2021年新能源汽车动力电池技术年度跟踪报告（简版）

《新能源汽车动力电池技术年度跟踪报告（2021年）》是电动汽车产业技术创新战略联盟2021年共性技术课题研究成果，由联盟动力电池专业委员会研究编制，是国内外车用动力电池技术进展及发展趋势的年度性跟踪报告。报告主体框架包括年度产业技术综述、年度重点技术进展、年度热点案例解析和年度专利分析。

01年度产业技术综述

2021年全球动力电池累计装机量为296.8GWh（数据来源：韩国市场研究机构SNE Research）。2021国内新能源汽车销量约352.1万辆，同比增长157.5%，市场占有率提升至13.4%，说明了新能源汽车市场已经从政策驱动转向市场拉动。我国动力电池累计产量为219.7GWh，同比增长163.4%；我国动力电池累计销量达186.0GWh，同比增长182.3%；我国动力电池累计装机量154.5GWh，同比增长142.8%（如图1所示）。我国动力电池装机量约占全球的52%。

图1 2021年国内动力电池装机量（数据来源：中国汽车动力电池产业创新联盟）

2021年国内电池企业装机量及市场份额如图2所示。2021年全年，我国新能源汽车市场共计58家动力电池企业实现装车配套，较去年同期减少13家，排名前3家、前5家、前10家动力电池企业动力电池装机量分别为114.6GWh、128.9GWh和142.5GWh，占总装机量比分别为74.2%、83.4%和92.3%。宁德时代以52%的国内市场占有率位居第一；比亚迪16%的占有率居于第二；分别排第三、第四、第五的是中创新航、国轩高科和LG新能源。

图2 2021年国内电池企业装机量及市场份额（数据来源：中国汽车动力电池产业创新联盟）02

年度重点技术剖析

2.1 动力电池关键材料技术

磷酸锰铁锂材料方面，理论容量与磷酸铁锂相同，为170mAh/g，但是它相对于Li+/Li的电极电势为4.1V，远高于磷酸铁锂的3.4V，且位于有机电解液体系的稳定电化学窗口，4.1V的高电位使得磷酸锰铁锂具有潜在的高能量密度。LMFP单独使用，材料做成极片压实密度可到2.3-2.5g/cm3，0.2C放电比容量可到140mAh/g以上，0.2C放电中值电压可到3.75V，材料相对于磷酸铁锂具有较高的能量密度，相对于三元材料具有较优的安全性能。

三元材料方面，在过去一年中，实现了第一代高镍NCM产品（Ni83）和第二代高镍NCM产品（Ni90）的大规模量产，目前在国内率先实现了Ni92~96的超高镍三元材料的技术突破，帮助多家电芯客户实现300~350Wh/kg以上高能量密度电芯项目的开发。图3是高镍材料一到三代的演变过程。

图3 高镍材料一到三代演变过程

富锂材料方面，基于离子交换设计了硫化的富锂材料（S-LLOs），具有307.8mAh/g的高放电容量，200次循环后的容量保持率高达91.5%，同时具有良好的电压保持率，倍率性能和热稳定性。通过在富锂材料表面沉积La，在块体材料表面外延生长紧密结合的钙钛矿LaMnO3涂层，这种设计结构可以有效地抑制阴离子氧化还原活性，减缓不可逆和有害相在循环过程中转变，稳定晶格结构，提高材料的整体导电性，能给出291.7mAh/g的可逆比容量。通过在富锂材料中双重掺杂Na+和F，增加Li+/Ni2+混排和Li2MnO3相含量，制备的材料在0.2C下比容量达296mAh/g。

镍锰两元层状材料方面，已完成大规模量产。图4对比不同Ni含量的无钴正极材料的容量、循环、热稳定性。从理化性能各项指标看，材料性能均达到行业领先水平。电池经测试，其性能如下：0.1C放电比容量194mAh/g，电压比三元高，倍率性能和三元正极材料相当，循环性能优异（97%），DSC温度高（230℃）。

图4 不同Ni含量无钴正极材料容量、循环和热稳定性

隔膜方面，行业已开发了基于超高分子量PE材料的高强度薄型基膜，目前能稳定量产4μm和5μm的基膜。同时开发了耐高温（150℃及以上）超薄无机涂层隔膜和有机树脂涂层隔膜。

电解质方面，在氧化物固体电解质领域形成了NASICON型LATP材料和Garnet型LLZO（锂镧锆氧）材料两大产品体系，在2021年进行新型固体电解质材料基础研究、LATP及LLZO性能提升和批量工程技术开发，巩固与加强公司的核心技术，储备具有前瞻性的新产品和新技术，推进固体电解质材料的产业化。在硫化物固体电解质领域，在经历了实验室克级-百克级发展之后，实现了公斤级制备的硫化物固态电解质，所得材料无杂相，颗粒尺寸在3μm左右，离子电导率稳定在5.88mS/cm，电子电导率4.75×10-10S/cm，完全满足硫化物全固态电池的应用。在卤素固体电解质领域，不仅卤化物电解质材料如Li3InCl6，其它代表性的无机电解质包括Li6PS5Cl、LLZTO都被成功地制成了大片的自支撑（8*6cm2），其厚度可低至15-20微米，基于高面容量电极（NMC811，3mAh/cm2）和LLZTO膜开发的实用型固态软包电池能量密度高达280Wh/kg，循环250次后容量保持率高达94.4%。在聚合物及复合固态电解质领域，在复合电解质制备的基础上，开发了卷对卷制备复合电解质的新技术，可实现低张力的、厚度小于20μm、幅宽大于500mm的复合固态电解质涂层卷对卷连续生产，年产能可达1000万平米，在固态电解质膜产业化方面，开发了基于原位聚合的界面精准调控技术和卷对卷式制备技术，可实现基于氧化物固体电解质的柔性固态电解质复合膜的连续制备。

电解液功能添加剂方面，现今常见的功能添加剂包括碳酸亚乙烯酯（VC）、硫酸乙烯酯（DTD）、二氟磷酸锂（LiPO2F2）及氟代碳酸乙烯酯（FEC）等，但同时兼顾低阻抗及高温和安全性能的添加剂较少，且部分添加剂的专利封锁难以突破。总体上，开发突破专利壁垒、低阻抗兼顾高温、高安全性能的添加剂，满足对应电解液闪点至40℃以上，点燃时间>10s，电池在-40℃-80℃稳定工作，电化学窗口>5.0V（vs.Li/Li+）的应用场景是未来功能添加剂的关键技术方向。

图5 电解液关键技术

预锂化技术方面，可分为负极预锂化和正极预锂化两种技术路线。目前国内头部电芯企业围绕金属锂负极预锂化工艺和设备均有大量研发和专利布局。已有头部企业发布应用“掺硅补锂”技术的高端动力电池产品。正极预锂化是通过在锂离子电池正极中添加补锂材料，电池充电过程中补锂材料不可逆分解释放活性锂达到电池预锂化效果。正极预锂化技术的核心是正极加锂材料，目前研究开发的有二元含锂化合物、三元含锂化合物和有机含锂化合物。目前相对成熟的正极预锂化材料包括镍酸锂Li2NiO2补锂材料，其理论充电容量512mAh/g，实际充电容量~400mAh/g，放电比容量~100mAh/g，有效加锂容量~300mAh/g。

2.2 动力电池单体技术

高比能固液混合电池方面，混合固液电池有望兼容液态锂电池的部分材料、大部份设备和工艺，综合平衡安全性、能量密度、功率密度、循环寿命、高低温性等性能，率先实现商业化，逐步提升液态锂电池的性能。涉及的主要核心技术包括复合金属锂技术、原位固态化技术、固态电解质和离子导电膜技术。综合以上技术的混合固液软包锂离子电池，很好地结合了液态和固态的优势，兼顾高能量密度、高功率、高安全特性，重量能量密度达360Wh/kg，体积能量密度达770Wh/L，常温1C充放电循环600次容量保持率达到80%，安全性较传统液态锂离子电池能到很大改善。

镍锰两元层状材料电池方面，通过阳离子掺杂提升结构稳定性，改善安全性和循环寿命；开发单晶化的正极材料，提升材料的机械强度，提升材料的循环寿命；对材料进行纳米表面包覆，减少与电解液的副反应，提升材料安全性和改善循环寿命等，在电芯层面，采用高速叠片技术降低内阻，开发高安全电解液等技术方案来改善电芯的安全性。韩国SDI、特斯拉、宁德时代、蜂巢能源等企业均致力于NMx无钴电池的开发及产业化工作。

尖晶石镍锰酸锂方面，目前材料可逆比容量达到135mAh/g（比能量634.5Wh/kg），高电压镍锰酸锂动力电池具有高能量密度、宽工作温度范围、高安全性、最低锂当量等优点。

2.3 动力电池系统集成技术

动力电池SOX动态高精度估算方面，提出了基于深度神经网络的电池SOC估计方法，实现了磷酸铁锂电池全SOC区间下SOC准确修正，最大误差小于2.03%。

图6 电池SOC估计方法示意图

该团队创新性地从电池正负电极的角度建立了更全面的电池SOH评价体系，其中包括正负极容量和初始SOC等电极老化参数，并基于此重构出完整的电池OCV曲线，实现了对不同电池单体、全寿命周期下充放电特性的准确描述。

图7 电池健康因子提取与OCV重构方法示意图

全气候电池技术方面，研发了一款安全、可靠且高效的全气候锂离子动力电池及系统，并在内蒙古海拉尔牙克石试验场进行了面向冬奥环境实车测试。其中，根据电池的类型、性能与外形，设计了加热片的阻值和形状，结合绝缘技术开发出了温升速率为7℃/min的60Ah软包电池。

动力电池系统车云智能管理技术方面，内短路和析锂是导致热失控的主要路径，并且可以通过云端检测进行相关热失控的预警。当前行业重点放在内短路检测引发的热失控上面，在线的析锂检测还缺乏有效手段。内短路是否导致热失控需要更多的判断因素，并依托于云端构建的复杂模型进行更为精准的预测。

图8 基于电化学机理和机器学习的热失控判定

2.4 新体系电池技术

目前，钠离子电池受到研究者广泛关注的正极材料主要包括层状氧化物、隧道型氧化物、普鲁士蓝类化合物和聚阴离子型化合物，其晶体结构示意图与特点见下表1。

表1 钠离子电池正极材料结构与特点

2.5 动力电池制造技术

高速叠片制造技术方面，叠片工艺具备接触界面均匀、内阻低、能量密度高、高倍率特性好、极片膨胀变形均匀等综合特点，已经成为未来电池结构的重要趋势。叠片工艺的电池边角处空间利用率更高，能量密度可提高5%以上；全生命周期更低变形和膨胀，循环寿命提升10%以上。边缘结构更简单，结构适应性更好，电池安全性更高。目前国内外主要采用叠片制造工艺的公司有LG新能源、比亚迪、中创新航、SK on、孚能等，以宁德时代、松下为代表的电池企业主要采用卷绕制造工艺技术，也在进行相关的叠片制造技术布局。

全极耳大圆柱制造技术方面，将电芯极片与集流盘通过激光技术进行连接，使极片与盖板之间过电流能力不低于极片本身。其工艺特性：极片揉平形成密实体，改善焊接特性；电芯极片与集流盘的焊接可“定制化”设计导电面积与电流分布；全极耳有软/硬多种连接方式。

图9 全极耳电池的产品特点与优势

2.6 动力电池测试评价技术

电池系统热扩散测试评估技术方面，为了进一步提升热失控的触发概率、同时减少引入能量，行业内进行积极探索的热失控触发方法，包括自加热、电池内部加热等。其中自加热是指被触发电池本体为加热片供电，进而消除外部能量的影响。电池内部加热是指将电加热片置于电池内部的极片或卷绕之间，进而减少热量传递时间，同样起到减少外部热量引入，达到提高热失控触发概率的目的。

全生命周期安全性评估技术方面，一方面是采用本征热稳定性测试，基于特征温度、反应时长、质量损失、能量释放率等方面量化评价动力电池安全水平的演化规律。另外一种测评方法则是模拟电池的实际失效场景，例如挤压、泡水、外部短路以及自发的内部短路等。

基于数据的电池系统安全性预警技术方面，行业内加强了对小概率高危场景下的算法监控，防止在车辆保有量变大后这类事件引发严重的安全事故。行业主要开展了基于运行数据的预警技术、基于图像检测的预警技术和对极端天气场景下的异常监控技术的研究，并应用于实际，为用户做好全天候安全监控工作。

2.7 动力电池回收利用技术

梯次利用技术方面，行业内部分企业通过在梯次利用方面的技术的不断投入研发实现了退役动力电池在线数据评估和梯次模型评估技术。退役动力电池在线评估可以大大降低电池后期梯次利用筛选成本，通过对退役动力的在线评估可以将退役动力电池按照其性能分别应用到合适的梯次利用场景。动力电池在线评估主要通过现有大数据进行性能评估，其中包括电池的剩余容量评估、一致性评估以及真实续航情况等评估。并且参考车辆历史的使用情况，进行辅助判断电池的损耗情况。从电池基本信息、性能情况以及使用信息三个维度来进行评估，确认退役动力电池性能及参数状况。

图10 动力电池性能评估

再生利用技术方面，目前退役动力电池的工业回收工艺通常采用火法回收或湿法回收技术分离所含金属，而基于湿法回收的基础上进行技术创新和升级，开发出高效、低碳、绿色的定向循环技术，形成新型独特的“电池-废电池-电池材料-电池”再生利用路线，在整个过程中镍、钴、锰金属综合回收率可达99.3%，高于湿法回收98%的金属回收率，以及比火法回收具有更优经济和环境效益，如图11所示。

图11 退役动力电池再生利用技术

03

年度热点案例解析

3.1 新型锂金属电池

2021年11月8日，安徽盟维新能源科技有限公司与合肥经开区正式签约启动锂金属电池研发制造基地项目，盟维科技锂金属电池实现从技术突破到产品交付的转化，进入规模化量产阶段。锂是自然界最轻质的金属元素，锂金属电池是当前电池行业创新突破性技术的重要发展方向。盟维科技针对电动航空实际应用需求开发metaRY®系列锂金属电池，采用纯金属锂带作为负极替代目前锂离子电池普遍使用的石墨材料，正极采用高镍三元材料，容量范围10~50Ah，质量能量密度350~550Wh/kg，最大放电倍率10C，循环寿命突破400圈（80%容量保持率）。

图12 盟维科技锂金属电池

3.2 低温极速加热技术

北京理工大学孙逢春院士团队发明了一种内阻-外膜双源动力电池自加热新构型，利用电池间歇性大电流自放电激发电极反应快速产热，进一步提出了考虑温升速率、容量衰减和耗电量的加热调控策略，实现从零下40℃加热至0℃以上可调加热速率5℃/min~26℃/min，攻克了动力电池低温环境适应性差的难题。

清华大学欧阳明高院士团队提出了一种基于车载电机且与现有电路兼容的加热方法，并可以实现对电池快速加热的驱动电路，其原理如图13所示。电池分为两个模组，分别与逆变器相连接，利用电机来实现电池模组之间的电能传输。在任何频率之下，可以显著提高电池加热的脉冲电流，使电池温升速率达到8.6℃/min。

图13 基于车载电机的电池包低温加热技术

3.3 混合固液电池

在混合固液电池领域，行业内存在浙江锋锂、卫蓝新能源、苏州清陶、台湾辉能等多个企业，均实现了一定程度的技术突破和产业化。2022年1月22日，首批搭载赣锋锂业固态电池的50辆东风E70新能源汽车正式完成交付，固态电池的商业化路径愈发明晰。赣锋锂业在固态电池领域经过多年的研究开发，研制出的第一代混合固液电解质电池产品已通过多项第三方安全测试和多家客户送样测试，能量密度达235Wh/kg～280Wh/kg；第二代固态电池产品（基于高镍三元正极、含金属锂负极材料），目前能量密度超过350Wh/kg，循环寿命接近400次。

图14 交付的东风E70汽车

3.4 钠离子电池

宁德时代开发的第一代钠离子电池具备高能量密度、高倍率充电、优异的热稳定性、良好的低温性能与高集成效率等优势。宁德时代多年来深耕钠离子化学体系材料的研发：在正极材料方面，采用了克容量较高的普鲁士白材料，创新性地对材料体相结构进行电荷重排，解决了普鲁士白在循环过程中容量快速衰减这一核心难题；在负极材料方面，宁德时代开发了具有独特孔隙结构的硬碳材料，其具有克容量高、易脱嵌、优循环的特性。

图15 钠离子电池核心指标雷达图

3.5 云车智慧管理技术

华为三电云服务于2020年正式对外发布，旨在结合华为电池领域和ICT领域的核心技术，解决新能源汽车的电池安全与寿命管理问题。三电云服务基于车辆VHR（Vehicle History Record）海量云端大数据，在云端基于电池的温度、电压、内阻等数据结合大数据人工智能进行分析，对电池异常、电池自燃等进行提前预测、预警，实现动力电池主动安全。基于华为VHR数据服务底座，华为三电云服务构建了动力电池热失控预警、电池故障检测、电池健康度SOH评估、电池剩余寿命RUL预测等应用，为新能源汽车保驾护航。

图16 华为三电云服务