電芯性能的不一致，都是在生產(chǎn)過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內(nèi)的電芯，弱者恒弱，且加速變?nèi)?。單體電芯之間參數(shù)的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。

動力鋰電池，已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)了電動汽車電源江湖老大的地位。使用壽命長，能量密度高，還極具改進(jìn)潛力。安全性可以改，能量密度可以繼續(xù)上升。在可預(yù)見的時間里（傳說大約2020年左右）就可以趕上燃油車的續(xù)航能力和性價比，步入電動汽車的第一個成熟階段。然而鋰電池也有鋰電池的煩惱。

為什么鋰電池多數(shù)都是小個子

我們看到的鋰電池，圓柱電池，軟包電池、方形電池，一般都長相清秀，完全找不到傳統(tǒng)鉛酸電池那樣的大塊頭，這是為什么？

能量密度高，鋰電池往往不敢設(shè)計成大容量。鉛酸電池的能量密度在40Wh/kg左右，而鋰電池，已經(jīng)超過150Wh/kg。能量集中度提高，對安全性的要求水漲船高。

首先，單只能量過高的鋰電池，遇到意外，引發(fā)熱失控，電池內(nèi)部急劇反應(yīng)，短時間內(nèi)，過多的能量無處釋放，是非常危險的。尤其在安全技術(shù)，管控能力發(fā)展還不夠充分的時候，每只電池的容量都應(yīng)該克制。

其次，被鋰電池殼體包裹起來的能量，一旦出現(xiàn)意外，消防員、滅火劑無法觸及、無能為力，只能在發(fā)生事故時隔離現(xiàn)場，任事故電池自行反應(yīng)，能量燃盡為止。

當(dāng)然，出于安全考慮，當(dāng)前的鋰電池已經(jīng)設(shè)計了多重安全手段。拿圓柱電池為例。

安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部反應(yīng)超出正常范圍，溫度上升，并且伴隨生成副反應(yīng)氣體，壓力達(dá)到設(shè)計值，安全閥自動開啟，泄掉壓力。安全閥打開的一刻，電池完全失效。

熱敏電阻，有的電芯配置熱敏電阻，一旦出現(xiàn)過流，電阻在達(dá)到某一個溫度以后，阻值陡增，所在回路電流下降，阻止溫度的進(jìn)一步升高。

熔斷器，電芯配備具有過流熔斷功能的熔絲，一旦出現(xiàn)過流風(fēng)險，電路斷開，避免惡性事故的發(fā)生。

鋰電池一致性問題

鋰電池不能做成一大只，只好把眾多小電芯組織起來，大家勁往一處使，精誠合作，也能帶著電動汽車飛起。這時候，就需要面對一個問題，一致性。

我們?nèi)粘５慕?jīng)驗是，兩節(jié)干電池，正負(fù)極連接起來，手電筒就能發(fā)光，有誰管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用，情形卻并非如此簡單。

鋰電池參數(shù)的不一致主要是指容量、內(nèi)阻、開路電壓的不一致。不一致的電芯串并在一起使用，會出現(xiàn)如下問題。

1） 容量損失，電芯單體組成電池組，容量符合“木桶原理”，最差的那顆電芯的容量決定整個電池組的能力。

為了防止電池過充過放，電池管理系統(tǒng)的邏輯如此設(shè)置：放電時，當(dāng)最低的單體電壓達(dá)到放電截止電壓時，整個電池組停止放電；充電時，當(dāng)最高單體電壓觸及充電截止電壓時，停止充電。

拿兩只電池串聯(lián)舉例。一只電池容量1C，另外一只容量只有0.9C。串聯(lián)關(guān)系，兩只電池通過同樣大小的電流。

充電時，容量小的電池必然先充滿，達(dá)到充電截止條件，系統(tǒng)不再繼續(xù)充電。放電時，容量小的電池也必然先放光全部可用能量，系統(tǒng)即刻停止放電。

這樣，容量小的電芯始終在滿充滿放，容量大的電芯卻一直使用部分容量。整個電池組的容量總有一部分處于閑置狀態(tài)

2） 壽命損失，類似的，電池組的壽命，由壽命最短的那顆電芯決定。很大可能性，壽命最短的電芯，就是那顆容量小的電芯。小容量電芯，每次都是滿充滿放，出力過猛，很大可能最先到達(dá)壽命的重點。一直電芯壽命終結(jié)，一組焊接在一起的電芯，也就跟著壽終正寢。

3） 內(nèi)阻增大，不同的內(nèi)阻，流過相同的電流，內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱量相對比較多。電池溫度過高，造成劣化速度加快，內(nèi)阻又會進(jìn)一步升高。內(nèi)阻和溫升，形成一對負(fù)反饋，使高內(nèi)阻電芯加速劣化。

上面三個參數(shù)，并不完全獨立，老化程度深的電芯內(nèi)阻比較大，容量衰減也更多。分開說明，只是想表述清楚它們各自的影響方向。

如何應(yīng)對不一致性

電芯性能的不一致，都是在生產(chǎn)過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內(nèi)的電芯，弱者恒弱，且加速變?nèi)?。單體電芯之間參數(shù)的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。

當(dāng)前，工程師應(yīng)對單體電芯不一致，主要從三個方面考慮。單體電池分選，成組后熱管理，出現(xiàn)少量不一致時電池管理系統(tǒng)提供均衡功能。

1）分選

不同批次的電芯，理論上不放在一起使用。即使相同批次的電芯，也需要經(jīng)過篩選，把參數(shù)相對集中的電芯放在一個電池組里，同一個電池包里。

分選的目的，是把參數(shù)相近的電芯挑選出來。分選方法，被研究了很多年，主要分靜態(tài)分選和動態(tài)分選兩大類。

靜態(tài)分選，針對電芯的開路電壓，內(nèi)阻，容量等特性參數(shù)進(jìn)行篩選，選取目標(biāo)參數(shù)，引入統(tǒng)計算法，設(shè)定篩選標(biāo)準(zhǔn)，最后將同一批次的電芯區(qū)分成若干組。

動態(tài)篩選，是針對電芯在充放電過程中表現(xiàn)出來的特性進(jìn)行篩選，有的選擇恒流恒壓充電過程，有的選取脈沖沖擊充放電過程，有的對比自身的充電和放電曲線之間的關(guān)系。

動靜結(jié)合分選，用靜態(tài)篩選做初步分組，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動態(tài)篩選，這樣劃分出來的組別更多，篩選準(zhǔn)確性更高，但成本也會相應(yīng)上升。

這里就小小體現(xiàn)了一把動力鋰電池生產(chǎn)規(guī)模的重要性。大規(guī)模出貨，使得廠家可以進(jìn)行更精細(xì)的分選，得到性能更接近的電池組。如果產(chǎn)量太小，分組過多，一個批次都無法裝備一個電池包，再好的方法也無法施展了。

2）熱管理

針對內(nèi)阻不一致電芯，產(chǎn)生熱量不相同問題。熱管理系統(tǒng)的加入，可以調(diào)節(jié)整個電池組的溫差，使之保持在一個較小的范圍里。生成熱量較多的電芯，依然溫升偏高，但不會與其他電芯拉開差距，劣化水平就不會出現(xiàn)明顯的差距。

3）均衡

電芯單體的不一致，某些電芯端電壓，總是超前于其他電芯，最先到達(dá)控制閾值，導(dǎo)致整個系統(tǒng)容量變小。為了解決這個問題，電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計了均衡功能。

某一顆電芯率先到達(dá)充電截止電壓，而其余眾電芯電壓明顯滯后，BMS起動充電均衡功能，或者接入電阻，放掉高電壓電芯的部分電量，或者把能量轉(zhuǎn)移走，放到低電壓電芯上去。這樣，充電截止條件被解除，充電過程重新開始，電池包充入更多電量。

直到現(xiàn)在，電芯的不一致性，仍然是行業(yè)內(nèi)研究的重要領(lǐng)域。電芯能量密度再高，遇到不一致性來攪局，電池包能力也會大打折扣。

是什么決定了新能源汽車的續(xù)航里程？新能源汽車的續(xù)航主要取決于可用電量和整車能耗。

續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓

在相同能耗不變，電池包體積和重量不變都受到嚴(yán)格限制的情況下，新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。

圖1 電池包系統(tǒng)在整車中的布局▌什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個維度。

電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量，基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)

電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積，基本單位為Wh/L(瓦時/升)

電池的能量密度越大，單位體積、或重量內(nèi)存儲的電量越多。

▌什么是單體能量密度？

電池的能量密度常常指向兩個不同的概念，一個是單體電芯的能量密度，一個是電池系統(tǒng)的能量密度。

電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。M個電芯組成一個模組，N個模組組成一個電池包，這是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 動力電池系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

單體電芯能量密度，顧名思義是單個電芯級別的能量密度。

根據(jù)《中國制造2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，電池能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達(dá)到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。

▌什么是系統(tǒng)能量密度？

系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間，因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。

系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積

▌究竟是什么限制了鋰電池的能量密度？

電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。

一般而言，鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵：正極，負(fù)極，電解質(zhì)，膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，相當(dāng)于任督二脈，重要地位可見一斑。

圖3 方殼電芯結(jié)構(gòu)圖

我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢？

現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)極材料多以石墨為主，石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

根據(jù)木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。

磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V，三元的這一指標(biāo)則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。

當(dāng)然，除了化學(xué)體系，生產(chǎn)工藝水平如壓實密度、箔材厚度等，也會影響能量密度。一般來說，壓實密度越大，在有限空間內(nèi)，電池的容量就越高，所以主材的壓實密度也被看做電池能量密度的參考指標(biāo)之一。

在《大國重器II》第四集中，寧德時代采用了6微米銅箔，利用先進(jìn)的工藝水平，提升了能量密度。

如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜，你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。

▌如何提高能量密度呢？

新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面，我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進(jìn)行講解。

——單體能量密度，主要依靠化學(xué)體系的突破

01 增大電池尺寸

電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。

圖4 不同尺寸的圓柱電池對比

但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標(biāo)，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構(gòu)成電池單元的正負(fù)極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。

02 化學(xué)體系變革

前面提到，電池的能量密度受制于由電池的正負(fù)極。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。

高鎳正極

三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族，我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。

在圖5中幾種典型三元材料中可以看出，鎳的占比越來越高，鈷的占比越來越低。鎳的含量越高，意味著電芯的比容量就越高。另外，由于鈷資源稀缺，提高鎳的比例，將降低的降低鈷的使用量。

圖5 不同正極材料的克容量對比

硅碳負(fù)極

硅基負(fù)極材料的比容量可以達(dá)到4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極理論比容量的372mAh/g，因此成為石墨負(fù)極的有力替代者。

目前，用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式，已是業(yè)界公認(rèn)的鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負(fù)極。

在未來，如果想要百尺竿頭更進(jìn)一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口，業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負(fù)極型的電池體系，不過這也意味著整個電池制作工藝的更迭與精進(jìn)。

圖6 鋰離子電池電池體系的高能化發(fā)展趨勢

03 系統(tǒng)能量密度：提升電池包的成組效率

電池包的成組考驗的是電池“攻城獅“們對單體電芯和模組排兵布陣的能力，需要以安全性為前提，最大程度地利用每一寸空間。

電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式。

優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)

從外形尺寸方面，可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置，讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效。

拓?fù)鋬?yōu)化

我們通過仿真計算在確保剛強度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，實現(xiàn)減重設(shè)計。通過該技術(shù)，可以實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)電池箱體輕量化。

選材

我們可以選擇低密度材料，如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋，可以減重約35%。針對電池包下箱體，已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案，減重量約40%，輕量化效果明顯。

整車一體化設(shè)計

整車一體化設(shè)計與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計通盤考慮，盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件，例如防碰撞設(shè)計，實現(xiàn)極致的輕量化

圖7 整車集成模態(tài)仿真

圖8 整車集成模態(tài)仿真

電池是一個很全方位的產(chǎn)品，你要提升某一方面的性能，可能會犧牲其他方面的性能，這是電池設(shè)計研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動力電池屬于車載專用，因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。