創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)新一代動(dòng)力電池發(fā)展

張永偉 王曉旭 閆艷翠

隨著碳中和在全球范圍內(nèi)形成較為一致的遠(yuǎn)期目標(biāo)，發(fā)展新能源汽車成為道路交通碳減排的重要舉措。基于電化學(xué)儲(chǔ)能的動(dòng)力電池是新能源汽車的核心部件之一，也是新能源汽車得以快速發(fā)展的重要支撐。2023年上半年，全球新能源汽車銷量達(dá)到616.1萬輛，同比增長41.7%[1]，全球動(dòng)力電池裝機(jī)量達(dá)到304.3吉瓦時(shí)，同比增長50.1%[2]。未來隨著新能源汽車市場持續(xù)繁榮，動(dòng)力電池需求將進(jìn)一步釋放。據(jù)國際能源署（IEA）預(yù)測，在已宣布的承諾情景下，2030年全球動(dòng)力電池總需求量將達(dá)到3500吉瓦時(shí)[3]。

2015年至今，在全球動(dòng)力電池市場中，中國、韓國、日本三國占據(jù)了90%以上的市場份額[4]，形成三足鼎立格局。雖然歐美國家在本輪動(dòng)力電池競賽中處于被動(dòng)，但歐美汽車和化工工業(yè)體系完備發(fā)達(dá)，創(chuàng)新研發(fā)能力強(qiáng)，正在加緊追趕中。為了在新一輪動(dòng)力電池競爭中取得或保持國際領(lǐng)先地位，當(dāng)前各國均競相制定動(dòng)力電池發(fā)展戰(zhàn)略。如美國計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)固態(tài)電池和鋰金屬電池規(guī)?；慨a(chǎn)；日本計(jì)劃到2030年左右將全固態(tài)電池全面投入實(shí)際應(yīng)用；韓國計(jì)劃在2027年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化，在2028年實(shí)現(xiàn)鋰金屬電池商業(yè)化；歐盟和中國也計(jì)劃到2030年實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用。從全球主要國家或地區(qū)的發(fā)展規(guī)劃看，2030年是關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，預(yù)計(jì)2030年前后全固態(tài)電池、鋰金屬電池等新一代電池都將逐步進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用階段。當(dāng)前，加大對新一代電池的研發(fā)投入、完善新技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)、并尋求適宜的應(yīng)用場景以推動(dòng)技術(shù)落地和迭代，是各國普遍采取的競爭策略。

本文圍繞材料體系創(chuàng)新、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新等關(guān)鍵層面，選取未來5—10年內(nèi)部分具有產(chǎn)業(yè)化前景、受關(guān)注較廣的創(chuàng)新技術(shù)，對其發(fā)展必要性、研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展、發(fā)展瓶頸等進(jìn)行梳理，并提出相關(guān)建議，以期為行業(yè)提供一些參考。

一、新一代動(dòng)力電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

（一）新體系電池創(chuàng)新

1.固態(tài)電池。固態(tài)電池采用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)有機(jī)電解液，有望同時(shí)解決傳統(tǒng)鋰離子電池面臨的安全性、能量密度等難題，是電動(dòng)汽車和規(guī)?；瘍?chǔ)能的理想電源。與傳統(tǒng)液態(tài)電池相比，固態(tài)電池具有如下優(yōu)勢：固態(tài)電解質(zhì)不易燃、不揮發(fā)、無腐蝕，沒有液體泄漏風(fēng)險(xiǎn)，安全性更高；穩(wěn)定且寬的電化學(xué)窗口（5伏以上），可匹配高電壓正極；全固態(tài)電池可采用內(nèi)串的成組方式，獲得更高的輸出電壓。因此，固態(tài)電池被廣泛認(rèn)為是下一代鋰電池的重要發(fā)展方向。

當(dāng)前全球主要國家均在積極推動(dòng)固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。其中，歐美以QuantumScape、Solid Power等初創(chuàng)型企業(yè)為主，基礎(chǔ)研究實(shí)力較強(qiáng)，部分車企通過投資初創(chuàng)企業(yè)布局固態(tài)電池領(lǐng)域。日韓企業(yè)多抱團(tuán)合作，如LGES、三星SDI和SK On組成聯(lián)盟，共同開發(fā)固態(tài)電池。我國起步較晚，但發(fā)展迅速，代表企業(yè)有寧德時(shí)代、孚能科技、衛(wèi)藍(lán)新能源、清陶能源等。此外，歐美日韓等地以全固態(tài)電池路線為主，目前尚處于研發(fā)和中試階段，預(yù)計(jì)到2025年左右實(shí)現(xiàn)小批量量產(chǎn)，2027年后逐步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展；我國率先發(fā)展混合固液電池路線，預(yù)計(jì)自2023年起將進(jìn)入規(guī)模量產(chǎn)新階段，同時(shí)加快推進(jìn)全固態(tài)電池的研發(fā)布局。整體而言，全固態(tài)電池由于技術(shù)、工藝等問題，仍需5—10年左右時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

2.鈉離子電池。鋰離子電池目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，且是新能源汽車動(dòng)力電池的首選，但隨著對其需求不斷增加，鋰資源供應(yīng)變得愈發(fā)緊張，疊加全球鋰資源分布不均、易受地緣政治影響等因素，尋找鋰離子電池的替代或備選儲(chǔ)能技術(shù)，勢在必行。在此背景下，與鋰離子電池工作原理相似的鈉離子電池逐漸受到研究者重視。鈉離子電池資源優(yōu)勢突出，鈉儲(chǔ)量豐富、分布廣泛，地殼豐度達(dá)2.64%，且鈉離子電池兼具較好的安全性、低溫和快充性能[5]。因此，發(fā)展鈉離子電池具有重要的戰(zhàn)略意義，可與鋰電池形成互補(bǔ)，減少對外資源依賴，同時(shí)更好滿足市場多元化需求。

目前國內(nèi)外已有超過30家企業(yè)對鈉離子電池進(jìn)行布局，包括英國Faradion公司、美國Natron Energy公司、日本三菱化學(xué)以及我國的寧德時(shí)代、中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源等?，F(xiàn)階段我國鈉離子電池研發(fā)應(yīng)用進(jìn)程走在世界前列，多家企業(yè)正在規(guī)劃吉瓦時(shí)級別產(chǎn)能，如中科海鈉2023年阜陽產(chǎn)線計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn)至3—5吉瓦時(shí)，孚能科技已將贛州工廠部分三元電池產(chǎn)能改造為鈉電產(chǎn)能，具備量產(chǎn)條件。同時(shí)鈉離子電池上車加速，如2023年6月，江鈴汽車與孚能科技共同合作的鈉電池車型、奇瑞汽車與寧德時(shí)代共同合作的鈉電池車型，分別在工業(yè)和信息化部第372批《道路機(jī)動(dòng)車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》中公示。這標(biāo)志著，鈉離子電池已正式在中國市場應(yīng)用于乘用車領(lǐng)域。

（二）電池結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是新一代動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展的重要補(bǔ)充。首先，通過電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，能夠減少結(jié)構(gòu)件用量、在一定程度上降低制造難度，從而促進(jìn)電池系統(tǒng)成本下降，如特斯拉的CTC（Cell to Chassis，電芯到底盤）技術(shù)能夠使每千瓦時(shí)電池成本降低7%，零跑汽車采用的MTC（Module to Chassis，模組到底盤）技術(shù)可使結(jié)構(gòu)件成本降低15%[6]。其次，通過電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，能夠提升電芯成組率、提高電池系統(tǒng)能量密度，從而增加整車?yán)m(xù)航里程，如搭載比亞迪CTB（Cell to Body，電芯到車身）磷酸鐵鋰體系電池的海豹車型，最高整車?yán)m(xù)航里程可達(dá)700公里[7]。

在新能源汽車發(fā)展早期，動(dòng)力電池系統(tǒng)是由電芯→模組→電池包三級構(gòu)成，主要由于當(dāng)時(shí)電池生產(chǎn)技術(shù)成熟度較低，應(yīng)用模組能夠彌補(bǔ)電芯一致性、穩(wěn)定性較差等問題，提高系統(tǒng)安全性；但較多結(jié)構(gòu)件的使用，使得電芯集成到電池包后的空間利用率僅為40%左右。隨著領(lǐng)先車企紛紛推出純電專用平臺(tái)、整車降本需求開始明確，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也隨之向大模組、標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。近年來，單體電池結(jié)構(gòu)也在不斷創(chuàng)新，如刀片電芯、大圓柱電芯等，其制造水平和一致性越來越好，在此趨勢下，為進(jìn)一步減少零部件數(shù)量、提升能量密度，電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開始向無模組化、高集成度方向發(fā)展，如比亞迪推出CTB刀片電池，其系統(tǒng)能量密度提升10%；寧德時(shí)代推出CTP（Cell to Pack，電芯到電池包）3.0麒麟電池，其系統(tǒng)能量密度達(dá)到255瓦時(shí)/千克[8]。未來隨著新能源汽車滲透率逐步提高，電池包結(jié)構(gòu)創(chuàng)新技術(shù)也將持續(xù)迭代。

二、新一代動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展瓶頸

（一）技術(shù)難題尚待解決

部分新一代動(dòng)力電池技術(shù)瓶頸尚未完全突破，影響大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。如對于硅基負(fù)極，由于硅基材料在鋰化/去鋰化過程中會(huì)產(chǎn)生體積膨脹，造成活性材料粉碎、硅基負(fù)極表面形成不穩(wěn)定的SEI（Solid Electrolyte Interphase，固體電解質(zhì)界面膜）、電子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)被破壞等問題產(chǎn)生，從而導(dǎo)致其大規(guī)模應(yīng)用仍受限制。對于全固態(tài)電池，電極/電解質(zhì)固固界面問題是目前全固態(tài)電池實(shí)用化過程中面臨的最主要問題，包括界面阻抗大、界面穩(wěn)定性不良、界面應(yīng)力變化等，直接影響電池性能。對于鈉離子電池，當(dāng)前實(shí)際能量密度偏低（100—150瓦時(shí)/千克）和循環(huán)性能較差（約2000次）等問題也對其商業(yè)化應(yīng)用場景的拓展造成一定影響。

（二）新生產(chǎn)工藝成熟度不高導(dǎo)致產(chǎn)品良品率較低

由于在新工藝量產(chǎn)早期，新設(shè)備穩(wěn)定性、工藝流程控制等方面仍處在探索階段，電池產(chǎn)品的良品率必然受到影響。若在短時(shí)間內(nèi)良品率低的問題不能得到有效解決，將會(huì)導(dǎo)致采用新技術(shù)的電池產(chǎn)品無法在量產(chǎn)車上大范圍應(yīng)用。如大圓柱電池近年來尚未大規(guī)模應(yīng)用的主要原因就是良品率提升進(jìn)程較慢，通過特斯拉4680電芯良品率的發(fā)展歷程可以看到，最初良品率僅有20%，2021年試驗(yàn)線良品率約為80%，2022年初佛里蒙特工廠產(chǎn)線的平均良品率達(dá)到92%，但與2170電芯95%+的良品率相比仍有一定差距；并且與特斯拉合作最早且時(shí)間最長的電池供應(yīng)商松下近期宣布，將推遲4680商業(yè)化生產(chǎn)至2024年中旬左右。

（三）新一代動(dòng)力電池產(chǎn)品尚不具成本優(yōu)勢

受核心技術(shù)路線未確定、供應(yīng)鏈準(zhǔn)備不充分、生產(chǎn)工藝不成熟、規(guī)模效應(yīng)缺乏等因素影響，目前固態(tài)電池、鈉離子電池等新體系電池的成本普遍高于傳統(tǒng)鋰離子電池。根據(jù)2023年上半年的企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)，鈉離子電芯實(shí)際成本約在0.7元/瓦時(shí)左右，有的甚至高于1元/瓦時(shí)；三元混合固液電芯比傳統(tǒng)液態(tài)電芯高0.2—0.3元/瓦時(shí)，磷酸鐵鋰混合固液電芯比液態(tài)電芯高0.1元/瓦時(shí)；而全固態(tài)電池尚未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用初期，其成本更高。

（四）新一代動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)體系亟需建立和完善

由于材料體系變化大，鈉離子電池、固態(tài)電池等新體系電池難以沿用傳統(tǒng)鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)，為起到較好的行業(yè)引領(lǐng)作用并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，亟需制定統(tǒng)一的新體系電池行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。但當(dāng)前多數(shù)國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)仍處于建立初期，以我國為例，對于鈉離子電池，雖然2022年7月首批鈉離子電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鈉離子電池術(shù)語和詞匯》和《鈉離子電池符號和命名》的計(jì)劃正式下達(dá)，但對于產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求、試驗(yàn)方法、質(zhì)量評定程序、貯存運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白；對于固態(tài)電池，目前雖然有部分團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，但國家標(biāo)準(zhǔn)仍在研究起草中，尚未落地，對混合固液電池和全固態(tài)電池分階段產(chǎn)業(yè)化發(fā)展不利。

（五）電池系統(tǒng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未與全生命周期各場景應(yīng)用協(xié)同

當(dāng)前階段的電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，更多考慮的是如何提高車輛使用階段的體驗(yàn)，相對較少考慮維修保養(yǎng)、回收報(bào)廢等階段的需求。如特斯拉CTC采用的一項(xiàng)設(shè)計(jì)是在電池包內(nèi)部灌滿膠，以達(dá)到防止熱量向車內(nèi)傳導(dǎo)、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接、提高安全性等目的，但也造成了后續(xù)維修成本增高、回收拆解難度增大，不利于動(dòng)力電池系統(tǒng)全生命周期價(jià)值的充分挖掘。

三、穩(wěn)固提升我國新一代電池產(chǎn)業(yè)競爭力的發(fā)展建議

在下一階段，為了穩(wěn)固與提升我國新一代電池產(chǎn)業(yè)競爭力，應(yīng)從頂層設(shè)計(jì)、資金支持、技術(shù)儲(chǔ)備、標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)、上游資源保障以及人才培養(yǎng)等多個(gè)層面做出行動(dòng)，以全力推動(dòng)動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展。

（一）科學(xué)編制國家級新一代動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃

明確在全球競爭新格局下我國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)，編制國家級新一代動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃。與此同時(shí)，注重頂層設(shè)計(jì)的完備性，從動(dòng)力電池全產(chǎn)業(yè)鏈角度出發(fā)，梳理各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化需求清單，確定發(fā)展重點(diǎn)和優(yōu)先級，形成全產(chǎn)業(yè)鏈的系統(tǒng)管理模式，為我國動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展提供科學(xué)指導(dǎo)。

（二）加大資金支持力度，設(shè)立動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金

成立動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)基金，激活該領(lǐng)域創(chuàng)新活力。一方面，通過國家動(dòng)力電池專項(xiàng)基金統(tǒng)籌支持核心技術(shù)研發(fā)，在核心材料、制造裝備、推廣應(yīng)用、回收利用等全鏈條，進(jìn)行基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用示范項(xiàng)目部署。另一方面，發(fā)揮政府投資對社會(huì)資本的引導(dǎo)作用，鼓勵(lì)利用社會(huì)資本設(shè)立相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展基金，加大對動(dòng)力電池創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的支持力度。重點(diǎn)支持在新一代動(dòng)力電池領(lǐng)域擁有核心技術(shù)、人才、專利的優(yōu)秀企業(yè)和團(tuán)隊(duì)，加快科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

（三）堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，做好新一代動(dòng)力電池技術(shù)儲(chǔ)備

積極推進(jìn)現(xiàn)有電池體系的技術(shù)迭代升級，加快磷酸錳鐵鋰正極、富鋰錳基正極、鋰負(fù)極、復(fù)合集流體等新材料和CTC、CTB等新結(jié)構(gòu)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。積極開展新體系電池的研究創(chuàng)新，加快鈉離子電池、固態(tài)電池、鋰硫電池、金屬空氣電池等的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。注重提升新一代動(dòng)力電池基礎(chǔ)研究、工程開發(fā)和產(chǎn)品開發(fā)的銜接，充分利用機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等手段，推動(dòng)電池設(shè)計(jì)、測試和制造等過程的數(shù)字化和智能化。

（四）強(qiáng)化動(dòng)力電池行業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)

堅(jiān)持做好動(dòng)力電池行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新成果保護(hù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)防控，強(qiáng)化知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)意識(shí)。鼓勵(lì)企業(yè)、科研院所和高校等，除申請國內(nèi)專利外，持續(xù)加大海外專利布局力度，提升國際市場競爭力。嚴(yán)厲打擊相關(guān)侵權(quán)行為，完善證據(jù)保全制度，降低舉證難度和維權(quán)成本，并提高審理效率，營造良好的市場發(fā)展環(huán)境。

（五）建立健全動(dòng)力電池標(biāo)準(zhǔn)體系

強(qiáng)化動(dòng)力電池全生命周期管理，加快動(dòng)力電池規(guī)格尺寸、產(chǎn)品性能、智能制造和回收利用等標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)體系與產(chǎn)業(yè)需求對接協(xié)同、與技術(shù)發(fā)展相互支撐。支持行業(yè)組織和企業(yè)積極參與甚至主導(dǎo)國際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)法規(guī)的制定，如推動(dòng)建立適合中國國情的動(dòng)力電池碳足跡標(biāo)準(zhǔn)體系，并與國際社會(huì)提前對接，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)現(xiàn)互認(rèn)。

（六）統(tǒng)籌保障動(dòng)力電池上游資源供應(yīng)

將鋰、鈷、鎳等列為國家的戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源，加大國內(nèi)相關(guān)資源的勘查開發(fā)力度，在資源配置、財(cái)政收入、重大項(xiàng)目、礦業(yè)用地等方面加強(qiáng)引導(dǎo)和差別化管理，提高資源開發(fā)利用水平和安全供給能力。鼓勵(lì)企業(yè)在全球布局鋰、鈷、鎳等資源，加強(qiáng)對企業(yè)在海外稀缺資源收并購中的政策扶持力度，為企業(yè)創(chuàng)造良好的外部環(huán)境。加快動(dòng)力電池回收利用體系建設(shè)，推動(dòng)資源循環(huán)利用。

（七）加速動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)與引進(jìn)

加強(qiáng)動(dòng)力電池相關(guān)專業(yè)的學(xué)科建設(shè)，緊密結(jié)合產(chǎn)業(yè)需求，培養(yǎng)復(fù)合應(yīng)用型人才。鼓勵(lì)企業(yè)、科研院所和高校建立聯(lián)合培養(yǎng)機(jī)制，并在基礎(chǔ)材料、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，加快培養(yǎng)和聚集一批技術(shù)領(lǐng)軍人才和緊缺人才。支持各鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展集中區(qū)引進(jìn)、培育鋰電高層次人才和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)。實(shí)施海外人才引進(jìn)政策，促進(jìn)人才開展國際交流。