动力电池失效原因分析与解析技术

1.精彩观点

热失控主要有以下两方面原因：外部原因包括机械滥用、电滥用、热滥用等；内部原因诸如高比能化与快充导致发热量增加，温升升高副反应增加，内阻增加不一致性放大导致析锂胀气等。

2.核心内容

动力电池失效导致的新能源汽车自燃为何频繁发生？动力电池失效会导致哪些后果？动力电池失效都有哪些原因？如何降低电池失效风险。独家分享了电池失效背景；电池失效原因分析；电池失效原因整体分析解析技术逆向分析方案；电池失效原因整体分析解析技术正向分析方案等内容。

以下为演讲PPT（部分）：

“刀片电池”将带领磷酸铁锂回归？

撰写 1月17日

导读：从新能源汽车电池安全、寿命等多方面考虑，磷酸铁锂电池还是有其自身优势的，将来能否超过三元电池，还需要“刀片电池”在市场中的验证。

在近日举办的百人会论坛上，比亚迪董事长王传福表示，比亚迪将会开发新一代磷酸铁锂电池——“刀片电池”，并于今年量产。全球首款搭载“刀片电池”的车型比亚迪“汉”有望于今年6月上市

续航600公里 寿命长达8年

据了解，比亚迪“刀片电池”采用了GCTP 技术，单体电芯较传统方形电池更加长和扁平。比亚迪专利显示，该电池度最长可以达到2500mm，是传统磷酸铁锂电池的10倍以上。

该产品的优势在于能够提高电池包50%的能量密度，减少电池包约30%的制造成本。而且，长条形电芯具有很好的散热效果。

这样一来，不仅电池可以拥有更长的续航能力，磷酸铁锂电池寿命长，安全性高的优点也同时保留。据推测，被比亚迪称为“超级铁锂电池”的“刀片电池”续航里程高达600公里，寿命长达8年120 万公里。

比亚迪的超级磷酸铁锂电池将锂电池单体进一步做大，并且减少模组环节来进一步提高体积能量密度。预计2020年，磷酸铁锂电池成本有望降低到0.5-0.6元，从而进一步降低电动车成本。

2020年公司正在进行新一代高压实密度磷酸铁开发以及低成本磷酸铁研发。与贝特瑞合作开发的高压实磷酸铁项目已经量产，与国轩高科合作开发高压实磷酸铁中试验证验证即将量产，与比亚迪“刀片电池”匹配产品在进行认证。

磷酸铁锂要回归？

动力电池是新能源汽车提供动力来源的核心部件，市场主流的动力电池主要有三元锂电池和磷酸铁锂电池两种。目前应用最广泛的是三元锂电池，典型代表是特斯拉使用的镍钴铝，以及镍钴锰等电池产品。磷酸铁锂电池能量密度不及三元锂电池，不容易满足补贴要求，因此在补贴退坡和里程要求提升情况下，磷酸铁锂逐渐被市场抛弃，作为主推的磷酸铁锂电池的比亚迪，也一度大规模使用三元锂电池，继而在电池领域被宁德时代超越。

数据显示，2019年1-12月，我国动力电池装车量累计62.2GWh，同比累计增长9.2%。其中三元电池装车量累计40.5GWh,占总装车量65.2%，同比累计增长22.5%；磷酸铁锂电池装车量累计20.2GWh，占总装车量32.5%，同比累计下降9.0%。2019年装机量排名前4的企业分别为宁德时代、比亚迪、国轩高科和亿纬锂能，头部企业的出货和产能集中度较高。

比亚迪重新回归磷酸铁锂路线是否意味着磷酸铁锂电池要回归呢？

目前，磷酸铁锂电池在新能源专用车及新能源客车的电池应用上，装机量都达到了80%-90%。受CTP技术的影响，磷酸铁锂电池在乘用车方面的装机量将会有所回升。

有机构认为，“刀片电池”是从车辆、电池包、电芯整体层面开发的新的解决方案，结构改进的效果非常明显，从数据结果分析，或许也存在改进电芯内部材料的可能性。

虽然被普遍看好，但是业内对于“刀片电池”还是有着不同的声音。

业内看法不一

有专家认为，“刀片电池”只是电池结构设计上的创新，可能会提高提高电池包体积能量密集和质量能量密度，但并不是材料上的技术突破，对提高单体能量密度意义不大。这和宁德时代此前法兰克福车展上发布的CTP技术类似，都是对电池系统结构上进行调整。

2019年9月，宁德时代推出了全新的CTP方案（Cell To Pack），改变了原有的电芯-模组-电池包结构，电芯直接集成到电池包，北汽EU5将成为首款搭载该电池的车型。该电池体积利用率提高了15%~20%，电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，电池包能量密度提升了10%~15%，能量密度可达 200Wh/kg。此外，特斯拉、蜂巢能源也有布局 CTP 电池技术。

动力电池系统或电池包一般由数个电池模组组成，每一个模组有单独的控制系统。模组数量大幅减少，电池包内部结构更加紧凑，成组效率不断优化提高，内部零件数量大幅减少。这样提高电池包能量密度，同时降低了电池包成本。

但是也有观点认为，虽然“刀片电池”对电芯尺寸，内部设计等方面进行了改进，但同时降低了电池的安全性，例如电池组散热、电芯结构稳定性等问题。

近年来，电动车安全事故频发。据统计，大部分是电池起火引起的。为了提升续航里程，如今的车企大多采用镍成分比例较高的三元锂电池，在续航里程提高的同时，电池安全性成了一大隐患。

三元锂电池热失控温度低于300度，三元锂电池在进行2000次充放电循环后就会出现衰退；磷酸铁锂电池热失控温度普遍在500度以上在循环寿命上大约3500次后容量才开始衰减，可以看出磷酸铁锂电池在安全性以及循环寿命上的优势。

根据测算，2019年比亚迪新能源乘用车电池包平均成本为0.85元/Wh，替换成磷酸铁锂“刀片电池”后，成本有望下降30%，预计成本将下降至0.6元/Wh。作为如今平均水平，一辆纯电动乘用车用电池容量约为60kWh上下，如果替换成磷酸铁锂的“刀片电池”，单车电池成本将会下降1.5万元左右。

不管今后比亚迪“刀片电池”、宁德时代的CTP技术，还是以后的新技术，我们都要看到这些企业为降低动力电池系统成本所做的努力。他们对电池包内部结构进行了大量优化工作，少模组或者无模组将会是未来电池技术的趋势，都可以很好地解决新能源汽车续航里程和成本的痛点。

总之，从新能源汽车电池安全、寿命等多方面考虑，磷酸铁锂电池还是有其自身优势的，将来能否超过三元电池，还需要“刀片电池”在市场中的验证。

锂电池及材料计算模拟

2020年5月17日

背景

动力电池和消费类电池对能量密度、安全性提出了越来越高的要求，国家为了加速新材料和锂离子电池研发，“十三五”期间首次设立“材料基因组技术”国家重点研发计划，并希望通过材料基因组的高通量计算、合成、检测及数据库（大数据的机器学习和智能分析）的新理念和新技术加速锂离子电池的研发。目前锂电池及材料计算模拟已成为锂电池领域研究最具活力的研究手段之一。为了加强国内外相关人士在锂电池计算领域的最新研究进展交流，清华大学锂离子实验室、微算云平台与锂电前沿共同举办锂电池及材料计算模拟专题线上研讨会。研讨会围绕“锂电池与材料计算”的主题，以高端学术交流为重点，针对当前锂电材料计算在材料、物理、化学等前沿研究领域的新进展展开研讨，促进学术交流和技术进步。

1）锂电池材料吸附计算模拟：计算电池材料分子在特定材料或晶面的吸附能、吸附位、吸附量等。2）锂电池反应机理模拟：不同电流密度下的充放电曲线模拟、电极材料充放电过程中相转变、反应过渡态模拟、容量损失机理、反应电位演变、表面能、电荷传输机制等。3）离子扩散模拟：模拟离子在材料中的扩散，计算电导率和扩散迁移路径等。4）材料改性模拟：掺杂/包覆对电子结构、晶格结构、相结构、离子电导率、电子电导率、理论容量、电极电位、电压曲线、开路电压的影响等。5） 界面反应计算模拟：电解液/添加剂与电极/SEI膜界面相互作用、金属锂枝晶的生长和抑制机理、特定晶面的反应活性等。6）结构转变模拟：分析电极材料体积和结构变化，说明结构稳定性和循环性。7）SEI膜机理模拟：SEI膜的生长、成分、电导率、力学性质等模拟。8）固态电解质模拟：计算固态电解质的离子电导率和稳定性等9）谱学计算模拟：近边X射线吸收精细结构（NEXAFS）、NMR谱图、红外光谱、紫外可见光谱、拉曼光谱等。10）能带、态密度、投影分波态密度、差分电荷密度、弹性带方法、磁性结构、共价键、分子轨道、还原电位、原子互占位温度和电压对电极材料的影响、溶剂化自由能、界面稳定性和热力学稳定性等。

三元 VS 磷酸铁锂，谁才是国内动力电池界的“一哥”？

锂电前沿 前天

2018年6月份，Elon Musk在推特发表宣言，称想要从现有的NCA方向上继续减少钴的用量。

2月18日，一则关于特斯拉将使用宁德时代“无钴电池”的新闻迅速传开。在三元锂电池大行其道的当下，磷酸铁锂电池重回热点。

提到磷酸铁锂，相信大家并不陌生，但受限于当时的电池技术和国家补贴政策，磷酸铁锂一直在新能源商用车和储能领域发光发热。

近年来，是什么让磷酸铁锂又重新回到乘用车领域，与三元争“一哥”呢？下面，就让我们就来扒一扒这其中的原因。

01

什么是“磷酸铁锂”和“三元”？

两款电池的的负极、电解液及隔膜等均类似，最大的区别在于正极材料，并以此取名。

三元电池有NCM和NCA两类。NCA镍钴铝电池，主要应用于圆柱电池中，例如特斯拉。而国内绝大部分车型都采用NCM镍钴锰电池。

三元常见的表达方式还会在NCM后加一串数字，例如NCM523、NCM811等，代表了镍钴锰在材料中的大概比例。

02

两款电池在性能上有何差别？

受结构影响，磷酸铁锂和三元在性能方面各有优劣，我们从大家最关心的几个点依次分析：能量密度、快充性能、循环寿命、安全性、成本。

能量密度：

对于用户来讲，续航里程是首要关注点。在其他因素相同时，能量密度越高，意味着续航里程越长。

从电芯层面来讲，三元电池能量密度更高。磷酸铁锂正极材料的额定电压、理论比容量（mAh/g）均低于三元电池，且其能量密度已开发到“天花板”。

而三元NCM电池还可以通过提高Ni元素比例，进一步提高实际比容量（mAh/g），提高电芯能量密度。

注：电芯能量密度需结合电芯设计与工艺综合评估，表中值仅作参考。

快充性能：

快充时间，尤其是低温快充，作为制约电动汽车发展的关键因素之一，也是改善用户用车体验的关键点。

理论上，三元电池有优势。其二维的锂离子脱嵌通道与均衡的电解液设计，使得在充放电过程中，锂离子可以在一张面上快速移动脱嵌，充电速率自然就快了起来。

而磷酸铁锂结构因其一维的锂离子脱嵌通道，和侧重高温性能的电解液设计，导致其锂离子迁移速率慢，尤其是低温充电速率慢。这一特性直接影响了其在乘用车领域的应用。

循环寿命：

理论上，磷酸铁锂在寿命方面存在优势。其橄榄石晶体结构更稳定，膨胀更低、电化学反应更稳定。

安全性：

磷酸铁锂电池在安全方面具有无可比拟的优势。其正极电压低，不存在类似于三元的释氧热链式反应，热稳定温度可以达到300℃以上，而三元电池在150-200℃左右。

经济性：

价格上，目前磷酸铁锂LiFePO4有明显优势，原材料相对价格便宜，国内产业链相对成熟。

而想要降低三元NCM（LiNixCoyMn1-x-yO2）电池价格，钴元素是关键。钴主要是伴生矿，产量少且分布不均，全球钴矿主要集中在刚果（金），澳大利亚、古巴等地，约占全球储量的80%，2018上半年刚果（金）政局变动便造成钴价大幅波动，价格持续高涨。

粗略比较，磷酸铁锂要比三元价格便宜0.1~0.2元/Wh。对于一个50kWh电池包，仅电芯就可降本近0.5~1万元。这对整车生产厂商和用户都是一个不小的吸引点。

简单说，三元在能量密度、快充速度方面有优势，磷酸铁锂在循环寿命、安全、经济性上有优势。

但在电动汽车发展前期，电池包能量密度＜140Wh/kg，整车NEDC续航里程大多低于300km。当时影响电动汽车发展的瓶颈在于续航里程，且有国家补贴政策支持，可弥补经济性的不足，所以三元锂电池是首选。

03

为什么磷酸铁锂重返乘用车领域？

随着国家新能源补贴政策的退坡，新能源汽车要开始与传统燃油车赤身拼搏，各整车生产厂商都面临巨大降本压力。与此同时，磷酸铁锂电池被人诟病的能量密度和充电缺点，也在随着技术的发展得到改善。

能量密度方面：随着CTP（Cell to PACK），即是电芯直接集成为电池包技术的成熟，更高效电池包集成、更低整车能耗，磷酸铁锂车型的续航，已有能力提升至400km甚至500km以上。

充电方面：随着电芯快充、热管理、充电桩技术的发展，应用于乘用车的磷酸铁锂电池也基本可以做到与主流三元相同的快充速率。

成本方面：国家补贴政策退坡，NCM811电池虽降低了钴含量降低成本，但工艺复杂，现阶段生产成本较NCM523无明显优势。此时成本更低、寿命更长的磷酸铁锂电池，自然被更多车企选择，成为主流趋势。

1） 磷酸铁锂电池，充分发挥其在成本、寿命及安全方面优势主打中低端的车型和运营车，续航在400km左右。

2）三元依赖于其高的能量密度、更快的快充速度、更长的续航里程，主打中、高端车型，续驶里程≥500km。

根据市场端需求定位规划，为用户购车提供了更多的选择，不存在谁替代谁。相信今年一定陆续会有很多经济型的磷酸铁锂和高续航的三元车型上市。

至于特斯拉，在国内大概率会采用CATL的磷酸铁锂电芯，而“cobalt free”是否是要进一步减低三元电池中钴元素含量，研发新一代电池，还耐人寻味，让我们拭目以待！

固态电池产业化之路多艰

请关注→ 电池联盟 6天前

目前几乎所有大型车企、领先的电池生产商都在持续推进固态电池的研发和产业化探索。部分企业研发的固态电池也表现出比锂离子电池更明显的优势。但很多成果实际上仍停留在实验室阶段，实现产业化还为时尚早。固态动力电池在安全性、生产工艺以及与汽车配套后的一致性上都有更高的要求，这些都是企业必须攻克的难题。

作为被业界看好的下一代新型电池技术，固态电池近年来热度不断攀升，在业内形成了一股新的投资热潮。

日前，固态锂电池技术公司辉能科技（下称“辉能科技”）对外宣布已完成近亿美元D轮融资，投资方包括中银投资和一汽产业基金，本轮融资将用于固态锂电池的商业化落地和工厂建设。“我们今年预计完成1GWh车载固态电池产线的试车，2021年开始量产，将比同行早4—5年时间。”辉能科技表示。

深受企业追捧

记者了解到，辉能科技成立于2006年，在2013年实现了固态锂电池的商业化量产，早期应用于消费电子领域，近年来应用于新能源汽车领域。今年3月，辉能科技对外发布了全新堆叠式固态锂电池（SSB）。资料显示，与平常使用的液体或凝胶聚合物不同，SSB电池采用的是氧化物陶瓷电解质，可延长电池寿命，缩短充电时间，而且更加安全，不会发生火灾或爆炸。

“与目前使用的电动汽车锂离子电池相比，SSB电池重量更轻、更节能、更安全，总能量密度提高了29%—56%。”辉能科技公布的数据显示，目前，该企业的车载固态电池包能量密度已达190Wh/kg，预计在2022年可达270Wh/kg。

“我们研究固态氧化物路线已经超过13年，克服了材料瓶颈与量产工艺制备的挑战，创造出固态锂陶瓷电池芯、多轴双极电池包等独家专利技术，可同时解决电动车的安全问题和里程焦虑，而且使用寿命比传统锂电池长、可5C快充、耐高低温。”辉能科技创始人杨思枏强调。

事实上，辉能科技并不是唯一一个推进固态电池的企业，目前几乎所有大型车企、领先的电池生产商都在持续推进固态电池的研发和产业化探索，其中包括宝马、奔驰、松下和三星等跨国企业，以及国内的宁德时代、比亚迪、国轩高科、江苏清陶等企业。

“没有一个厂商是完全不关注固态电池的。对于下一代新技术方向，每个有实力的厂商都会关注、研究，以保持竞争力。”中国化学与物理电池行业协会秘书长刘彦龙坦言。

技术和成本等难题待攻克

虽然从技术和性能方面来看，固态电池都极有可能成为三元电池之后电动汽车的主流选择，但从目前进展来看，由于其产业化条件仍未成熟，发展仍然面临着很多困难。

“在固态电池的开发上，我们应该考虑四个因素——电解质与电极之间的稳定化学界面、用于表征的有效工具、可持续的制造过程，以及可回收性设计。”作为从事固态电池研究的机构之一，加利福尼亚大学圣地亚哥分校近日发布了一篇论文，重点探讨了固态电池技术发展面临的四大挑战。

“需要注意的是，我们应该考虑如何同时应对这些挑战，因为它们都是相互关联的。如果我们要确保全固态电池的技术是可靠的，那就必须找到同时解决这些挑战的方案。”加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的纳米工程学教授ShirleyMeng指出。

除了技术难关需要攻克，业内还普遍认为，由于固态电池成本过高，如果想要实现批量化生产，与锂离子电池同台竞争，恐怕尚需不少时日。

“比如固态电解质能否实现快充这个问题，我认为如果用双核心技术，辉能科技的固态电池在能量密度上基本是等同于采用了相同的活性材料，即能够达到快充状况。”杨思枏举了个例子来描述固态电池的高成本问题。“唯一的问题就只有固态电解质本身的价格了。”

多项进展尚停留在实验室阶段

记者注意到，为能够在下一代电池技术更迭时抢占先机，目前已有很多动力电池企业在积极研发与固态电池相关的技术，同时也获得了一定的突破。然而在产业化的问题上，业内普遍认为还是为时尚早。

“固态电池要想产业化还很难。”刘彦龙表示，目前很多企业的固态电池试验样本是做出来了，但大部分还处于实验阶段，能否达到车规级应用还有待考证。

比如三星日前发布了关于固态电池研究的最新进展，在困扰全固态电池量产的锂枝晶与充放电效率问题上提出了解决方案。资料显示，使用该技术的电池在体积上会比相同容量传统锂离子电池缩小50%，单次充电可达800公里续航，循环次数高达1000次。但记者注意到，这项技术目前仅在实验室中得到验证，短期内还无法投放市场。

同样表示无法量产的还有其他企业。辉能科技日前坦言，新研发出来的SSB电池，目前还难以实现大规模量产和应用。而宁德时代的一位电池开发负责人此前更是直言：“宁德时代的全固态电池还在开发中，也制作了样品，但要实现商品化，恐怕要到2030年以后。”