与热管理、电池材料和全固态电池有关的电动车电池技术

宣传海报（国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering）

  2021年国际电池及电动车科技线上展会由全球最大的会展主办机构Informa Markets–Engineering于2021年5月18日至20日组织举行。

  由于新冠疫情危机仍在持续，今年的国际电池及电动车科技展会连续第二年以线上形式举行。在去年的展会中，只有第三天的展会议程专门讨论了欧洲地区在相关领域的发展动态，今年的会议和展览则完全聚焦欧洲市场。

  今年的展会对电池材料和技术领域最新的研发动态进行了深度解读，所关注的主要话题包括电池全生命周期的可持续性、热管理、续航里程的延长以及快速充电。

  此外，展会期间还举行了多场令人关注的小组讨论，参与各方探讨了多个热点话题，包括电池原材料的长期供应、全固态电池的可行性以及是否需要二次利用或回收旧电池。

  二氧化碳排放法规是促使混动车、插电混动车和纯电动车在当下取得巨大发展的主要因素。为了避免缴纳高额罚款，各整车厂被迫投入大量资金开发电动车型。同样，相关法规也必然会对电动车和电池技术的未来发展产生巨大影响。

  本次在线展会共举行了50场会议，设置了约200个虚拟展台，参访总人数据称达3,000人以上。

  Informa Markets–Engineering计划在不久后恢复线下会议和展览，具体日程如下：

• 于2021年9月14日至16日在美国密歇根州诺维（Novi）举办北美电池展，网站：www.thebatteryshow.com
• 于2021年11月30日至12月2日在德国斯图加特（Stuttgart）举办欧洲电池展，网站：www.thebatteryshow.eu

  本次展会相关报告由三个部分组成，阐述了展会上的部分演讲和小组讨论内容。

  第一部分介绍了电池生产和电动车市场当前的发展趋势和未来展望。

  第二部分介绍了整车厂和零部件供应商在电动车技术领域的发展动态。

  本报告为第三部分，将重点说明电池技术的最新发展趋势。

2021年国际电池及电动车科技线上展会系列报告：
电动车电池和逆变器技术、快速充电及电池回收利用（2021年7月）
电动车市场和电池生产的当前趋势和未来展望（2021年7月）

相关报告：
发挥储能系统作用的电动车（2021年6月）
2020年国际电池及电动车科技线上展会（2021年1月）
第29届亚琛年会-可持续出行（2020年12月）
全球主要国家和地区的电动动力总成市场预测（2020年10月）
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分析报告 锂离子电池（2020年9月）
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演讲者：Michael Schönleber博士，德国电池初创企业Batemo GmbH联合创始人兼首席技术官

  首先上台演讲的是成立于2017年的德国电池初创企业Batemo，该公司专注于为电池系统开发进行电池建模并提供模拟解决方案。在汽车行业，Batemo帮助整车厂和零部件供应商加速开发电池系统。Batemo的技术强项之一是快充，该项技术对于电动车的成功至关重要。

  在演讲中，Michael Schönleber博士介绍了对于特斯拉Model 3电芯的热模拟研究结果。Batemo从特斯拉Model 3的电池中取出一颗电芯，将其置于该公司自主研发的电池组模型中，以使电芯拥有与Model 3实车相同的测试环境。Michael Schönleber博士展示了Batemo如何利用该电池组模型研究热管理设计决策对于快充的影响。

Batemo电芯的特点

  Batemo电芯具备三大特点——真实性、参数化和有效性。

  Batemo在模型中使用的参数都是完全真实的。Batemo电芯是实体电池的一种真实数字孪生模型，这意味着如果实体电池出现固态扩散的话，Batemo电芯也会出现相同的情况。

Batemo电芯特点：真实性 （国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering，图片出处：Batemo GmbH）

  Batemo已经创建了涵盖市场上多种电芯的Batemo电芯资料库。此外，Batemo还可为包括原型电池在内的各种电池创建定制化Batemo Cell模型。

  Batemo电芯的第三个特点是其全面有效性，这意味着模型已经通过了验证，可以准确预测电芯制造商指定的所有温度、电流和荷电状态条件下的电芯表现，包括电芯在-20℃至80℃的温度区间、高脉冲充放电电流以及所有荷电状态下的性能。

  Michael Schönleber博士通过两张图表展示了Model 3电芯的测量数据。

  左侧图表显示了Model 3电芯在不同温度下的恒定电流放电表现。灰色线条表示测量值，橙色线条表示Batemo电芯的模拟值。请注意低温和高强度电流条件下的电芯表现：电压先迅速下降，在电芯得到加热后电压再次上升。模型涵盖了电芯的所有特性。

  右侧图表显示了脉冲测量值，从中可以看出电池的荷电状态依赖性是否与温度变化准确匹配。图表还直接反映了电芯变热的过程以及再次冷却所需的时间。

Batemo电芯特点：参数化	Batemo电芯特点：有效性

（国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering，图片出处：Batemo GmbH）

根据电芯模型创建电池组模型

根据电芯模型创建电池组模型 （国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering，图片出处：Batemo GmbH）

  Schönleber博士继续在演讲中展示了Batemo如何通过电力和温度从Model 3中分离单体电芯来创建电池组模型。他指出，为电池组建模非常简单，基本只需要将各部分结合成整体即可。这意味着需要将各个单体电芯以并联和串联的形式正确相连，并对其与冷却液之间的热交互作用进行建模。

快充

单体电芯和电池组电芯的快充表现对比 （国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering，图片出处：Batemo GmbH）

  最后，Schönleber博士解释了如何利用电池组模型来研究电池组结构和冷却策略对快充的影响。

  首先他举例对比了单体电芯和电池组电芯的快充表现。将Model 3的单体电芯电量从5%充至80%需要约20分钟，而在相同情况下电池组电芯的充电时间则增加了25%。产生这一结果的主要原因是在限定的温度区间内，由于热边界条件不佳，电池组电芯的返回电流必须更强。

  随后他介绍了冷却系统的作用。电池组的热量通过流经管道的冷却液排放出去。然而，如果冷却过度的话，负极表面会更早出现最低电势。为了避免之后的金属析出风险，充电器会收回电流。这意味着过度冷却会导致充电时间增加。根据这一原理，可以制定出优化整个电池系统的冷却策略。

  此外，冷却系统的设计也可以进行优化，其中关键在于对冷却系统中冷却液与电芯的接触部位进行优化。这个部位的面积越大，快充性能就越好。在建立起相应的模型后，就可以直接量化设计优化的效果，并且这一过程可以一直持续到客户体验阶段。以上是建模开发和模拟能使电动车开发受益巨大的例证之一。

冷却策略效果	不同结构的效果

（国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering，图片出处：Batemo GmbH）

系统成本优化 （国际电池及电动车科技线上展会，主办方：Informa Markets–Engineering，图片出处：Batemo GmbH）

  Schönleber博士最后举例说明了充电器尺寸大小对于充电时长的影响。如果充电器过小，就没有足够的电流，充电时间就会过长。相反，如果充电器过大，对于充电时间的影响很快会出现饱和，因为这样做会引发电池过热的风险以及析锂限制，使高强度电流只会维持很短的时间。重点在于通过模拟发现充电器尺寸在高效充电方面的正确平衡点。

  在演讲结束前，Schönleber博士给出了他的结论，即建模开发和模拟是处理所有这些复杂设计问题的关键所在，也是汽车行业加速电池系统开发和应对主要挑战（尤其是与快充相关的挑战）的必由之路。

主持人：Gavin Montgomery，Wood Mackenzie（全球能源、化学品、金属和矿业研究和咨询公司）电池原材料总监
小组成员包括： 
George Heppel，CRU（矿业、金属和化肥行业研究和咨询公司）分析师
Alison Saxby，Roskill（重要原材料供应链情报研究和咨询公司）总经理
Joni Lukkaroinen，Terraframe Ltd（生产镍、锌、钴和铜等多种金属的矿业公司，在芬兰索特卡莫（Sotkamo）拥有矿山和冶炼厂）CEO
Anne Oxley，Brazilian Nickel PLC（电动车、可持续能源和航天技术领域的镍钴产品供应商）技术总监

  在本次小组会议中，与会各方就原材料的供应能力对于电池和电动车行业的影响进行了讨论。

电池材料的供需

  小组讨论一开始，主持人Montgomery先生表示今年锂、钴和镍的价格均显著增长。由于铜和铁的原材料价格也大幅上涨，业内已经开始议论冶炼厂和矿区是否需执行新的超级周期。因此，Montgomery先生向小组成员提出的第一个问题便是目前的供应系统前景是否能满足车企的预测需求。

  Heppel先生认为答案取决于具体商品。CRU（咨询公司）当前极为关注2025年前后钴的可获得性。相比之下，像镍和锂这样的商品则并不缺少矿产供应商。

  Saxby女士认同上述观点，并表示她认为锂供应还存在提炼能力不足的风险。此外，她认为有可能会出现从小项目到更大项目的根本性转变，当然这需要相应的投资以及针对开发项目的规划和支持，对于欧洲而言尤其如此。

  Lukkaroinen先生指出，由于镍是一种大宗商品，且目前在电池中的应用比例不高，因此从电动车的角度来看并不被认为是一种关键元素。不过他强调，除了产量以外，也要关注镍在生产过程中的碳足迹表现以及产品的质量，这一点很重要。

锂领域的挑战

  随后，Montgomery先生询问了大家对于锂领域挑战的看法。

  Saxby女士认为，挑战来自于向可持续性转变的过程。目前，锂的碳足迹水平很高：全球50%的锂在中国进行提炼，而锂矿从澳大利亚、非洲和其他地区通过海运运往世界各地。她认为未来欧洲需要更多的锂供应。例如，芬兰Keliber公司的锂项目就是在成本方面具备全球竞争力的供应源。

  接着，主持人表示大多数车企似乎都不太担心锂供应，并问小组成员这些车企的做法是否正确或者是否被误导了。

  Heppel先生认为关注锂供应是有必要的，尤其是在锂需求出现迅速增长的情况下。他表示锂领域的主要问题在于投资，而且锂市场的波动性很大，事实上并没有一种各方能达成一致的价格。在他看来，车企不太可能投资采矿业务，而会更多地参与原材料相关的事宜，如与正极材料和电池制造相关的企业签署协议、建立合作关系。

  Lukkaroinen先生表示当Terrafame于5年前成立时，镍还是一种行情很差的商品，远未像现在这样具有吸引力。没有公司会对投资镍产生兴趣，而现在我们已经实现了镍的批量生产，由此可见事情发展得是如此之快。很显然，现在大家都认为镍将成为十分具有吸引力的商品之一。他还表示其他电池材料的行情也将很快迎来改变。

  Oxley女士同意Lukkaroinen先生的观点，并表示大多数矿业公司生产的产品事实上并不能满足市场需求，因此有必要投资和开发新项目。

  Saxby女士最后补充道，美国和欧洲的法规以及相关企业设定的宏伟目标也是促成镍市场发生变化的因素，并使这种变化更明显地展现在公众眼前。

不断演变的电池化学元素构成和新电池技术

  Montgomery先生指出，去年欧洲和中国的电动车销量表现给电池行业注入了些许信心，但他认为电池的化学元素构成仍存在不确定性。他接着表示，几年前市场上全都是NMC622（锂镍钴锰氧化物）电池，后来又出现了高镍电池。去年磷酸铁锂电池再次流行起来。全固态电池也即将问世，大众汽车正在探讨高锰电池的可行性。Montgomery先生向小组成员询问，这些不断演变的电池化学元素构成是否给电池行业投资带来了挑战。

  Oxley女士回答道，过去几年中建成了许多与当前电池化学元素构成（包括磷酸铁锂、镍钴、锰和铝等）相关的基础设施。目前，研究人员正投入大量精力提高磷酸铁锂电池的续航表现。里程焦虑仍然是一个大问题。Oxley女士认为新电池技术距离真正实现应用还有很长的路要走，未来几年内车载电池的化学元素构成不会发生很大变化，但以后这种变化一定会出现。

  Saxby表示，她认为今后十年碳酸锂和氢氧化锂基本将成为电池中的主要化合物。她还表示，这种变化需要时间。在负极中使用金属锂的全固态锂电池需要一系列新技术才能实现。鉴于目前全球仅有两家生产这种固态锂电池的厂商，要实现其应用还需要很长时间。因此，她认为负极的化学成分不会发生太大改变。电池中还将会加入少量硅元素。但总体来说，未来十年的电池化学成分构成将基本保持不变。

  Heppel先生表示全固态电池技术显然已经得到了认可，使用全固态电池的例子比比皆是，有几家整车厂已经生产出了使用全固态电池的车辆，但现在的问题是这些车的实际成本会有多高。

  Lukkaroinen先生则认为，电池原材料出现严重短缺只是时间问题。因此他认为电池行业的确需要上文提及的这些变化，全固态电池可能会是解决方案之一。他强调，现在应该厘清未来十年电池行业的发展趋势，因为开发一个新矿山项目至少需要十年。当然，这样的任务在如今这样多变的环境中是极具挑战性的。

关于钴的可持续供应

  Montgomery先生向Heppel先生提问，在明知钴不是正极材料流行化学元素的情况下，目前是否还有公司愿意投资新开铜钴矿山。

  Heppel先生答道，钴仍是降低高镍电池热失控风险的重要安全材料。即便是目前正在开发中的镍含量最高的正极材料（如庄信万丰（Johnson Matthey）开发的增强型镍酸锂（eLNO）正极材料）也含有微量钴成分。他认为目前不可能生产出无钴的高能量密度电池正极材料，这种正极材料的问世仍需时日。

  最后，主持人询问Lukkaroinen先生，让他谈一下矿业公司需要采取哪些措施才能确保可持续生产。

  Lukkaroinen先生认为，关于钴目前存在很多人权和合法性方面的压力。镍生产在可持续性方面的标准很高。欧盟的法规迫使矿业公司以可持续方式进行生产，但现在仍然缺少为可持续采矿设立官方标准的认证系统。目前全球存在多套不同的可持续采矿标准，芬兰已经成为继加拿大后率先制定可持续采矿标准的国家之一，该国的所有矿业公司都承诺遵守该标准。他强调，采矿活动的碳足迹表现很重要，矿业全价值链的可追溯性应该得到改善。

主持人：何晓溪，IDTechEX（新兴技术市场研究和咨询公司）高级技术分析师
小组成员包括：
Holger Althues，Fraunhofer IWS（物理和材料工程基础知识以及系统开发等领域的技术应用研发公司）部门经理
Pirmin Ulmann，b-science.net（储能领域的研究和咨询公司）联合创始人兼CEO
Mark Copley，华威大学制造工程学院机电材料系副教授

  本次小组讨论中，三位专家就全固态电池的未来发表了各自的看法。

全固态电池技术

  在简短的自我介绍后，主持人何女士向小组成员提问，让他们介绍一下目前正在研究中的各种全固态电池的大致分类。

 Altues先生答道，划分全固态电池的方法之一是确认固态电解质的类型（包括亚硫酸盐、氧化物和聚合物）。另两位小组成员基本认同这种分类方法。Copley指出由聚合物和氧化物混合而成的固态电解质也显示出了应用潜力。对于负极材料而言，他认为在使用液态电解质的锂离子电池中，金属锂是传统石墨的最佳替代品。但他也指出最近出版的一些刊物将无负极电池作为一种选择。

  下一个问题是关于不同固态电池应用和技术具有的独特优势和瓶颈问题。

  Copley先生表示很难回答这一问题，而且他对固态电解质类型没有偏好。虽然亚硫酸盐的离子电导性看起来最高，但在可加工性和湿度敏感性方面有很大不足。相比之下，聚合物相对安全且容易加工，但离子电导性较差。氧化物则更安全一些，但加工难度也更大。他认为未来这一领域还会有更多技术出现。

  Althues先生基本认同Copley先生的观点，但他有明确偏好的固态电解质，即亚硫酸盐。他看到了亚硫酸盐在可加工性方面的进步，而且离子电导性似乎也在一定程度上得到了解决。此外，他还指出亚硫酸盐相比氧化物在可加工性方面具有冷压的特殊优势。他不否认湿度敏感性对于亚硫酸盐来说是一个关键问题，因为一旦与潮湿的空气接触后，亚硫酸盐会释放出硫化氢且电解质会发生降解。但他也指出当前电池生产普遍会尽可能避免潮湿环境。

  Ulmann先生指出，至少从电动车的角度来说，电池的安全性和能量密度是促进其进一步普及的两大主要因素，成本往往是放在最后考虑的。

材料创新：电解质和正负极

  接着，何女士让小组成员分享一下有关电解质和正负极以及封装材料创新的动态。

  Ulmann先生表示在前面讨论的三个类别中都出现了技术创新：

1. 以亚硫酸盐电解质为例，宁德时代在其中加入了盐，以防止锂枝晶渗透固态电解质层以及短路的发生。
2. 硅谷初创企业QuantumScape在氧化物电解质方面取得了巨大进展，能使电池在维持高电流密度的同时不会形成锂枝晶或发生短路。
3. 在聚合物电解质领域，一家名为Ionic Materials的公司已经发现了一种高导电性聚合物，这种聚合物不需要液态电解质，能在全固态电解质的情况下实现锂离子在电池内部的传导。采用这种聚合物的电池系统更安全、成本更低且能量密度更高。

  Copley先生说，他的关注点在于一些创新的电池结构方面。一些公司采用了多孔的石榴石型固态电解质（LLZO）并试图将其填入正极材料，以实现电芯中的灵活连接。此外他还表示正在关注Powder ALD对于正极材料涂层的可控性以及可调谐性的研究。

  Althues先生认同这三个类别领域都取得了进步和创新。他表示，看到无负极和无锂电池系统具备相当的可行性是十分激动人心的。他还提到，亚硫酸盐和氧化物电极已经显现出颇具前景的应用可能，因为它们在负极和电解质之间的接合面具有更高的可逆性。最后，他表示无负极电池系统将使电动车全固态电池的能量密度实现显著提升。

工艺创新

  下一个问题和工艺创新有关。

  Copley先生表示特斯拉目前在其工厂使用了Maxwell的挤压机技术（即干电极技术）。他认为这是一项令人关注且十分可靠的现有技术，且仍有进一步改进的可能。此外，他还注意到了湿法工艺向应用更高比例固态电解质（即便最终不能实现干法工艺）转变的趋势，这将有利于推广固态电池技术。

  Althues先生补充说，干电极技术完全取决于需要加工的材料类型，有些问题还尚待厘清。他也同意干法工艺是一项重要创新，目前看起来适合锂离子电池的生产，特斯拉计划在电池量产过程中引入这项工艺。他认为，干法工艺在去除溶剂、降低能耗和大幅削减设备安装空间方面具有显著效果。他承认了电池工艺的进步，并表示干法工艺的确是一项很有前景的创新，可以用于全固态电池的开发。

  Ulmann先生指出了区分不同工序的重要性。他举例说可以考虑在粉末加工和薄膜卷到卷加工工序中加入表面处理工序的可能性。

  主持人何女士接着表示低温性能表现对于大多数技术而言都是一大挑战。例如，聚合物电池系统需要加热至60至80度才能正常工作，而且有时候高温条件也有利于防止枝晶形成。她询问大家是否有解决这一问题的创新技术。

  Althues先生答道，在低温条件下使用金属锂时，三维结构可能是一种解决方案，但目前这种技术仍然存在难点。

  Ulmann先生认为，一般情况下电池系统的工作温度至少应达到20度。如果低于这一温度，系统就需要安装能将电池加热至20度的设备。在电动车中，电池尺寸往往足够大，应该有加热所需的足够能量。

  Copley先生补充说，可以在正极材料的选择方面进行一番考量。鉴于锂化和脱锂过程中电池体积会发生膨胀，业内企业纷纷转而采用镍含量更高的正极材料，但总的来看这种做法会使电池体积膨胀得更厉害。

未来技术

  随后，小组成员被要求谈一下对未来潜在技术（如无负极电池）的可行性及难点的看法。

  所有小组成员都认为未来无负极电池将具备很好的应用潜力。在无负极电池中，薄铜箔将取代用作负极的金属锂。充电时，锂离子从正极中导出后穿过电解质，然后均匀地在铜箔上完成电镀，这样放电过程就有了锂离子来源。电池的能量密度将显著提升。传统锂离子电池的石墨负极最高可占各构件总重的18%，因此在制造和回收过程中去掉石墨负极也能改善电池的成本效益。Althues先生认为最主要的难点在于接合面的高可逆性、固态电解质和负极接合面的设计以及高质量的固态电解质层。

全固态电池的回收利用

  本次讨论最后关注的是全固态电池的回收利用。

  Copley先生认为全固态电池回收利用的推行将极为依赖于法律。这一做法还存在许多技术难点，意味着需要投入研发成本。另一个重要问题是回收利用责任方的确定。

  Ulmann先生还指出，回收工艺和所需成本很大程度上取决于回收材料的有害程度。

  在讨论最后，Althues先生简单表述了他的想法，即如果使用无负极电池系统或者金属锂电池系统，就免去了回收石墨的必要，而石墨目前仍在电芯中大量使用。

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关键词
电动车、电池、锂离子电池、车载充电器、快充、热管理、冷却系统、特斯拉、Model 3、Batemo、固态电池、电解质、负极、正极、钴、锂、镍、石墨、回收利用、电动化

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