中国动力电池发展历程：从锂电萌芽到智能革命
中国动力电池发展历程：从锂电萌芽到智能革命
中国动力电池行业在过去几十年中经历了快速而深刻的变革，从最初的锂电产业萌芽到如今的技术创新和智能化发展，展现了强大的生命力与潜力。随着全固态电池技术的不断突破、智能电池管理系统的广泛应用以及绿色发展的深入推进，未来的动力电池市场将迎来更加广阔的前景。
中国动力电池发展历程
新材料创新（1990-2000）
1990年代，全球锂电产业链开始从欧美向亚洲迁移，中国抓住机遇，开始了锂电产业的萌芽。进入21世纪，磷酸铁锂（LFP）电池凭借其安全性和长寿命在中国动力电池行业崭露头角，尤其适用于公共交通和储能，而三元材料（NMC/NCA）电池则因更高能量密度成为长续航乘用车的首选。
动力化落地（2000-2010）
自新千年起，中国动力电池行业从服务混合动力汽车的镍氢电池转向锂离子电池，再到2010年代聚焦于满足纯电动汽车高性能需求的三元材料电池，实现了从辅助角色到核心驱动力的战略性跃升。
数字化增效（2010-2020）
自2010年起，中国动力电池行业进入了数字化转型的关键时期，从2010年的电池管理系统(Battery Management System, BMS)到2020年人工智能(AI)技术，实现了从传统生产向智慧生产的转变，极大地提升了效率和性能。
新材料创新（2020-2023）
2020年代，电动车需求增长促使半固态电池出现，结合液态与固态电池特点，改善安全，提升能量密度，增强快充效率。预计2030年代，全固态电池将商用化，完全剔除液态成分，大幅提高能量密度与安全性，拓宽工作温度范围，简化冷却，增加续航，缩短充电时长。中国加大研发投入，固态电池前景可期，将深刻影响电动车、智能电网和电子设备等行业。
中国动力电池技术进展
电动汽车应用与安全电池
在电池安全方面，热失控是电池安全的最大威胁。热失控的过程包括诱因、触发、蔓延和整个过程。热失控诱因：如短路、过充、机械损伤等，导致电池内部温度升高；热失控触发：温度达到一定阈值后，电池内部化学反应开始加速，释放大量热量；热失控蔓延：热量的释放导致周围电池单体温度升高，形成连锁反应，最终导致整个电池组失控。
目前研究电池热失控过程，常用的测试与表征技术包括：定容压力设备（主要用于模拟电池在实际使用过程中可能遇到的热失控情况，并研究电池在热失控过程中的压力和温度变化）；绝热量热法（用于测量电池在特定条件下的热释放特性，帮助识别热失控的临界条件）；差示扫描量热法（用于分析电池材料的热特性，评估其热稳定性）；物质结构表征（通过对电池内部反应的热力学特性进行分析，揭示热失控的化学反应机制）。为了抑制电池热失控，目前有包括正极包覆、高安全隔膜、高安全电解液添加剂等多种技术。这些技术可以提升电池的本征安全，例如通过表面包覆提升三元材料的热稳定性，或者用特殊电解液抑制热失控的主要放热反应。
在电池单体热失控与抑制技术方面，开发了高安全电解液和原位固化技术，这些技术能够显著提高电池的热稳定性。例如，通过原位固化技术，可以实现比能量为360Wh/kg的动力电池热失控特征温度T2提升49°C，达到248℃，并通过了170℃-30分钟的热箱测试。此外，高压系统电弧测试与防护技术研究发现颗粒物诱导击穿电弧是导致电气绝缘条件变得不安全的主要诱因。基于这一发现，提出了电弧防护理论与设计方法，以防止电弧触发热失控。
在热蔓延与热防护方面，目前总结了电池系统热失控的三种特征模式：同步蔓延、乱序蔓延和顺序蔓延。为了抑制热蔓延，提出了隔热和冷却方法，这些方法可以调节热流，实现对高能量密度电池组热蔓延的抑制。
在高安全电池系统设计方面，国家标准规定动力电池热蔓延后不起火、不爆炸。2024年5月，工信部发布了新建议《电动汽车动力电池安全要求》，基于现有热、烟气、电气设计体系进行安全防护，技术上可以实现上述规定(比能量小于300瓦时/公斤)
目前国内典型高安全电池系统是三元CTP麒麟电池系统。2022年8月29日CATL发布麒麟电池，将电池系统隔热垫、水冷板、横纵梁三合一组成多功能弹性夹层，简化结构、加强热管理。三元CTP麒麟电池系统采用高比能量三元电池，使电池系统比能量达到250瓦时/公斤;三元CTP麒麟电池系统也是全球率先让电动汽车续航达到1000公里的动力电池系统技术。
人工智能革命与智能电池
随着人工智能技术的快速发展，电池行业也开始了智能化革命。智能电池通过集成智能传感、内置芯片、无线电池管理系统（BMS）和智能算法，能够实现对电池状态的实时监控和优化管理。智能化提高了电池的性能和安全性，降低了成本，提升了生产效率。
在电池的设计阶段，人工智能被用于自动化设计流程。电池设计自动化（Battery Design Automation, BDA）技术通过高精度建模和高效智能寻优算法，能够自动寻找设计过程中的最优路径，从而提升设计效率和电池性能。这种技术可以将电池研发效率提升1至2个数量级，节省研发费用70~80%。此外，多尺度表征和仿真平台的开发整合了电池测试、优化设计和AI建模方法，为电池材料和系统的设计提供了强大的支持。
在电池的制造过程中，智能制造设备的开发实现了电池的大批量生产。这些设备能够实现PPB级别的产品缺陷率，全生命周期电池产品可靠性，以及TWh级别的超大规模高质量交付能力。通过过程仿真和产线大数据分析，制造效率得到了显著提升。
智能电池管理系统（BMS）的开发也是人工智能革命的一部分。基于AI模型的电动汽车电池状态估计平台2.0能够实现安全预警和状态健康（SOH）估计。这个平台已经在全国30多个城市实现应用落地，覆盖了1GWh以上的储能和80万辆新能源汽车。
智能膜电极和智能电池技术的开发，使得电池能够实现超过1000个循环的稳定负极电位监测，同时保证了电池的长寿命和高效率。这些技术的应用，不仅提高了电池的性能，还为电池的回收和再利用提供了便利。
材料体系创新与固态电池
固态电池技术的发展分为三个阶段。第一阶段是重点攻关固态电解质，目标是在2025年实现200Wh/kg和400Wh/L的能量密度，同时保持三元和石墨正负极基本不变。这一阶段的重点是确立主体电解质，打通全固态电池的技术链。第二阶段是重点攻关高容量复合负极，目标是在2030年实现400Wh/kg和800Wh/L的能量密度，主要应用于高性能乘用车，进一步发展高比容量的高硅基负极。第三阶段是重点攻关高容量复合正极，目标是在2035年实现500Wh/kg和1000Wh/L的能量密度，进一步发展高电压高比容量的富锂正极，并在2040年将目标提升至700Wh/kg，发展锂硫和锂空气电池。
在材料体系创新方面，硫化物电解质因其高离子电导率和与液体电解液相当的性能，成为短期内开发的重点方向。硫化物固态电解质的研究包括结合粘结剂设计改性、溶剂适配和粒度匹配，以研发高机械强度的自支撑硫化物固态电解质膜。此外，硫化物固态电解质的热失效机理也被深入研究，以提高其热稳定性。
硅碳复合负极是材料体系创新的另一个重点。通过创新的一步法制备硅碳负极技术，可以实现高比容量、长循环寿命和高首次库伦效率的目标。这种技术具有低成本、低能耗和低碳化的优点。硅碳负极材料与硫化物电解质的界面稳定性也被研究，以提高其循环性能。
锂金属负极是全固态锂电池产业化中的一个科学技术难题，目标是实现500Wh/kg和1000Wh/L的能量密度。这需要解决电极/电解质界面、电芯性能等方面的问题，包括提高化学稳定性、优化正极材料、防止锂枝晶生长等。
产学研协同构建了中国全固态电池技术创新平台（CASIP），以推动全固态电池技术的发展。这一平台的成立，标志着中国在全固态电池领域的研究和开发将更加系统化和协同化。
中国动力电池前景展望
图注：中国动力电池技术发展路线图
技术创新是中国动力电池行业的核心驱动力。未来中国的动力电池技术将朝着高比能全固态电池和低成本、长寿命锂离子电池两个方向发展，两者将共同推动电动汽车的性能提升和成本下降。
绿色发展是中国动力电池行业的一大趋势。通过电池回收再生、提升绿电比例等减排技术，可以实现显著的碳排放降低。以NCM811方形电池评估基准为例，物理回收可以减排超过50%，湿法回收减排32%，火法回收减排3.5%。而100%绿电结合电能替代化石过程燃料，可以实现电池生产制造全生命周期近零排放。这些绿色技术的应用将使中国动力电池行业更加可持续和环境友好。
产业转移是中国动力电池行业的另一个重要发展方向。随着可再生能源的丰富，动力电池产业有望向西部地区转移，这将有助于降低能源成本并提高资源利用效率。这种产业转移将促进区域经济的均衡发展，并为中国动力电池行业带来新的增长机遇。