動力鋰電池發(fā)展方向較為明確，即高能量密度、高安全性、長循環(huán)壽命和低耗材，目的在于滿足使用和安全的基礎(chǔ)上降低單 位成本。在后補貼時代，無論是動力電池商還是新能源車企的重點方向，降本增效都是第一要義。降本增效的路徑包括兩個 方面，一是改變電芯材料，從根本上提高電芯的能量密度；二是優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，輕量化和簡易化改進，如寧德時代的 CTP 技 術(shù)和比亞迪的刀片電池就是在現(xiàn)有材料體系基礎(chǔ)上進行系統(tǒng)集成和工藝改進，從而達到提升能量密度和降低成本的目的。 

一、電芯材料

電芯材料總體技術(shù)路線：本著降本增效的目的，動力電池電芯材料的技術(shù)發(fā)展趨勢較為明確。據(jù)“十三五”國家重點研發(fā)計 劃《新能源汽車》總體專家組提出的我國動力電池技術(shù)發(fā)展技術(shù)路線顯示，到 2020 年，國內(nèi)三元電池用的鎳、鈷、錳的比例 由 3：3：3 轉(zhuǎn)向 6：2：2 和 8：1：1。

負極從碳負極向硅碳負極轉(zhuǎn)型。到 2025 年，正極材料性能進一步提升，富鋰錳基材 料繼續(xù)向前。到 2030 年，電解質(zhì)方面取得突破，固態(tài)電池實現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化，電池單體比能量有望沖擊 500 瓦時/公斤。

1、正極材料

概述：正極材料作為鋰離子電池最核心的部分，其特性對于電池的儲能密度、循環(huán)壽命、安全性等具有直接影響。鋰電池常 用的正極材料有磷酸鐵鋰（LFP）、鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）和三元材料（如 NCA 和 NCM），不同種類的正極材料電 池根據(jù)優(yōu)劣勢有不同的應用領(lǐng)域，新能源乘用車及貨車細分市場三元鋰電池為主，LFP 為輔，而新能源客車領(lǐng)域則 LFP 占絕 大比重，而其他種類正極材料的鋰電池在動力領(lǐng)域應用較少。

正極材料比較：三元材料優(yōu)點為電化學性能好，能量密度較高，缺點為分解溫度較低，約為 200℃左右，安全性能一般，且 因含有貴金屬鎳、鈷和錳，成本略高。LFP 相對來說優(yōu)劣勢與三元比較互補，LFP 發(fā)展較早，能量密度較低，但其分解溫度 高達 800℃，安全性較高，且貴金屬含量較低，成本可控，循環(huán)壽命也高于三元，目前較多汽車品牌應用 LFP 電池，如雪佛 蘭 Volt、日產(chǎn) Leaf、比亞迪 E6 和 Fisker Karma。

三元 NCM：三元電池中鎳鈷錳應用最廣，NCM 三元正極材料是由鎳、鈷、錳 3 種過渡金屬元素組成的前驅(qū)體，與鋰源（如 碳酸鋰、氫氧化鋰等）在高溫下燒結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)式為 LiNi1-x-yCoxMnyO2(0<x<0.5, 0<y<0.5)，與 LiCoO2 具有相似的層狀 結(jié)構(gòu)，屬六方晶系，α-NaFeO2 型巖鹽結(jié)構(gòu)，空間群為 R-3m。Li+占據(jù) 3a 位，過渡金屬鎳鈷錳占據(jù) 3b 位，氧離子占據(jù) 6c 位。Ni、Co、Mn 在材料中價態(tài)分別為+2、+3、+4 價，均價為+3 價，主要是鎳鈷參與氧化還原反應（Ni2+/Ni4+和 Co3+/Co4+）。 

鎳元素屬于活性物質(zhì)，影響電池可逆容量；但 Ni2+的半徑(r (Ni2+)=0.69?)與 Li+的半徑(r (Li+)=0.76?)相差不大，容易產(chǎn)生鋰 離子和鎳離子的混排，影響鋰離子的脫嵌，從而影響電池的循環(huán)與倍率性能。 

鈷元素能穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)，有效減少陽離子的混排，提高材料的導電性，便于深度放電，利于提高電池的放電倍率。 

錳元素在體系中是 Mn4+，呈化學惰性起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用，提高電池的安全性，價格便宜能降低電池制作成本；錳容易發(fā)生 Jahn-Teller 效應，致使結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變破壞層狀結(jié)構(gòu)，錳含量過高還會降低電池克容量。

因此，NCM 三元材料綜合了 LiCoO2、LiNiO2 和 LiMnO2 三種材料的優(yōu)點。三元正極材料理論容量約 275-278mAh/g，按鎳 鈷錳比例有多種不同的配方如：424、111（333）、523、622、712、811 等，得到的實際容量有所不同。國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)化進 程是 424→111（333）→523→622→811。

正極材料發(fā)展研判：進入后補貼時代，由于補貼門檻的提升，相較磷酸鐵鋰，三元鋰電池在補貼方面仍保持優(yōu)勢，但又由于 補貼標準的下降，該優(yōu)勢也在不斷削弱。如果說過去幾年三元鋰電池發(fā)展較快的一部分原因是有補貼助力的話，未來補貼對 三元發(fā)展起到的作用將越來越小。然而，三元鋰電池憑借天然的性能優(yōu)勢，在續(xù)航里程和低溫性能方面始終領(lǐng)先，短期內(nèi)高 成本壓力下占據(jù)高端市場，中長期降本增效的趨勢非常確定。三元材料中鎳和鈷是主要的電活性原子，而錳和鋁只是起維持 材料在充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用，鋰離子在低鎳三元材料中遷移活性較低，在高鎳三元材料中活性較高，此外，與鈷相 比鎳的電壓更高，容量更大，價格更低。因此，無論降本還是增效，高鎳三元以及再往后的富鋰錳基固溶體材料是必然趨勢。 

磷酸鐵鋰電池出現(xiàn)增長勢頭。短期來看，配合電池系統(tǒng)的創(chuàng)新，鐵鋰電池競爭力較強。特斯拉近期計劃與寧德時代合作推出 “無鈷”車型，比亞迪推出刀片電池，體積比能量密度將提升 50%，壽命長達 8 年 120 萬公里，成本節(jié)約 30%。此外，近期 國軒宣布單體電芯能量密度已提升至 190Wh/kg，并配套續(xù)航里程 400km 以上的車型，同時表示明后年磷酸鐵鋰的單體電芯 能量密度有望達到 200Wh/kg，實現(xiàn) 160Wh/kg 系統(tǒng)能量密度。這表明磷酸鐵鋰在性能方面依然有改進空間，現(xiàn)階段競爭力強， 不排除短期內(nèi)磷酸鐵鋰電池份額加快提升的可能。

2、負極材料

概述：負極材料主要影響電池的能量密度、安全性和循環(huán)性能。在探索負極材料時，理想的負極材料具備以下特征，與正極 材料電化學位差大以提高電池功率；材料層間距相對較大，鋰離子嵌入反應所需自由能小，易具有較大的鋰離子容量，且嵌 入后不膨脹，循環(huán)性能好；電極電位不受鋰離子嵌入量影響，有利于電池工作電壓穩(wěn)定；熱力學穩(wěn)定性好，不與電解液反應；鋰離子在負極材料中的擴散速率高，易于容納大量的鋰離子；石墨化程度越低，SEI 膜穩(wěn)定性越好，可避免電解液嵌入電極材 料；易制備，資源豐富等。

發(fā)展方向：自 1965 年鋰金屬被應用于負極材料至今，負極材料發(fā)生了較大的更迭變化。金屬鋰具有最低的標準電極電勢和非 常高的理論比容量（3860mAh/g），是鋰二次電池負極材料的首選。但充放電過程中容易產(chǎn)生枝晶，形成“死鋰”，降低了電 池效率，同時也會造成嚴重的安全隱患，因此并未得到實際應用。1989 年，Sony 公司研究發(fā)現(xiàn)可以用石油焦替代金屬鋰， 才真正的將鋰離子電池推向了商業(yè)化。在此后的發(fā)展過程中，石墨因其較低且平穩(wěn)的嵌鋰電位（0.01～0.2 V）、較高的理論比 容量（372 mAh/g）、廉價和環(huán)境友好等綜合優(yōu)勢占據(jù)了鋰離子電池負極材料的主要市場。此外，鈦酸鋰（Li4Ti5O12）雖然容 量較低（175 mAh/g），且嵌鋰電位較高（1.55V），但是它在充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是一種“零應變材料”， 因此在動力電 池和大規(guī)模儲能中有一定的應用，有少量份額。電池能量密度需求不斷提升，目前產(chǎn)業(yè)正由石墨負極向硅碳負極轉(zhuǎn)型，未來 有望再轉(zhuǎn)向金屬鋰（合金）負極。

3、電解液

概述：電解液在鋰電池組件中連接正負極材料，同時是鋰離子傳輸?shù)妮d體，是使電池具備高電壓、高比能的關(guān)鍵。電解液由 溶劑、電解質(zhì)（鋰鹽）和添加劑組成，其中溶劑具備介電常數(shù)高、粘度小、純度高、吸濕性好等特性，易于提高電解液的導 電性，工業(yè)化常用的溶劑為環(huán)狀碳酸酯（碳酸乙烯酯 EC、碳酸丙烯酯 PC）及鏈狀碳酸酯（碳酸二甲酯 DEC、碳酸甲乙酯 MEC 和碳酸二乙酯 DMC），高導電性溶劑 EC、PC 易于溶解電解質(zhì)，而低粘度溶劑 DEC、MEC 和 DMC 有利于鋰離子的運 輸。電解質(zhì)為電解液中鋰源，部分鋰鹽由于高溫安全性差、導電率低、價格昂貴等原因被棄用。目前，應用較多的為六氟磷 酸鋰 LiPF6，但，易水解、熱穩(wěn)定性存在不足。

發(fā)展方向：電解質(zhì)發(fā)展方向為固態(tài)化。固態(tài)電池的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化持續(xù)升溫，但受到固/固界面穩(wěn)定性和金屬鋰負極可充性兩大問 題的制約，真正的全固態(tài)鋰電池技術(shù)還沒有成熟，但是以無機硫化物作為固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池出現(xiàn)突破。總體看固態(tài)電 池發(fā)展的路徑，電解質(zhì)可能是從液態(tài)、半固態(tài)、固液混合到固態(tài)，最后到全固態(tài)。

研究進展：從固態(tài)鋰電池專利申請國家分布來看，研究進展方面以日本為首。日本豐田以硫化物體系固態(tài)電解質(zhì)為研究主體， 以研制能量密度高、電導率優(yōu)異、循環(huán)壽命長、安全性能好的固態(tài)電解質(zhì)為目的，小型全固態(tài)電池已試制成功，并計劃于 2020 年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。日本村田以全固態(tài)電池制造方法和電解質(zhì)為主要研究方向。韓國現(xiàn)代以制造和應用為主，兼顧電極材料、電 解質(zhì)和隔膜的研究。國內(nèi)研究也在跟上，中國科學院 2013 年設(shè)立固態(tài)先導計劃，該項目已于 2018 年通過驗收。整體來看固 態(tài)鋰電池產(chǎn)業(yè)化正在提速。

產(chǎn)業(yè)化進展：固態(tài)電池憑借高能量密度和高安全性的優(yōu)勢已獲得很多企業(yè)的青睞和布局，其中輝能預計 2020 年半固態(tài)電池可 達成量產(chǎn)。日本的豐田、松下，韓國的三星和 LG 化學，中國的寧德時代、衛(wèi)藍新能源、清陶、鋒鋰，歐洲的 STMicroelectrionics， 美洲的 Solid Power、QuantumScape、SolidEnergy、Ionic Material 等諸多企業(yè)也都在布局。輝能在 2017 年-2018 年試產(chǎn)了 第一代固態(tài)動力電池，2020 年將實現(xiàn)第一代固態(tài)動力電池 1GWh 的產(chǎn)能。據(jù)輝能測算，隨固態(tài)電池產(chǎn)能的提升將產(chǎn)生規(guī)模效 應，成本有望逐步攤低，當電芯產(chǎn)能達到 20GWh 時，電芯成本是液態(tài)的 1.1 倍，且成組效率高，電池包成本能進一步達到液 態(tài)電池包的 98%。

4、隔膜

概述：隔膜是保障電池安全的最重要組件之一，其浸漬在電解液中，位于正負極材料之間，起到避免正負極材料接觸導致短 路的作用。同時隔膜應具有熱塑性，在高溫環(huán)境下隔膜發(fā)生熔融，微孔關(guān)閉，從而達到斷電目的。因此隔膜通常采用具有絕 緣、不溶于有機溶劑、強度高等特性的聚烯烴多孔膜。常用的隔膜有聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）及丙烯-乙烯共聚物等。全 球汽車動力鋰電池使用的隔膜以三層 PP/PE/PP、雙層 PP/PE 以及 PP+陶瓷涂覆、PE+陶瓷涂覆等隔膜材料產(chǎn)品為主。 

發(fā)展方向：隔膜生產(chǎn)工藝主要為干法和濕法兩種，其中干法工藝包含單向拉伸和雙向拉伸兩種。濕法工藝所制隔膜較薄，容 易擊穿導致電池短路，而干法-單向拉伸工藝所制隔膜厚度較厚（20~40um）、孔徑均勻、熔點高且穩(wěn)定性好的特點符合電動 汽車對鋰電池安全性能的要求。但干法隔膜的厚度優(yōu)勢在一定程度上會削弱電池的能量密度，因此，應用仍將以濕法隔膜（例 如濕法涂覆隔膜）為主。 

二、電池結(jié)構(gòu)

CTP vs.刀片電池

CTP：Cell to Pack，顧名思義是沒有模組的電池包。北汽新能源與寧德時代于 2019 年 9 月 26 日聯(lián)合正式推出。傳統(tǒng)電池采 用的是單體-模組-電池包的成組方式，多層級的成組方式會降低空間利用率，損耗電池能量密度，更重要的是，多步驟的成組 方式必然需要眾多零部件，成本居高不下也難有降低空間。由于 CTP 電池包省去了電池模組組裝環(huán)節(jié)，較傳統(tǒng)電池包而言， 體積利用率提高了 15%-20%，零部件數(shù)量減少 40%，生產(chǎn)效率提升 50%。應用后大幅降低動力電池的制造成本。在能量密 度上，傳統(tǒng)的電池包能量密度平均為 140-150Wh/kg，CTP 電池包能量密度可達到 200Wh/kg 以上。 

事實上，CTP 也并非新技術(shù)，前期已在排布空間大的客車電池上有應用，且多采用安全性高的磷酸鐵鋰電池，目前 CTP 的推 出將實現(xiàn)在乘用車和三元電池領(lǐng)域的應用。蜂巢能源在 2019 年也推出 CTP 技術(shù)，與傳統(tǒng) 590 模組相比，蜂巢 CTP 第一代減 少 24%的零部件，第二代成組效率提升 5-10%，空間利用率提升 5%，零部件數(shù)量再減少 22%。不同企業(yè)推出的 CTP 歸根結(jié) 底是“大模組”化，在減少零部件、提高空間利用率進而提高成組效率和電池包能量密度方面異曲同工。據(jù)數(shù)據(jù)，目前部分電池企業(yè)給出的 CTP 方案，電池包價格大約能降低 0.1 元/Wh，對電池廠和主機廠來說成本降幅較為可觀。

刀片電池：扁平、窄長（長邊可以定制，單體最大穩(wěn)定長度可以達到 2100mm）、形如刀片的電池，由比亞迪于 2020 年 3 月 29 日正式推出。核心看點在于降本增效和安全性兩個方面。 

降本方面，刀片電池通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新在成組時可以跳過模組環(huán)節(jié)，大幅提高了體積利用率，最終達到同樣空間裝入更多電芯的 設(shè)計目標。相較傳統(tǒng)的有模組電池包，刀片電池的體積利用率提升了 50%以上，能量密度進而提升，續(xù)航里程達到高能量三 元鋰電池的同等水平。 

安全性方面，刀片電池在針刺穿穿透實驗中表現(xiàn)較好，穿刺后無明火，無煙且溫度僅 30-60℃左右，而同情景下磷酸鐵鋰電池 和三元電池表面溫度分別達到 200℃~400℃和 500℃，表面雞蛋被烤焦和炸飛。對此實驗結(jié)果，中國科學院院士歐陽明高分 析指出刀片電池的設(shè)計使得它在短路時產(chǎn)熱少、散熱快，評價刀片電池的表現(xiàn)“非常優(yōu)異”。比亞迪表示刀片電池體現(xiàn)了公司 徹底終結(jié)新能源汽車安全痛點的決心，更有能力將引領(lǐng)全球動力電池技術(shù)路線重回正道，把“自然”這個詞從新能源汽車的 字典里徹底抹掉。 

應用現(xiàn)狀來看，目前刀片電池只在比亞迪漢純電車型搭載應用，另外其他多數(shù)汽車品牌目前也正在與比亞迪探討基于刀片電 池技術(shù)的合作方案。 

根據(jù)工信部最新一批新能源汽車推廣目錄信息來看，比亞迪漢 EV 的 NEDC 續(xù)航里程為 550km（雙電機車型）、605km（單電 機車型），配備電池系統(tǒng)能量密度為 140Wh/kg。雖然質(zhì)量能量密度表現(xiàn)一般，但從續(xù)駛里程來看，“刀片電池”體積能量密度 優(yōu)勢得以發(fā)揮。

CTP vs.刀片：兩種技術(shù)在提升封裝效率上類似，均能大幅提高成組效率（能量密度），CTP 從模組入手，刀片電池從電芯入 手。但結(jié)構(gòu)的區(qū)別（CTP 大模組，刀片電池電芯小片列陣）導致兩者在應用方面存在一些優(yōu)劣勢，CTP 的單體電芯容量從 50Ah 提升至超過 200Ah，大片化更加節(jié)省空間和耗材，能量密度方面優(yōu)于刀片電池，但同時也犧牲了一定的耐久性和適配性。 

耐久性方面，CTP 技術(shù)考慮到體積封裝效率的最大化，大模組之間的連接可靠性更容易受到對角線反復切應力的影響，對于 高壓線束和冷卻系統(tǒng)的連接挑戰(zhàn)比較大，長期使用的可靠性有待驗證。而刀片電池實際上仍然保留了模組封裝和電池包封裝 的整體構(gòu)型，其電池包封裝將有可能根據(jù)車型需要，預留形變空間，避免超薄大電芯直接受力。因此耐久性方面刀片可能優(yōu) 于 CTP。 

適配性方面，CTP 大模組的高度不可改變（而且并不夠輕薄），同時需要配套配型外殼，以適配安裝在不同的車型上。這樣的 結(jié)構(gòu)需要整車廠家在產(chǎn)品規(guī)劃上相應作出調(diào)整，而比較困難的問題在于目前還沒有大規(guī)模銷量作為開發(fā)的支撐，廠家針對單 一電池供應商的配型需要做設(shè)計調(diào)整風險較大。刀片的窄邊做得盡量小，這就意味著在垂直高度上可以更容易適應高底盤和 低底盤車型的需要。因此在適配性和靈活性方面刀片電池優(yōu)于 CTP 電池。