动力电池目前面临的问题以及发展趋势是什么？

在文章开始之前，让我问你一个问题：为什么我们要提高电池的能量密度？答案其实很简单：焦虑，确切地说是里程焦虑。我们希望通过提高能量密度来获得更高的巡航范围。在国家政策的支持下，中国动力电池取得了长足进步，关键性能指标得到改善，成本降低，电池分组和BMS（电池管理系统）技术也取得了一些进展。根据科技部部长万钢给出的数据，目前81%的纯电动乘用车产品续航里程超过300公里，系统能量密度超过140Wh/kg的产品已成为主流，单体能量密度发展更快，基本超过250Wh/kg，并且一些已经达到300Wh/kg的预定目标。然而，在这样的成就背后仍然存在许多问题：目前锂电池技术存在哪些问题？未来动力电池的发展趋势是什么？高比能材料的研究进展如何？电池安全“锂电池有潜力成为动力电池的主流技术，但瓶颈是高比能动力电池的安全性”。在今年的百人会上，中国科学院院士欧阳明在大一开始就开门见山。

此前，国家补贴门槛提高，三元锂逐渐取代磷酸亚铁锂成为主流，电池能量密度和车辆续航里程大幅提高，但这一增长背后存在着热失控的危险。首先，简单理解一下什么是热失控（主要是高温热失控）：动力电池在工作时会产生热量，在正常情况下是可控的。然而，当电池温度过高或充电电压过高时，电池内部的化学反应会接二连三地发生，从而产生连锁反应，从而导致电池内部压力和温度急剧上升，进而导致电池热失控、爆炸或燃烧。热失控的原因有很多，主要有两个方面：内部原因和外部原因。内部因素：材料和制造工艺会对电池的性能产生影响，从而导致电池状态（SOC等）的差异、电池使用时间过长、锂沉淀、隔膜熔化等现象导致内部短路，从而导致热失控；外部原因有很多，如过度充电、过度放电、车辆可靠性老化、充电不规律、密封性差和碰撞。

（图片来自@42 Garage）为了让电池稳定工作，需要从内部控制原材料和制造工艺的质量，以保持生产的一致性；

但即便如此，也无法完全保证，这需要BMS（电池管理系统）从外部控制电池组的温度，以使电池发挥最佳效率。如今，为了追求高能量密度和长电池寿命，电池中隔板的厚度减小，这对电池安全造成了一定的安全隐患，并且容易造成热失控。此外，国家补贴政策的快速调整与动力电池系统的开发周期不协调，导致产品没有得到充分验证，从而存在安全隐患。如何在保证电池安全的同时提高电池的能量密度，是目前需要解决的问题。未来，电池的发展方向应着眼于当下，从业者应着眼长远。“一个行业共识是，传统液体介质锂电池的能量密度无法大幅提高，三元锂电池将在未来3-5年内达到技术瓶颈”。这是天空汽车董事长兼首席执行官张海亮在百人会上的观点。在这种情况下，什么样的电池将成为研究的主流？固态电池？

事实上，固态电池并不是一项完全的技术创新。它只是用可以传导锂离子的固体电解质取代了现有锂电池中的隔膜或电解质。结构略有不同，但工作原理几乎相同。相对而言，固态电池比传统的锂电池更安全，并且具有更高的能量密度。根据高欧阳明给出的前景，电池正极的发展方向是将钴还原为无钴，负极会添加硅，硅的含量会逐渐增加，甚至是全硅。为了减少有机溶剂并逐渐提高锂盐的浓度，未来可能有必要开发全固体电解质，但目前仍有许多技术瓶颈需要克服，大规模商业化预计在2025-2030年（稍后）。管理电池（MFB）是最终解决方案吗？你不能两全其美。电池材料的活性高、性能好、衰减快、稳定性差等反应活性与稳定性之间存在内在矛盾。“我们制造电池的科学家和工程师基本上每天都在玩妥协的游戏。宾夕法尼亚州立大学教授王朝阳说。

（图片来自@42 Garage）在他看来，由于现有材料无法满足我们对反应性和稳定性的要求，我们应该建立一个新的电池系统：第一步是钝化材料，增加电池内阻，确保电池的安全，并通过热刺激快速调节电化学功率特性，使电池输出高功率；

在第二步中，在原来的电池结构中添加一块镍片（只有5微米厚），将正极和负极连接起来，形成一个回路，可以快速加热电池。速度有多快？每秒2-5度，从25度到60度，只需要7秒。王朝阳说，这种电池的热管理非常简单。在未来，不需要主动的热管理，自然对流就足够了。事实上，这并不是最新的技术。早在两年前，王朝阳就在《自然》杂志上发表了这篇文章。就在去年，搭载这项技术的汽车已经进行了一项实验，并将在不久的将来进行第二次实验。高容量富锂正极材料？如果高能量密度动力电池要达到300Wh/kg，正极容量将达到200mAh/g，如果能量密度达到400Wh/kg，则正极材料将超过250mAh/g，并且如果考虑密度，则可能达到270mAh/g以上。。商用正极材料如锰酸锂、磷酸亚铁锂、钴酸锂等，其比能很难满足400Wh/kg锂离子动力电池的能量密度要求。计算表明，利用富锂氧化物阴极材料和高比容量硅阴极构建比能为400Wh/kg的锂离子电池是一条可行的技术路线。这是北京大学教授夏定国的观点。

去年11月，夏定国团队制备了一种O2配置的锰基富锂动力电池正极材料，比放电容量超过400mAh/g（比能量密度超过1380Wh/kg）。在研发初期，研究人员发现这种材料存在充放电效率低、倍率性能差、循环稳定性差、充放电过程中电压持续衰减等问题。后期，夏定国团队通过表面改性和电子结构调整对电池进行了优化，提高了材料的稳定性。然而，该材料本身仍存在电压滞后等问题，需要进一步研究和实验。换句话说，这种材料从实验室到现实还有很长的路要走。综上所述，目前动力电池的主要问题是，随着能量密度的增加，热失控的概率呈上升趋势。从整个发展规划来看，动力电池的发展路线将是这样的：正极中的钴还原为无钴，负极中的硅添加，电解液中的有机溶剂还原，并逐渐向全固态方向发展。在补贴逐步退出，国家逐步取消对续航里程和能量密度的详细要求后，技术的决策权将回归企业，市场将选择产品。

在文章开始之前，让我问你一个问题：为什么我们要提高电池的能量密度？答案其实很简单：焦虑，确切地说是里程焦虑。我们希望通过提高能量密度来获得更高的巡航范围。在国家政策的支持下，中国动力电池取得了长足进步，关键性能指标得到改善，成本降低，电池分组和BMS（电池管理系统）技术也取得了一些进展。根据科技部部长万钢给出的数据，目前81%的纯电动乘用车产品续航里程超过300公里，系统能量密度超过140Wh/kg的产品已成为主流，单体能量密度发展更快，基本超过250Wh/kg，并且一些已经达到300Wh/kg的预定目标。然而，在这样的成就背后仍然存在许多问题：目前锂电池技术存在哪些问题？未来动力电池的发展趋势是什么？高比能材料的研究进展如何？电池安全“锂电池有潜力成为动力电池的主流技术，但瓶颈是高比能动力电池的安全性”。在今年的百人会上，中国科学院院士欧阳明在大一开始就开门见山。

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此前，国家补贴门槛提高，三元锂逐渐取代磷酸亚铁锂成为主流，电池能量密度和车辆续航里程大幅提高，但这一增长背后存在着热失控的危险。首先，简单理解一下什么是热失控（主要是高温热失控）：动力电池在工作时会产生热量，在正常情况下是可控的。然而，当电池温度过高或充电电压过高时，电池内部的化学反应会接二连三地发生，从而产生连锁反应，从而导致电池内部压力和温度急剧上升，进而导致电池热失控、爆炸或燃烧。热失控的原因有很多，主要有两个方面：内部原因和外部原因。内部因素：材料和制造工艺会对电池的性能产生影响，从而导致电池状态（SOC等）的差异、电池使用时间过长、锂沉淀、隔膜熔化等现象导致内部短路，从而导致热失控；外部原因有很多，如过度充电、过度放电、车辆可靠性老化、充电不规律、密封性差和碰撞。

（图片来自@42 Garage）为了让电池稳定工作，需要从内部控制原材料和制造工艺的质量，以保持生产的一致性；

但即便如此，也无法完全保证，这需要BMS（电池管理系统）从外部控制电池组的温度，以使电池发挥最佳效率。如今，为了追求高能量密度和长电池寿命，电池中隔板的厚度减小，这对电池安全造成了一定的安全隐患，并且容易造成热失控。此外，国家补贴政策的快速调整与动力电池系统的开发周期不协调，导致产品没有得到充分验证，从而存在安全隐患。如何在保证电池安全的同时提高电池的能量密度，是目前需要解决的问题。未来，电池的发展方向应着眼于当下，从业者应着眼长远。“一个行业共识是，传统液体介质锂电池的能量密度无法大幅提高，三元锂电池将在未来3-5年内达到技术瓶颈”。这是天空汽车董事长兼首席执行官张海亮在百人会上的观点。在这种情况下，什么样的电池将成为研究的主流？固态电池？

事实上，固态电池并不是一项完全的技术创新。它只是用可以传导锂离子的固体电解质取代了现有锂电池中的隔膜或电解质。结构略有不同，但工作原理几乎相同。相对而言，固态电池比传统的锂电池更安全，并且具有更高的能量密度。根据高欧阳明给出的前景，电池正极的发展方向是将钴还原为无钴，负极会添加硅，硅的含量会逐渐增加，甚至是全硅。为了减少有机溶剂并逐渐提高锂盐的浓度，未来可能有必要开发全固体电解质，但目前仍有许多技术瓶颈需要克服，大规模商业化预计在2025-2030年（稍后）。管理电池（MFB）是最终解决方案吗？你不能两全其美。电池材料的活性高、性能好、衰减快、稳定性差等反应活性与稳定性之间存在内在矛盾。“我们制造电池的科学家和工程师基本上每天都在玩妥协的游戏。宾夕法尼亚州立大学教授王朝阳说。

（图片来自@42 Garage）在他看来，由于现有材料无法满足我们对反应性和稳定性的要求，我们应该建立一个新的电池系统：第一步是钝化材料，增加电池内阻，确保电池的安全，并通过热刺激快速调节电化学功率特性，使电池输出高功率；

在第二步中，在原来的电池结构中添加一块镍片（只有5微米厚），将正极和负极连接起来，形成一个回路，可以快速加热电池。速度有多快？每秒2-5度，从25度到60度，只需要7秒。王朝阳说，这种电池的热管理非常简单。在未来，不需要主动的热管理，自然对流就足够了。事实上，这并不是最新的技术。早在两年前，王朝阳就在《自然》杂志上发表了这篇文章。就在去年，搭载这项技术的汽车已经进行了一项实验，并将在不久的将来进行第二次实验。高容量富锂正极材料？如果高能量密度动力电池要达到300Wh/kg，正极容量将达到200mAh/g，如果能量密度达到400Wh/kg，则正极材料将超过250mAh/g，并且如果考虑密度，则可能达到270mAh/g以上。。商用正极材料如锰酸锂、磷酸亚铁锂、钴酸锂等，其比能很难满足400Wh/kg锂离子动力电池的能量密度要求。计算表明，利用富锂氧化物阴极材料和高比容量硅阴极构建比能为400Wh/kg的锂离子电池是一条可行的技术路线。这是北京大学教授夏定国的观点。

去年11月，夏定国团队制备了一种O2配置的锰基富锂动力电池正极材料，比放电容量超过400mAh/g（比能量密度超过1380Wh/kg）。在研发初期，研究人员发现这种材料存在充放电效率低、倍率性能差、循环稳定性差、充放电过程中电压持续衰减等问题。后期，夏定国团队通过表面改性和电子结构调整对电池进行了优化，提高了材料的稳定性。然而，该材料本身仍存在电压滞后等问题，需要进一步研究和实验。换句话说，这种材料从实验室到现实还有很长的路要走。综上所述，目前动力电池的主要问题是，随着能量密度的增加，热失控的概率呈上升趋势。从整个发展规划来看，动力电池的发展路线将是这样的：正极中的钴还原为无钴，负极中的硅添加，电解液中的有机溶剂还原，并逐渐向全固态方向发展。在补贴逐步退出，国家逐步取消对续航里程和能量密度的详细要求后，技术的决策权将回归企业，市场将选择产品。

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