创新驱动新一代动力电池发展

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  摘要：在“双碳”目标驱动的交通电动化加速转型过程中，动力电池创新成为强化新能源汽车竞争水平、打造国家产业竞争力、稳固企业竞争优势的关键，无论是新能源汽车先发国还是追赶国，或是动力电池链条各企业主体，纷纷瞄准新技术并布局新一代动力电池。当前动力电池仍处于创新活跃期，电池技术的突破和发展也更与降本增效的需求贴近。本文围绕动力电池现有体系迭代升级以及新体系开发应用两个关键层面，选取未来5—10年内部分具有产业化应用前景、受关注较广的动力电池创新技术，对其发展必要性、研发及产业化进展、发展瓶颈等进行梳理，并提出相关建议。

  关键词：新能源汽车；技术创新；新一代动力电池；产业化应用

  中图分类号：F426 文献标识码：A

  DOI：10.13561/j.cnki.zggqgl.2023.11.003

  随着碳中和在全球范围内形成较为一致的远期目标，发展新能源汽车成为道路交通碳减排的重要举措。基于电化学储能的动力电池是新能源汽车的核心部件之一，也是新能源汽车得以快速发展的重要支撑。2023年上半年，全球新能源汽车销量达到616.1万辆，同比增长41.7%[1]，全球动力电池装机量达到304.3吉瓦时，同比增长50.1%[2]。未来随着新能源汽车市场持续繁荣，动力电池需求将进一步释放。据国际能源署（IEA）预测，在已宣布的承诺情景下，2030年全球动力电池总需求量将达到3500吉瓦时[3]。

  2015年至今，在全球动力电池市场中，中国、韩国、日本三国占据了90%以上的市场份额[4]，形成三足鼎立格局。虽然欧美国家在本轮动力电池竞赛中处于被动，但欧美汽车和化工工业体系完备发达，创新研发能力强，正在加紧追赶中。为了在新一轮动力电池竞争中取得或保持国际领先地位，当前各国均竞相制定动力电池发展战略。如美国计划到2030年实现固态电池和锂金属电池规模化量产；日本计划到2030年左右将全固态电池全面投入实际应用；韩国计划在2027年实现全固态电池商业化，在2028年实现锂金属电池商业化；欧盟和中国也计划到2030年实现全固态电池商业化应用。从全球主要国家或地区的发展规划看，2030年是关键节点，预计2030年前后全固态电池、锂金属电池等新一代电池都将逐步进入产业化应用阶段。当前，加大对新一代电池的研发投入、完善新技术产业链环节、并寻求适宜的应用场景以推动技术落地和迭代，是各国普遍采取的竞争策略。

  本文围绕材料体系创新、系统结构创新等关键层面，选取未来5—10年内部分具有产业化前景、受关注较广的创新技术，对其发展必要性、研发及产业化进展、发展瓶颈等进行梳理，并提出相关建议，以期为行业提供一些参考。

  一、新一代动力电池技术及产业化进展

  （一）新体系电池创新

  1.固态电池。固态电池采用固态电解质替代液态有机电解液，有望同时解决传统锂离子电池面临的安全性、能量密度等难题，是电动汽车和规模化储能的理想电源。与传统液态电池相比，固态电池具有如下优势：固态电解质不易燃、不挥发、无腐蚀，没有液体泄漏风险，安全性更高；稳定且宽的电化学窗口（5伏以上），可匹配高电压正极；全固态电池可采用内串的成组方式，获得更高的输出电压。因此，固态电池被广泛认为是下一代锂电池的重要发展方向。

  当前全球主要国家均在积极推动固态电池产业化进展。其中，欧美以QuantumScape、Solid Power等初创型企业为主，基础研究实力较强，部分车企通过投资初创企业布局固态电池领域。日韩企业多抱团合作，如LGES、三星SDI和SK On组成联盟，共同开发固态电池。我国起步较晚，但发展迅速，代表企业有宁德时代、孚能科技、卫蓝新能源、清陶能源等。此外，欧美日韩等地以全固态电池路线为主，目前尚处于研发和中试阶段，预计到2025年左右实现小批量量产，2027年后逐步实现规模化发展；我国率先发展混合固液电池路线，预计自2023年起将进入规模量产新阶段，同时加快推进全固态电池的研发布局。整体而言，全固态电池由于技术、工艺等问题，仍需5—10年左右时间才能实现商业化应用。

  2.钠离子电池。锂离子电池目前已广泛应用于各个领域，且是新能源汽车动力电池的首选，但随着对其需求不断增加，锂资源供应变得愈发紧张，叠加全球锂资源分布不均、易受地缘政治影响等因素，寻找锂离子电池的替代或备选储能技术，势在必行。在此背景下，与锂离子电池工作原理相似的钠离子电池逐渐受到研究者重视。钠离子电池资源优势突出，钠储量丰富、分布广泛，地壳丰度达2.64%，且钠离子电池兼具较好的安全性、低温和快充性能[5]。因此，发展钠离子电池具有重要的战略意义，可与锂电池形成互补，减少对外资源依赖，同时更好满足市场多元化需求。

  目前国内外已有超过30家企业对钠离子电池进行布局，包括英国Faradion公司、美国Natron Energy公司、日本三菱化学以及我国的宁德时代、中科海钠、钠创新能源等。现阶段我国钠离子电池研发应用进程走在世界前列，多家企业正在规划吉瓦时级别产能，如中科海钠2023年阜阳产线计划扩产至3—5吉瓦时，孚能科技已将赣州工厂部分三元电池产能改造为钠电产能，具备量产条件。同时钠离子电池上车加速，如2023年6月，江铃汽车与孚能科技共同合作的钠电池车型、奇瑞汽车与宁德时代共同合作的钠电池车型，分别在工业和信息化部第372批《道路机动车辆生产企业及产品公告》中公示。这标志着，钠离子电池已正式在中国市场应用于乘用车领域。

  （二）电池结构创新

  结构创新是新一代动力电池技术发展的重要补充。首先，通过电池系统结构创新，能够减少结构件用量、在一定程度上降低制造难度，从而促进电池系统成本下降，如特斯拉的CTC（Cell to Chassis，电芯到底盘）技术能够使每千瓦时电池成本降低7%，零跑汽车采用的MTC（Module to Chassis，模组到底盘）技术可使结构件成本降低15%[6]。其次，通过电池系统结构创新，能够提升电芯成组率、提高电池系统能量密度，从而增加整车续航里程，如搭载比亚迪CTB（Cell to Body，电芯到车身）磷酸铁锂体系电池的海豹车型，最高整车续航里程可达700公里[7]。

  在新能源汽车发展早期，动力电池系统是由电芯→模组→电池包三级构成，主要由于当时电池生产技术成熟度较低，应用模组能够弥补电芯一致性、稳定性较差等问题，提高系统安全性；但较多结构件的使用，使得电芯集成到电池包后的空间利用率仅为40%左右。随着领先车企纷纷推出纯电专用平台、整车降本需求开始明确，电池系统结构设计也随之向大模组、标准化方向发展。近年来，单体电池结构也在不断创新，如刀片电芯、大圆柱电芯等，其制造水平和一致性越来越好，在此趋势下，为进一步减少零部件数量、提升能量密度，电池系统结构开始向无模组化、高集成度方向发展，如比亚迪推出CTB刀片电池，其系统能量密度提升10%；宁德时代推出CTP（Cell to Pack，电芯到电池包）3.0麒麟电池，其系统能量密度达到255瓦时/千克[8]。未来随着新能源汽车渗透率逐步提高，电池包结构创新技术也将持续迭代。

  二、新一代动力电池产业化发展瓶颈

  （一）技术难题尚待解决

  部分新一代动力电池技术瓶颈尚未完全突破，影响大规模产业化应用。如对于硅基负极，由于硅基材料在锂化/去锂化过程中会产生体积膨胀，造成活性材料粉碎、硅基负极表面形成不稳定的SEI（Solid Electrolyte Interphase，固体电解质界面膜）、电子导电网络被破坏等问题产生，从而导致其大规模应用仍受限制。对于全固态电池，电极/电解质固固界面问题是目前全固态电池实用化过程中面临的最主要问题，包括界面阻抗大、界面稳定性不良、界面应力变化等，直接影响电池性能。对于钠离子电池，当前实际能量密度偏低（100—150瓦时/千克）和循环性能较差（约2000次）等问题也对其商业化应用场景的拓展造成一定影响。

  （二）新生产工艺成熟度不高导致产品良品率较低

  由于在新工艺量产早期，新设备稳定性、工艺流程控制等方面仍处在探索阶段，电池产品的良品率必然受到影响。若在短时间内良品率低的问题不能得到有效解决，将会导致采用新技术的电池产品无法在量产车上大范围应用。如大圆柱电池近年来尚未大规模应用的主要原因就是良品率提升进程较慢，通过特斯拉4680电芯良品率的发展历程可以看到，最初良品率仅有20%，2021年试验线良品率约为80%，2022年初佛里蒙特工厂产线的平均良品率达到92%，但与2170电芯95%+的良品率相比仍有一定差距；并且与特斯拉合作最早且时间最长的电池供应商松下近期宣布，将推迟4680商业化生产至2024年中旬左右。

  （三）新一代动力电池产品尚不具成本优势

  受核心技术路线未确定、供应链准备不充分、生产工艺不成熟、规模效应缺乏等因素影响，目前固态电池、钠离子电池等新体系电池的成本普遍高于传统锂离子电池。根据2023年上半年的企业调研数据，钠离子电芯实际成本约在0.7元/瓦时左右，有的甚至高于1元/瓦时；三元混合固液电芯比传统液态电芯高0.2—0.3元/瓦时，磷酸铁锂混合固液电芯比液态电芯高0.1元/瓦时；而全固态电池尚未进入产业化应用初期，其成本更高。

  （四）新一代动力电池标准体系亟需建立和完善

  由于材料体系变化大，钠离子电池、固态电池等新体系电池难以沿用传统锂离子电池的标准，为起到较好的行业引领作用并推动产业规模扩大，亟需制定统一的新体系电池行业或国家标准。但当前多数国家的相关标准仍处于建立初期，以我国为例，对于钠离子电池，虽然2022年7月首批钠离子电池行业标准《钠离子电池术语和词汇》和《钠离子电池符号和命名》的计划正式下达，但对于产品设计要求、试验方法、质量评定程序、贮存运输等环节标准仍处于空白；对于固态电池，目前虽然有部分团体标准发布，但国家标准仍在研究起草中，尚未落地，对混合固液电池和全固态电池分阶段产业化发展不利。

  （五）电池系统新结构设计尚未与全生命周期各场景应用协同

  当前阶段的电池系统结构创新，更多考虑的是如何提高车辆使用阶段的体验，相对较少考虑维修保养、回收报废等阶段的需求。如特斯拉CTC采用的一项设计是在电池包内部灌满胶，以达到防止热量向车内传导、实现结构连接、提高安全性等目的，但也造成了后续维修成本增高、回收拆解难度增大，不利于动力电池系统全生命周期价值的充分挖掘。

  三、稳固提升我国新一代电池产业竞争力的发展建议

  在下一阶段，为了稳固与提升我国新一代电池产业竞争力，应从顶层设计、资金支持、技术储备、标准建设、知识产权保护、上游资源保障以及人才培养等多个层面做出行动，以全力推动动力电池产业持续高质量发展。

  （一）科学编制国家级新一代动力电池产业发展规划

  明确在全球竞争新格局下我国动力电池产业发展目标，编制国家级新一代动力电池产业中长期发展规划。与此同时，注重顶层设计的完备性，从动力电池全产业链角度出发，梳理各个环节的关键技术与产业化需求清单，确定发展重点和优先级，形成全产业链的系统管理模式，为我国动力电池产业创新发展提供科学指导。

  （二）加大资金支持力度，设立动力电池产业发展基金

  成立动力电池产业发展专项基金，激活该领域创新活力。一方面，通过国家动力电池专项基金统筹支持核心技术研发，在核心材料、制造装备、推广应用、回收利用等全链条，进行基础研究、关键技术和应用示范项目部署。另一方面，发挥政府投资对社会资本的引导作用，鼓励利用社会资本设立相应的产业发展基金，加大对动力电池创新技术产业化的支持力度。重点支持在新一代动力电池领域拥有核心技术、人才、专利的优秀企业和团队，加快科技成果转化应用。

  （三）坚持创新驱动，做好新一代动力电池技术储备

  积极推进现有电池体系的技术迭代升级，加快磷酸锰铁锂正极、富锂锰基正极、锂负极、复合集流体等新材料和CTC、CTB等新结构的研发及产业化应用。积极开展新体系电池的研究创新，加快钠离子电池、固态电池、锂硫电池、金属空气电池等的研发及产业化应用。注重提升新一代动力电池基础研究、工程开发和产品开发的衔接，充分利用机器学习、大数据等手段，推动电池设计、测试和制造等过程的数字化和智能化。

  （四）强化动力电池行业知识产权保护意识

  坚持做好动力电池行业技术创新成果保护和知识产权风险防控，强化知识产权保护意识。鼓励企业、科研院所和高校等，除申请国内专利外，持续加大海外专利布局力度，提升国际市场竞争力。严厉打击相关侵权行为，完善证据保全制度，降低举证难度和维权成本，并提高审理效率，营造良好的市场发展环境。

  （五）建立健全动力电池标准体系

  强化动力电池全生命周期管理，加快动力电池规格尺寸、产品性能、智能制造和回收利用等标准的制修订工作，推动标准体系与产业需求对接协同、与技术发展相互支撑。支持行业组织和企业积极参与甚至主导国际标准和技术法规的制定，如推动建立适合中国国情的动力电池碳足迹标准体系，并与国际社会提前对接，以统一标准、实现互认。

  （六）统筹保障动力电池上游资源供应

  将锂、钴、镍等列为国家的战略储备资源，加大国内相关资源的勘查开发力度，在资源配置、财政收入、重大项目、矿业用地等方面加强引导和差别化管理，提高资源开发利用水平和安全供给能力。鼓励企业在全球布局锂、钴、镍等资源，加强对企业在海外稀缺资源收并购中的政策扶持力度，为企业创造良好的外部环境。加快动力电池回收利用体系建设，推动资源循环利用。

  （七）加速动力电池产业人才培养与引进

  加强动力电池相关专业的学科建设，紧密结合产业需求，培养复合应用型人才。鼓励企业、科研院所和高校建立联合培养机制，并在基础材料、系统集成等关键技术领域，加快培养和聚集一批技术领军人才和紧缺人才。支持各锂电产业发展集中区引进、培育锂电高层次人才和创新创业团队。实施海外人才引进政策，促进人才开展国际交流。

【责任编辑：孟瑾】