4680、刀片電池、CTP、One-Stop bettery、彈匣電池系統、大禹電池系統

自從上世紀90年代，索尼正式將鋰離子電池商業化以來，鋰離子電池技術的原理和基本構型沒有出現革命性的進展，但是相關新材料不斷湧現，關鍵裝備和生產技術飛速發展，電芯和電池系統設計也不斷創新改進，電池單體能量密度從最開始的80Wh/kg到目前近300Wh/kg，電池成本也逐年下降，這也說明鋰離子電池技術取得了顯著進展。近幾年，隨著新能源汽車動力電池的快速發展，新電池技術層出不窮，本文彙總整理近2年出現的一些新技術。

1、特斯拉：4680大圓柱電池

2020年9月的電池日上，特斯拉釋出4680無極耳大圓柱電池技術。4680電池外殼直徑為46 mm，高度為80 mm，相位元斯拉此前採用的2170電池，4680電池體積更大，據官方資料，4680電池的能量密度將提升5倍、輸出功率提升6倍，每千瓦時的成本會降低14%，搭載該電池的車型續航里程可提高16%。其主要創新點為：

（1）電池尺寸最佳化

綜合考慮電池能量密度、散熱特性和電池成組效能，最佳化電池的外殼直徑為46 mm，高度為80 mm，根據自己的經驗估算，21700和4680電池主要引數對比如表1所示：

表1 21700和4680電池主要引數對比

此表為經驗資料，僅供參考

（2）無極耳設計

特斯拉4680電池採用無極耳設計結構，具體的電池設計說明如下：電池卷繞時，極片和隔膜的佈置方式如圖1所示，卷芯兩側分別漏出正、負極集流體，直接透過集流體與電池正負極連線。從極耳角度提高了電池功率特性，在大倍率下電流密度分佈均勻。正極極片在塗敷正極材料時一側邊緣不塗布的側面和負極極片塗覆負極材料時留白的一側面都作為極耳分別焊接在電池正、負極上，正、負極極片之間透過隔膜隔離開，這樣電流在集流體流經的距離短，可以實現高功率密度，極片發熱量也小。

圖1 無極耳電池設計

電池極耳設計和極片塗布、卷繞加工過程如圖2所示，正負極極片製造時，採用連續塗布工藝，在極片兩側留出不塗布的留白區域。

圖2 無極耳電池電極生產和卷繞工藝

4680電池在能量密度和功率輸出方面具有一定優勢，但由於卷芯中電極更長，可能會加劇內部電流和溫度分佈的不均勻性。圓柱直徑增加時，由於電池的表面積/體積比降低，可能會導致有效熱管理出現問題。為解決這些問題，特斯拉提出了一種“無極耳”集流方式，透過使用集流體箔本身（箔邊緣）來實現電流收集，電池內部的電流分佈更加均勻。文獻報道，透過模擬研究發現採用傳統極耳設計的電池以大約1C的倍率放電時，由於沿集流體長度方向的高歐姆損耗，會導致區域性電流密度分佈非常寬。隨著溫度的升高，電池電壓也存在一定的溫度依賴性，集流體中的高歐姆損耗會產生大量熱量。若電池沒有主動冷卻時，在環境熱損失最小情況下會導致溫度升高80℃。而採用無極耳設計時，電流密度分佈相對均勻，沿集流體長度方向的歐姆損耗減少，從而使得電池執行過程中溫度僅比環境溫度高20℃，比傳統極耳設計低60℃。當採用傳統的極耳設計時，集流體的歐姆損耗導致的熱量損失是無極耳設計時的5倍。

（3）幹法電極技術

特斯拉的幹法電極技術包括三個步驟：（i）乾粉末混合，（ii）從粉末到薄塗層成型，（iii）薄塗層與集流體壓合到，這三個步驟都沒有溶劑。幹法電極工藝具有可擴充套件性，能夠適應當前的鋰離子電池化學體系以及先進的新型電池電極材料。大量商用負極材料（如矽基材料和鈦酸鋰（LTO））以及正極材料（如層狀三元NMC、NCA、LFP、硫），證明了乾電極工藝的穩定性和普適性。採用Maxwell專有的幹法工藝進行粉末混合，形成由活性材料、粘合劑和導電新增劑組成的最終粉末混合物，如圖3a所示。將該粉末混合物擠出壓延以形成連續的自支撐幹塗層電極膜，電極膜還能夠卷繞成卷狀（圖3b）。調整薄塗層電極膜的加工條件，可以控制材料負載量和塗層厚度，製備出多種幹塗層電極結構。最後，薄電極層與集流體壓合在一起，形成電池極片（圖3c）。

圖3 （a）粉末混合物，（b）成卷的薄電極層，（c）薄塗層與集流體壓合的電極

以NMC111為正極，石墨為負極，由於工藝不同，採用了不同的粘結劑，在等濃度下製備了兩種型別的電極。0。1C的恆定電流將電池充電至100%SOC，然後在以不同能夠倍率放電。在低倍率恆流放電條件下，兩種塗層電極的電池放電容量均為105mAh，在0。1C放電時均能保持100%的容量。不同放電倍率測試結果表明，幹塗層電極比溼塗層電極輸出更大的功率，如圖4所示。

圖4 幹法與溼法電極工藝電池效能對比

（4）CTC 技術（Cell to Chassis，電芯直接整合到車輛底盤上）

4680 電芯以 CTC 的方式直接鋪設到了底盤之中，進一步減少電池包的零部件數量和重量，從而增加車輛的續航。馬斯克表示採用了CTC技術後，可以節省370個零部件，為車身減重10%，可以將每千瓦時的電池成本降低7%。

圖5 4680電芯直接鋪設到底盤上

2、比亞迪：刀片電池

刀片電池直接將電池部件拉長像刀片一樣整合在電池包的邊框上，省去模組和大部分結構件，由電芯直接成包，而且更薄的厚度也進一步降低了穿刺過程中的熱量累積，提升了電池包的強度和安全。據比亞迪給出的資料，刀片電池pack較普通磷酸鐵鋰電池成本下降30%、單位體積能量密度提升50%。

刀片電池內部結構如圖6所示，對於刀片狀長條形電池，隔板將殼體內部分隔出若干個容納腔，容納腔內設有極芯組，極芯組含有一個極芯或兩個極芯並聯，極芯組之間透過極芯連線件串聯連線，極芯連線件貫穿相鄰兩個極芯組之間的隔板。第一代刀片電池內部共有3組極芯組；隔板上設定有可以透過電解液的注液孔，注液孔連通隔板兩側相鄰的兩個容納腔，即使從某一個容納腔處注入電解液，電解液也能夠由注液孔流至其他容納腔，保證各個容納腔均能夠很好的注入電解液。最終電池長度L=400~2500mm。

圖6 刀片電池內部結構

常見的新能源汽車，其寬度一般在1米以上，長度則在數米；而新能源汽車的動力電池包，一般放置在新能源汽車的底部；目前市場上的動力電池包，一般都是寬度方向與新能源汽車的寬度大概一致，大概在1米以上。長度則根據新能源汽車的底部預留空間而定，一般都在2米以上。整個動力電池包無論在長度還是寬度方向，都超過1米；而目前單體電池的長度一般在0。3米左右，所以在動力電池包中，需要並排設定至少3個單體電池，甚至更多。並排設定多個單體電池，對每個單體電池均需要新增固定結構，同時，相鄰兩個單體電池之間需要透過外設的動力連線件進行動力連線。導致單體電池安裝結構較多，不僅成本提高，而且導致整體重量上升；同時，單體電池安裝結構佔用了較多的包體內部空間，造成動力電池包整體容量降低，單體電池並排設定越多，空間浪費就越多。另外，因需要設定多個外接動力連線件進行動力連線，導致內阻增加，提高了動力電池包在使用中的內耗。

單體刀片電池的長度L設計成600mm-2500mm，由於單體電池本體足夠的長，在單體電池的外表面設有設有支撐區，可以直接將單體電池支撐到支撐區。汽車底盤上設有向下凹陷的腔體以便裝配單體電池，這樣，在電池包內無需設定任何加強筋，電池包中放置電池陣列，單體電池與單體電池之間透過膠粘結，直接透過連線的單體電池承擔加強筋的作用，極大的簡化了電池包的結構，且減少了加強筋佔用的空間以及單體電池的安裝結構佔用的空間，從而進一步提高空間利用率，以進一步提高續航能力。

圖7 刀片電池陣列直接佈置在汽車底盤的電池容納腔內組成電池包

透過刀片電池單體的尺寸引數等的設計，可以提升電池的散熱效果。刀片電池在同等條件的快充下，其溫升較傳統電池均有不同程度的降低，具有優於現有技術的散熱效果，將該單體電池組裝成電池包時，電池包的溫升也有所降低。電池包透過單體刀片電池的排布、尺寸引數以等因素的設計，空間利用率能夠突破現有電池包的限制，從而實現更高的能量密度。

3、寧德時代：CTP（Cell to Pack）技術

CTP（Cell to Pack）技術，又稱無模組設計。直接將多個電芯佈置於箱體，無需先將多個電芯組裝成模組。零部件數量大幅減少，底盤空間利用率大幅提高，製造成本進一步降低。動力電池高效成組CTP技術打破了行業固有的“單體成組模組再成組電池包” 三級成組設計思維，從電池包結構高度整合、新工藝研發以及熱管理最佳化等方面開發了全新的動力電池高效成組CTP技術，實現兩級成組—“單體直接成組電池包”。根據寧德時代公佈的資料，其CTP電池包體積利用率提高了15%-20%，電池包零部件數量減少40%，生產效率提升了50%，大幅降低動力電池的製造成本。同時，減少了傳統模組的生產工序，生產效率提高20%。量產電池包重量能量密度超過170Wh/kg，同時在研產品電池包重量能量密度達到215Wh/kg。

寧德時代 CTP 技術是將一個大的模組透過若干個塑膠散熱片分割成小空間，這些塑膠散熱片可以像電腦硬碟一樣插入小空間。每個電池的側面還貼有一個導熱矽膠墊片，並且在電池寬度方向的散熱板上有一個冷卻通道，可以直接與外部冷卻管路連線。這可以減少大約 40%來自模組之間連線線束、側板、底板等的部件。去掉電池模組，將電池直接整合到電池組中，可以提高電池組的空間利用率，減輕電池組的質量，提高能量密度，降低成本。寧德時代 CTP 技術電池如圖8所示。固定梁將箱體分隔為多個容置腔，電池包包括多個電池單體，且多個電池單體在垂直於高度方向的平面內分為多組，各組電池單體均具有至少兩個電池單體且分別設在不同的容置腔內。最底層的電池單體與箱體內底面之間、各組電池單體中的相鄰兩個電池單體之間、以及約束部件與最頂層的電池單體之間設有粘接層。

1、箱體元件；11、箱體；111、第一翻邊；12、固定梁；121、第一安裝孔；13、容置腔；2、電池單體；20A、第一組電池單體；20B、第二組電池單體；3、約束部件；31、限位部；32、安裝部；321、安裝塊；322、第二安裝孔；4、外蓋；41、第二翻邊；5、緊韌體。

圖8 寧德時代 CTP電池成包技術

4、中航鋰電：One-Stop bettery

2021年9月17日，中航鋰在2021世界新能源汽車大會（WNEVC）上釋出了中航鋰電面向TWh時代的全新設計技術產品——One-Stop Bettery。採用該項技術的產品，三元鋰電池系統電芯能量密度300Wh/kg，pack能量密度240Wh/kg，續航里程可以達到1000km。磷酸鐵鋰電池系統電芯能量密度200Wh/kg，pack能量密度160Wh/kg，續航里程可以達到700km。

電芯層級：

採用了0。22mm的超薄殼體技術、多維殼體成型技術、“無蓋板”設計、多功能複合封裝技術、模組化極柱、一體式電連線技術、高剪下外絕緣技術、柔性洩壓技術，可以實現讓空間利用率提升5%、結構重量降低40%、零部件減少25%、成本降低15%。

生產工藝：

電芯生產過程中，採用超高速複合疊片、原位無塵裝配技術、高速薄璧焊接技術、集流體直連焊接技術，能夠讓生產效率提升100%、生產空間減少50%、製造成本降低30%、能耗降低60%、異物“零”引入風險。

電池系統：

採用無模組技術、極簡串聯拓撲電連線技術、複合嵌入式箱體技術、高效熱管理技術、整合液冷技術、積木拼接成組技術、熱失控抑制技術，空間利用率提升5%、能量密度提升10%、零部件減少20%、換熱效率提升50%、成本降低10%。

5、廣汽：彈匣電池系統

彈匣電池是一項專門提升動力電池安全性的系統性技術，是從電芯本徵安全提示，到被動安全強化，再到主動安全防控的一整套安全技術。彈匣電池四大核心包括了超高耐熱穩定的電芯、超強隔熱的電池安全艙、極速降溫的速冷系統以及全時管控的第五代電池管理系統。

（1）超高耐熱電芯

透過正極材料的奈米級包覆及摻雜技術、新型新增劑的應用實現SEI膜的自我修復。高安全電解液，自聚合高阻抗介面膜，大幅降低熱失控反應熱。這一系列關鍵技術的應用，使電芯的耐熱溫度提升30%。電芯正極是三元鋰材料。

（2）超強隔熱電池倉

彈匣電池採用超強隔熱電池安全倉，網格奈米孔隔熱材料，可以使相鄰電芯不發生熱失控。這個電池安全倉就相當於一個彈匣，把電芯與電芯之間隔開。電池包採用耐高溫殼體可承受1400℃高溫。

（3）急速降溫三維冷卻系統

採用全貼合液冷整合系統，高效散熱通道設計，高精準導熱路徑設計，散熱面積提升40%，散熱效率提高30%。

（4）全時管控第五代電池管理系統

除了上述的硬體的改善外，BMS軟體給彈匣電池的安全性提供了最後一層屏障。最新一代電池管理系統晶片，可實現每秒10次全天候資料採集，相比前代系統提升100倍。可以24小時對電池狀態進行監測，發現異常時，立即啟動電池速冷系統為電池降溫。

針刺實驗實驗結果顯示：整包在試驗過程中熱事故訊號發出5分鐘後，僅出現短暫冒煙（1分鐘），無起火和爆炸現象。靜置48小時後，電壓降至0V，溫度恢復至室溫。針刺後只有被刺電芯模組熱失控，沒有蔓延到其他電芯。開啟電池整包，觀察內部結構完好。

隔熱倉和散熱系統也會增加電池包的重量，所以在電芯材料一樣的前提下，採用彈匣電池這種結構後，整包的能量密度必然會低於普通三元鋰電池包，此外電池包的成本也會明顯提高。

6、長城汽車：永不燃燒永不起火的大禹電池系統

大禹電池技術集熱源隔斷、雙向換流、熱流分配、定向排爆、高溫絕緣、自動滅火、正壓阻氧、智慧冷切等8個設計理念，在採用全新開發的雙層複合材料的電芯以及採用高溫絕熱複合材料模組的模組的雙重防護下，大禹電池技術實現了對熱源的高效隔斷。此外，智慧冷切的設計理念，可以使得在電池管理系統識別到電芯觸發熱失控的時候，透過BMS和雲端雙重監控，確保整臺車能夠及時開啟冷切系統，並有效抑制熱流的擴散。突破電池本徵、PACK設計、BMS 3大維度39個熱失控故障節點，全面保障電池安全，實現“控+導=通”熱失控安全矩陣，保證在“大容量高鎳電芯”“電池包任意位置”“加熱兩個電芯並連續觸發熱失控”的情況下都能實現不起火、不爆炸。

（1）熱源高效隔斷

電芯方面，所有電芯間採用全新開發的雙層複合材料，既能隔離熱源，又耐火焰衝擊，有效解決了傳統氣凝膠不耐衝擊的痛點。同時結合不同化學體系電芯迴圈膨脹特性不同，設計雙層複合材料，既可有效解決電芯膨脹對空間的需求，又能隔離熱源。

模組方面，每個模組間都採用高溫絕熱複合材料，可阻止火焰衝擊和長時間傳熱傳導。防護罩設計定向排爆出口，能快速將模組內部高溫氣火流排出，避免模組內部熱蔓延。

（2）雙向換流

電池發生熱失控過程中會產生大量高溫、高壓氣火流，大禹電池技術透過對多種類換流通道設計方案模擬模擬，實現換流強度和比例的精準化設計，有效控制熱源按預定軌跡流動，減少對相鄰模組的熱衝擊，可以避免再次引燃。

（3）熱流分配

透過搭建燃燒模型、熱力學與流體力學擬合模擬、衝擊強度和壓力計算等虛擬技術應用，可實現氣火流在不同結構通道內的均勻分佈。電池包之內設計了縱向通道，縱向通道和底部的換流通道是連通的，在氣壓的作用下會上下流動。根據熱量、氣流強度的衝擊的大小，溫度的變化，按照熱源軌跡去流動，避免對相鄰的電芯相鄰的模組產生急劇性的熱衝擊，引發第二次熱失控。

（4）定向排爆

透過分流、導流、換流將火源快速引導至滅火通道並安全排出。通道內壓力和流量均勻化調節，消除了熱量集中，使氣火流在通道內分層均勻流動。透過定向排爆和換流，可以使高溫氣體，例如NCM811電池，超過1000℃的高溫迅速降到200℃以內。