放低噪音的汽车，正是这些高新技术的 图1 不同类型电池的比功率/比能量曲线图) 最佳载体，吸引各个国家各大车企竞相发展.动力 Fig.1 Ragone plot of different battery chemistries for electric vehi- 类锂离子电池于此同时脱胎于数码类电池，开始了 cles 快速的技术更新和产品迭代，能量密度、寿命等关键 能量密度Wh·kg 性能指标不断提高，逐步可以满足纯电动车市场的 400 体积能量密度/ 技术需求.本文将从产学研结合的角度，结合动力 功率/W 1600 800 (W-h·L 电池的正负极原材料，研发设计和生产工艺来分析 (10s50%荷电状态 600 一当前 14 25℃) 2 400 --2022年 动力电池行业最新动态和科学研究的前沿成果，并 00209 --2025年 针对市场需求与政策导向来阐述动力电池的发展方 100 100200 300400 低温功率/W120000600300 充电电流/A 向和技术路线的实现途径 13% (10s.50%荷电状态 25001009 -25℃ 1动力电池产业化的发展现状 2000 33% 电动车的商品化和实用化长期受制于核心部件 安全性3 1500 成本% 动力电池的发展，如图1所示，传统电池如铅酸电 1000 寿命/次 池，镍镉电池，镍氢电池均不足以满足高比能量，高 图2电动车用动力电池技术指标发展目标 比功率，循环寿命长且价格低的要求（图中HE是 Fig.2 Development goal of power battery technical indicators high energ罗缩写，表示高能量密度电池；HP是high power缩写，表示高功率电池).20世纪末锂离子电 1.1动力电池行业的发展现状 池的迅速发展，引起世界各国对发展电动车的极大 动力电池企业是动力电池行业发展的实体，也 兴趣.锂离子电池的科学研究和产业化不断深入， 是一个国家动力电池产业化程度的缩影.在产业化 其作为核心技术指标的质量能量密度每年以至少 方面，当前已经形成了中日韩“三足鼎立”的格局， 8%以上的速度增长，目前商品化的锂离子动力电池 典型企业有日本的松下，韩国的三星与LG,中国的 的能量密度已经能够做到250W·h·kg-1以上，配套 宁德时代(CATL)和比亚迪(BYD).这些企业能够 的纯电动车的续航里程已经能够达到300km以上， 进行产研结合，大规模生产的自动化程度很高，其产 基本满足日常出行的需求.在纯电动车领域，锂离 品特点是高一致性和稳定性，较低的成本控制能力.安富强等: 纯电动车用锂离子电池发展现状与研究进展 KEY WORDS electric vehicle; lithium ion batteries; nickel鄄鄄 manganese鄄鄄 cobalt; silicon鄄based material; battery design; manufac鄄 ture technology 纯电动汽车的发展历程可以追溯到 1834 年美 国 Thomas Davenport 制造的世界上第一辆不可充电 干电池推动的三轮车和 1881 年法国 Gustave Trouve 制造的可充电铅酸电池为动力的三轮车,早于传统 燃油内燃机车开始快速发展. 电动车历经近两百年 的发展,其作为驱动源的化学电源一直在不断发展, 电池技术从最开始的铅酸电池,镍镉电池发展到镍 氢电池,但由于这些电池一直没有达到纯电动车动 力方面的技术需求,再加上化石燃料的开采和内燃 机技术的提高,动力电池在应用上处于明显的劣势, 于是电动车经历了辉煌和低谷,逐步淡出了市场. 直到上世纪末,随着锂离子电池的诞生及其在数码 产品领域的广泛应用;人们对化石燃料的燃烧污染 和资源枯竭的忧虑感增强,综合促动了电动车开始 以锂离子电池作为动力源的方向发展,又开始新一 轮的蓬勃发展,并受到市场关注和政策的不断支持. 近些年来,物联网、无人驾驶等技术飞速发展,电动 车作为零排放低噪音的汽车,正是这些高新技术的 最佳载体,吸引各个国家各大车企竞相发展. 动力 类锂离子电池于此同时脱胎于数码类电池,开始了 快速的技术更新和产品迭代,能量密度、寿命等关键 性能指标不断提高,逐步可以满足纯电动车市场的 技术需求. 本文将从产学研结合的角度,结合动力 电池的正负极原材料,研发设计和生产工艺来分析 动力电池行业最新动态和科学研究的前沿成果,并 针对市场需求与政策导向来阐述动力电池的发展方 向和技术路线的实现途径. 1 动力电池产业化的发展现状 电动车的商品化和实用化长期受制于核心部件 动力电池的发展,如图 1 所示,传统电池如铅酸电 池,镍镉电池,镍氢电池均不足以满足高比能量,高 比功率,循环寿命长且价格低的要求(图中 HE 是 high energy 缩写,表示高能量密度电池;HP 是 high power 缩写,表示高功率电池). 20 世纪末锂离子电 池的迅速发展,引起世界各国对发展电动车的极大 兴趣. 锂离子电池的科学研究和产业化不断深入, 其作为核心技术指标的质量能量密度每年以至少 8% 以上的速度增长,目前商品化的锂离子动力电池 的能量密度已经能够做到 250 W·h·kg - 1以上,配套 的纯电动车的续航里程已经能够达到 300 km 以上, 基本满足日常出行的需求. 在纯电动车领域,锂离 子电池已经是目前动力电池技术的主流解决方案, 并得到科学领域的广泛研究和产业链的协调发展. 同时,纯电动车不断提高的技术要求,对锂离子动力 电池的发展也是一种挑战,图 2 展示了未来电动车 对动力电池的关键技术要求指标. 为了电池技术的 持续发展,其正负极原材料、设计和工艺从实验室研 究到实现产业化的转换速度仍需要进一步提高. 图 1 不同类型电池的比功率/ 比能量曲线图[1] Fig. 1 Ragone plot of different battery chemistries for electric vehi鄄 cles 图 2 电动车用动力电池技术指标发展目标 Fig. 2 Development goal of power battery technical indicators 1郾 1 动力电池行业的发展现状 动力电池企业是动力电池行业发展的实体,也 是一个国家动力电池产业化程度的缩影. 在产业化 方面,当前已经形成了中日韩“三足鼎立冶 的格局, 典型企业有日本的松下,韩国的三星与 LG,中国的 宁德时代(CATL)和比亚迪(BYD). 这些企业能够 进行产研结合,大规模生产的自动化程度很高,其产 品特点是高一致性和稳定性,较低的成本控制能力. ·23·