电动汽车锂离子动力电池的基本构成有哪些？

锂动力电池的构造主要包括正极、负极和电解液。正极通常由含锂化合物构成，负极则由碳素材料组成，而电解液为非水液态电解质。在充电过程中，正极的锂原子失去电子，形成锂离子，通过电解液运动到负极，并与电子结合，还原成锂原子嵌入负极碳层。放电过程则相反，负极的锂原子失去电子，形成锂离子，回到电解液中，运动到正极，并与电子结合，还原成锂原子嵌入正极。这种锂离子在正负极材料之间往返脱嵌的过程，使得电池被称为“摇椅电池”。目前主流的锂电池正极材料有LFP（磷酸铁锂）和NCM（镍钴锰酸锂，也称三元锂电池）。LFP具有高安全性、长循环寿命和低成本等优点，但能量密度较低，不耐低温。而NCM电池则具有高能量密度和良好的低温性能，但安全性较差，且含有有毒有害的钴金属，成本较高。此外，NCA（镍钴铝酸锂）也是一种常见的正极材料，但受专利限制，国内动力电池多采用NCM方案。负极材料方面，目前普遍采用石墨。在首次充放电过程中，石墨表面会形成一层SEI膜，导致锂离子减少，造成电容量损失。而钛酸锂作为负极材料，具有更高的嵌锂电位和热力学稳定性，能有效避免锂枝晶的产生，提高安全性。锂电池电芯的构造主要有卷绕结构和叠片结构两种。圆柱电芯采用圆形卷绕工艺，具有尺寸小、成本低、工艺成熟等优点，但重量较重，散热性能一般。方形电芯则采用方形卷绕工艺，具有更好的散热性能和可靠性，但成本较高。软包电芯则具有质量轻、尺寸灵活等优点，广泛应用于3C数码领域，但在车用领域，由于工艺不成熟，成本较高。动力电池除了电芯外，还包括模组和电池包。模组由多个电芯组成，通过框架保护电芯。电池包则包括模组、BMS（电池管理系统）、高低压线束和热管理组件等，是直接提供给总装厂的最终形态。从技术角度来看，动力电池可分为电芯技术、成组技术和BMS技术。电芯技术涉及原料、制作工艺等；成组技术包括结构设计、电连接和线束设计；BMS技术则关系到电池的安全管理和性能优化。国家对动力电池的发展期望是，到2020年，单体电芯能量密度达到350Wh/kg，2025年达到400Wh/kg，2030年达到500Wh/kg。目前，商用动力电池的能量密度仍有较大提升空间，需要行业各方共同努力，以解决电动车续航问题。电动汽车锂离子动力电池的基本构成包括正极、负极和电解液。正极材料主要有LFP和NCM，负极材料普遍采用石墨。电芯构造有卷绕和叠片两种形式，模组由电芯组成，电池包则包括模组、BMS等。动力电池技术涵盖电芯、成组和BMS三个方面。国家对动力电池能量密度有明确的发展目标，但目前商用电池能量密度仍有提升空间。

锂动力电池，先从最基本的单元CELL(电芯)说吧。

简单地说其构造，是由正极(含锂化合物)、负极(碳素材料)、电解液(非水液态电解质)构成。

充电时，正极上的锂原子失去电子，被氧化成了锂离子(脱嵌)，然后在电解液中运动，跑到了负极，与流经外部电源的电子互相结合，又还原成了锂原子，嵌入到了负极碳层的微孔中。

放电时，就是相反的一个过程，镶嵌在负极碳层中的锂原子，失去了电子，被氧化成了锂离子，回到电解液中，运动到了正极，与流经负载的电子结合，再度还原成了锂原子(嵌入)。

所以，充放电过程中，锂离子在正负极材料之间往返脱嵌，这种电池又被形象地称为“摇椅电池。”

现在的主流锂电池的正极材料为LFP(磷酸铁锂)和NCM(镍钴锰酸锂，也叫三元锂电池)。

这个大家都应该很了解了，LFP(磷酸铁锂)的安全性高(耐高温)，循环寿命长，原材料资源相对丰富(成本低)。但缺点也很明显，不耐低温，能量密度相比NCM要低。

而NCM(镍钴锰酸锂)电池耐低温比较好，能量密度高，但安全性(耐高温)不行，且里面的钴金属属于有毒有害金属，且价格高昂。

NCM(镍钴锰酸锂)还有个兄弟NCA(镍钴铝酸锂)也是常见的正极材料，但是NCA的日本专利比较多，卡得比较死，所以国内的动力电池的正极基本都用的是NCM方案。

比如国内动力电池大牛宁德时代最近两年推出的811高能量密度电池，就是NCM,电池的镍钴锰配比为8：1：1.

现有动力电池的负极材料基本都是以石墨为主，在首次充放电(化成流程)会形成一个SEI膜，一种固体电解质界面(不可逆的锂化合物)，使得锂离子减少，造成一定的电容量损失。

电池在长期使用的过程中，比如过充时，会产生锂枝晶，减少电量的同时也会有一定的安全隐患。而钛酸锂比石墨拥有更高的嵌锂电位，有效避免金属锂的析出，且有着比石墨更高的热力学稳定性，不易引起电池的热失控，具有更高的安全性。

说了锂电池的原理，再说下锂电池电芯的构造。

它的极芯一般有两种构造，一种是卷绕结构(圆形卷绕，方形卷绕)，一种是叠片结构。

比如我们最常说到的圆柱电芯，用的工艺就是圆形卷绕，尺寸小，成本低，工艺成熟，一致性好，但是偏重，散热不佳。特斯拉基本所有的车配的就是这种圆柱电芯，因为技术可控加成本低。

而另一种方形卷绕的方形电芯，则散热好，可靠性高，空间利用率高，但国内早期方形电芯的模具统一，如果要单独设计，则需要高昂的开模费，成本较高。

比如小鹏的P7，新上市不久的G3等车型，蔚来的车型都是采用的方形电芯(但蔚来ET7据说采用软包电芯)。

最后一种就是层叠的软包电芯，质量轻(能量密度高)、尺寸变化灵活，实际软包电芯早就一统3C数码的江湖，软包电芯占比80%以上，基本所有的手机电池都是软包电芯。但是因为国内车规级的软包工艺不成熟的原因，车用合规品的成本较高。

但国外的软包电芯，LG化学，AESC，SKI的软包电芯的技术较为成熟，生产的软包电芯供给了通用、福特、现代、大众、沃尔沃、日产、马自达、雷诺、起亚等旗下的部分电动车型。

上述说的主要是CELL(电芯)的组成，接下来说动力电池的其他组成部分。

电芯(Cell)：正极、负极、隔膜、电解液封装在一个密闭空间内。

模组(Module)：将一定数量的电芯连接，放入一个框架中，该框架可以保护电芯受到外部冲击，缓解温度造成的影响。

电池包(Pack)：在模组之外的外包装(箱体、安装件、密封件等)，加上BMS(电池管理系统)、高低压线束、热管理组件。

PACK就是直接提供给总装厂的最终形态，也是装入电动汽车的一个完整零部件。

商用车Pack

乘用车Pack

如果按照技术来划分，也可分为动力电池技术(电芯)，成组技术(结构设计、电连接、线束设计)和BMS技术。

上图是一个技术上的汇总，从Cell的原料、制作工艺到Module的相关技术，再到BMS的设计理念，最后到PACK的完成所构成的一个闭环。

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说了这么多锂动力电池，最后再聊下国家对动力电池的一个发展期望。

2020年，单体电芯能量密度达到350Wh/Kg,2025年单体电芯能量密度达到400Wh/Kg,2030年达到500Wh/Kg。

单体电芯能量密度：电池容量/电池重量(Wh/kg)

系统能量密度：电池容量/Pack整体重量(Wh/kg)。

因为PACK比单体电芯重量要大，所以系统能量密度比单体电芯能量密度低。

但按目前的动力电池商用来看，小鹏P7的动力电池单体能量密度在170Wh/kg(采用宁德时代811早期版本的电池)，比亚迪刀片电池的单体能量密度为140Wh/kg(磷酸铁锂),宁德时代现在的811电池的单体能量密度为185Wh/Kg，而这已经算是国内成熟商用的最前列了。

所以，电池的能量密度均衡提高的路还很长，还需要多方的努力，才能让电动车的续航，不再成为令消费者头疼的问题。

参考资料：

1、电动汽车动力电池系统安全分析与设计王芳夏军等著2018.3

2、电动汽车动力电池系统设计与制造技术王芳夏军等著2018.1

3、中国人民共和国国务院办公厅，国务院印发《中国制造2025》2015.5.19

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