导读
近两年来随着国内外纯电动汽车的渗透率逐步提高，动力电池越来越受到市场关注，电池厂家也越来越注重技术创新与市场营销，各种新产品新名词层出不穷，国内有宁德时代推出的CTP、CTC、钠离子电池，有比亚迪推出的“刀片”电池，还有蜂巢能源推出的无钴电池、L600“6条”电池等等，国外有美国特斯拉推出的4680大圆柱电池、德国大众电池日推出的标准电池等等，仔细分析研究后发现这些技术创新大致可分两类：
1、结构与系统集成的创新；
2、材料创新。考虑到篇幅与阅读时间等因素。
本篇先谈结构与系统集成的创新，下一篇专门讲材料的创新发展。
一：单体电芯
电池是一种把化学反应所释放的能量直接转换成直流电流的装置，包含以下基本组成部分：正极活性物质、负极活性物质、电解质、隔膜、外壳、以及导电栅、汇流体、极柱、安全阀等零件。在电化学体系下多元性能难以达到最优，往往某种性能的提升需要牺牲另外一种性能，即电池“性能树”无法被全部点亮，所以下游丰富的应用场景，决定了不同体系不同封装结构电池将长时间共存。当然也不是平分秋色，是既有主流与细分市场的区别，也有某些体系某种结构的电池挤压其他的现象存在，竞争之乐也在于此。电池在长期的发展过程中出现了圆柱、方形、软包三种外形结构形式，目前看来依然会长时间共存，但在这三者基础上的创新一直贯穿电池历史的始终。
1.不同外壳封装工艺存在性能与应用差异
根据外壳封装形式不同，可以分为圆柱、方形和软包三类。不同的外壳封装结构将使电池的性能产生差异，这三种结构电池电池各有优劣，也影响到应用领域发生分化。
a、圆柱电池：圆柱电池发展时间最长，最早是由日本SONY公司于1992年发明的18650电池（18代表直径18毫米，650是指长度65毫米），至今已有30年历史，采用成熟的卷绕工艺，自动化程度高、产品一致性好、成本相对较低，在3C领域广泛应用与技术验证。2003年一群工程师成立特斯拉发展电动车时，有且只有18650圆柱电池是已经验证过成熟的锂电池，特斯拉应用了一系列先进的电子技术让18650电池成功地驱动电动汽车，并朝着大型化方向不断升级（18650-21700-46800）。圆柱电池的核心优势在于标准化的连续生产，能够满足纯电动汽车发展的快速扩产需求。圆柱电池成组后天生有间隙可以利用来做散热空间，使得可以采用低成本的风冷技术用来降温。圆柱电池的劣势在于：空间利用率低、径向导热性差、卷绕圈数不能过多因此单体容量低，一台特斯拉Model S电动汽车要用7000多只18650电池进行成组，对电池管理系统要求极高，同时成组后能量密度也不高。
b、方形电池：从2012年的VDA355标准模组电芯到MEB590标准模组电芯，此类标准由德国宝马、大众主导。宁德时代最早从VDA355这款模组上发展使用不同厚度的电芯（1倍、1.5倍、2倍、3倍厚），它的示范效应与迅猛发展使得这一标准的方形电芯全面推广应用开来。某车型搭载一定电量的电池包，使用不同容量的单体电芯，可能采用3并96串、2并96串及1并96串的设计，而显然用单体电芯做到1并96串是最优方案。大容量方形电池的车规级应用确有较高的行业门槛，优质产能一直供应不足。
方形电池尺寸容量及电路设计关联关系
几年前的一百多家动力电池角逐市场，现在已逐渐集中，能数次跟上技术大迭代更不多了。方形电池大多使用卷绕压实工艺，只有蜂巢能源等少数几家使用叠片工艺。
c、软包电池：软包电池采用叠片工艺，使用铝塑复合膜作为外表结构件，这种纤薄化的设计带来单体能量密度的提升。软包的循环性能好，设计灵活方便，发生安全问题时会鼓包裂开，安全性好。但软包一致性差、成本较高、易漏液、成组麻烦，性能需要持续改善。
2.核心制程工序：卷绕更有效率，叠片更有未来
核心制程工艺目前形成卷绕与叠片两种不同的制程技术。圆柱电池采用卷绕工艺制作，软包电池采用叠片工艺，方形电池两者皆可。宁德时代的卷绕压实工艺是从圆柱卷绕进化来的，比较成熟与高效；蜂巢能源的方形叠片工艺是从软包叠片借鉴过来的，性能指标更优，同时更具延伸性，比如能制作长条型的L600“6条”电池。
在电芯品质提升与追求高效制造的过程中，方形电池的卷绕压实工艺在宁德时代迅猛发展带动下越来越成熟，但同时宁德时代在这个环节形成专利防御重点区，多家业内企业被宁德时代起诉侵权。叠片工艺对电芯性能的提升较为明显，而且能避开行业头部企业的专利攻防，成为蜂巢能源等追赶者的战略选择。蜂巢能源一期工厂应用的叠片工艺效率已达到0.6秒/片，二期工厂达到0.45秒/片，计划三期达到0.25秒/片超越卷绕工艺的效率。比亚迪在刀片电池上也采用了叠片工艺，宁德时代也表示将在后续生产基地规划里选用叠片工艺。对电芯性能品质要求的极限追求，推动了叠片工艺的持续改进。
3.国内盛行方形源于补贴推广，国外圆柱流行源于特斯拉
中国新能源汽车的快速发展最早是由公交大巴推动的，公交大巴动不动就200~300多度电，圆柱电池单体数量太大，电池管理难度过高；软包因自身品质问题一直没有很好解决，方形电池因为外形规整、单体容量大、空间使用效率高而成为不二之选。同时在宝马的之诺项目与德国大众ID电动车项目的推动下，VDA355方形标准模组尺寸在中国形成不是标准的标准，使得方形电池在中国成为主流。
在国外，2008年松下开始与特斯拉全面独家合作，将18650圆柱电池搬上纯电动汽车，从18650的LCO电芯到18650的NCA电芯直至2017年的21700电芯，在2017年以9.9GWh位居全球第一，带红了圆柱电芯。
面向未来主流乘用车的搭载电量，2025年每辆车达到75~115 kWh，2030年每辆车为115~150 kWh，无论哪个体系都需要各自在研发进度上跟进这一趋势。在方形电池方向，比亚迪搞出了长薄型的刀片电池，蜂巢能源在自己擅长的叠片工艺基础上搞出合适长度、性能与生产便利兼顾的长条型L600“6条”电池；在圆柱电池方向，特斯拉则主导了4680/4695大圆柱电芯。
二：电池成组
现有的电池Pack结构由三级组成：电芯（Cell）、模组（Module）、包（Pack）；当然，它们之间的关系我们可以这样理解，最小的单元是电芯，一组电芯组成一个模组，多个模组组合再加上BMS等零部件则组合成我们所说的“电池Pack结构”。在这种多层级电池Pack结构下，电芯对于电池包的空间利用率仅为40%，其中电芯对模组的空间利用率为80%，模组对电池包的空间利用率为50%，模组的硬件费用约占电池总成本15%。降本增效减重的诉求下，电芯到整车各环节去除多余零件、繁杂工艺、冗余材料进行优化就成了主要手段，电池结构简化技术会提速实现大范围应用，预计到2025年各种简化结构的电池占比会达到80%以上。
现今主流的CTP技术
CTP（无模组动力电池包）技术，即Cell to Pack，是电芯直接集成为电池包，从而省去了中间模组环节。国内的CTP技术分为两种路线，一种是以比亚迪“刀片”电池、蜂巢能源L600“6条”电池为代表的的完全无模组方案，另外一种是以宁德时代为代表的以大模组代替小模组的方案。
1.比亚迪刀片电池CTP方案
比亚迪的“刀片”电池则基于其所擅长的磷酸铁锂技术，电池单体向大容量进化，但电芯形状更加扁平、窄小（长边可以定制变化， 单体最大稳定长度可以达到2500mm），因此形象化的取名“刀片”。多个“刀片”通过阵列的方式排布在一起， 就像“刀片”一样插入到电池包里面；多个“刀片”捆扎形成电池包模块，通过少数几个大模组的组合成电池模块。通过CTP设计在保证了电池包的强度前提下，省去了横梁、纵梁以及螺栓等附件，同时，在刀片电池的侧脊面上安装高强度板，让刀片电池侧面可以承担支撑作用。这一系列设计可以让刀片电池跳过模组环节，直接组成电池包，从而提升空间利用率。受到不同的电芯布局方式影响，包内空间利用率分别为55%、60%、62%、65%，如有需求甚至可以达到80%。即使是同一辆车，采用CTP技术的电池Pack后，带电量约增加20%以上，续航里程也能提升20%以上。
图示为比亚迪刀片电池CTP方案
2.蜂巢能源长条型L600“6条”电池LCTP方案
蜂巢能源把多个L600“6条”电芯组成的储电组件直接放置在电池包壳体内，通过电池包壳体与车身的连接，取代现有的电池包结构，减少了部件数量，使得容纳L600“6条”电芯的空间更大，有效提高了电池包的能量密度，电池包壳体内部的空间利用率由原来的35%-40%提升至50%-60%。从蜂巢能源官方申请的专利来看，L600“6条”电芯的长度W为574mm，宽度T为21.8mm，高度H为118mm，将正负极盖板分别设置在壳体的两个开口，减小正负极盖板在单体电池内的占用空间，提高了空间利用率，增加电芯的储存能量密度，进而提高车辆的续航里程。L600“6条”电芯的极耳位置在侧面，在电池包环节采用上下双水冷技术，给电芯配套强大的冷却结构，结合电机余热的利用，实现“低温无衰减技术”。
图示为蜂巢能源长条型L600“6条”电池LCTP方案
从蜂巢能源官方申请的专利来看，将防爆阀和注液孔分别布置在正负极盖板上，减小了正负极短路的风险，同时降低了电解液污染防爆阀的风险，提高了电芯的合格率和安全性能，目前的升级重点在于该电芯可实现无模组，直接集成为电池包，从而大幅提升集成效率。以目前基于磷酸铁锂体系的电芯型号计算，空间利用率可达成60%，带电量增加20-30%，续航里程也能提高20-30%。
3.宁德时代CTP方案
宁德时代主要思路是在以大模组替代之前的小模组，而非完全取消模组；把之前的小模组去掉侧板，用扎带连接起来，把模组做大。而且在模组与模组间采用一种套筒的连接方式紧贴在一起，同时套筒设有固定装置与整车相连，这样整个模组简化了结构，在实现电池包轻量化的同时，也提高了电池包与整车的连接强度。宁德时代新型CTP电池包，较传统电池包相比，CTP电池包体积利用率提高了15%-20%，电池包零部件数量减少40%，生产效率提升了50%，大幅降低了动力电池的制造成本。得益于内部结构的化繁为简，传统的电池包能量密度平均为180Wh/kg，而CTP电池包能量密度可达到200Wh/kg以上。
图示为宁德时代CTP技术方案
宁德CTP技术仍然会采用方壳封装，考虑到高镍电池的稳定性；功率密度更高，成组效率更高，对于大多是整车厂成本控制更为友善；宁德时代CTP技术因为考虑到体积封装效率的最大化，大模组之间的连接可靠性更容易受到对角线反复切应力的影响，对于高压线束和冷却系统的连接挑战比较大，长期使用的可靠性有待验证；从目前的专利细节上看，CTP大模组的高度是不可改变（而且不够轻薄），同时需要配套配型外壳，以适配安装在不同的车型上。这样的结构需要整车厂家在产品规划上相应作出调整，而比较困难的问题在于目前还没有大规模销量作为开发的支撑，主机厂针对单一电池供应商的配型需要做设计调整风险非常大。
比亚迪的刀片电池在结构灵活性和耐久性上更具价值和想象空间，大大增加磷酸铁锂电池的性能表现，让其从商用车专用重新回归主流。比亚迪本身生产新能源汽车，"刀片"电池起初就考虑到了自家产品的多规格适应性需求。"刀片"的窄边做得尽量小，这就意味着在垂直高度上可以更容易适应高底盘和低底盘车型的需要。而在未来，更可以基于此开发超薄底盘的多功能车，让用户的使用空间更多，挖掘新能源车的优势。然而如此大的单体长度并不是一种稳固的力学结构，受到侧向力时的形变抵抗能力非常弱，而通常电池工作时会带来内部压力导致外壳膨胀，进而向周围电池施压。所以在成组时不得不谨慎考虑间隙问题，一方面要防震，一方面是消除侧面受力；比亚迪"刀片"电池实际上仍保留模组封装和电池包封装的整体构型，同时其电池包封装将有可能根据车型需要，预留形变空间，避免超薄大电芯直接受力。
从单体电芯到结构的耐久性和匹配性上看，宁德时代CTP技术和比亚迪刀片电池各有千秋。
蜂巢能源长条型L600“6条”电池在兼顾生产便利性与装车实用性，结合不同排布方式，可以覆盖市场主销的A0级到D级车大部分车型，同时与传统的MEB590模组有了兼顾切换性，可以快速响应主机厂换代升级。也是笔者在上篇文章中联想到麻将“6条”好吃好碰好自摸特点的形象比喻的来源。
CTC高度集成是未来
特斯拉柏林工厂宣布将采用CTC（Cell to Classic）技术来生产Model Y，新技术在整包散热方面有着全新设计。CTC技术取消Pack设计，直接将电芯或模组安装在车身上，以车身结构充当电池包的外壳。马斯克在现场举了一个通俗易懂的例子：“将机翼作为油箱，而不是将油箱放在机翼内。” 在CTC的设计中，特斯拉已经取消原有的座舱地板，取代以电池上盖。从图片就可以看到，座椅是直接安装在电池上盖上的，座椅之家和电池之间设计了几根方钢来进行垫高和加强。另外，Model Y的所有4680电芯都采用横向排布，每两排电芯之间插入一条蜿蜒的液冷散热片，整体排布不再像2170电池包那样采用电芯纵向排布，因此取消了纵向的加强结构和模组设计，整体结构进一步简化，能量密度再次提升。这意味着特斯拉需要设计更结实的底板，但目前曝光的资料没有显示底板的样子，具体细节我们尚无从得知。
CTC/CTP趋势的影响
从目前方案来看，4680+CTC、宁德时代方形CTP、比亚迪刀片CTP与蜂巢能源长条型L600“6条”电池LCTP三类将成为未来高端车和中端车电池方面主要的领头羊。这一切正在影响产业生态的变化。对于模组概念的淡化，意味着动力电池企业向整车动力电池包集成深入渗透。此前主机厂购买电池包存在两种形式：一，直接向动力电池厂购买完整电池包；二，向动力电池厂购买模组自己或外包第三方PACK公司组装成电池包，现在只剩下一种模式向动力电池厂直接购买电池包了，电池包的设计主动权回到动力电池企业手中，同时CTP技术带来的降本增效比较明显，弥补了磷酸铁锂电池等能量密度低的电池品类发挥成本优势，增强竞争优势，影响了产业格局。
1.CTP技术在电芯成本不增加的前提下实现一定程度的系统成本下降，技术渗透到电池包的设计、制造和售后服务环节。有利于电池厂于主机厂保持长期稳定的合作关系，CTP方案提高了电池厂在供应链里的话语权，利好与车厂有深度捆绑的公司。
2.CTP技术带来的变化影响三元与磷酸铁锂电池的竞争格局。凭借性能优化与成本优势，磷酸铁锂电池的需求结构开始转变，向纯电动乘用车渗透。根据中国汽车动力电池产业创新联盟发布的《2021年10月份动力电池月度数据》显示：2021年10月，我国动力电池装车量15.4GWh，同比上升162.8%：其中三元电池共计装车7.0GWh，同比上升104.3%；磷酸铁锂电池共计装车8.4GWh，同比上升249.5%。磷酸铁锂电池装车量累计53.2GWh,占总装车量49.5%，同比累计上升316.4%。
3.4680电池核心创新工艺为：大电芯+全极耳+干法工艺，增强了电池功率与安全性，提升了生产效率、快充性能，降低了电池成本，能量密度、循环性能有进一步的提升空间。目前技术难点在于全极耳的制作和焊接、干法工艺。4680电池率先应用于高镍体系，预计明年上半年特斯拉及松下开始量产。4680+CTC方案有利于电池厂大规模高效率生产标准化产品，主机厂主导应用设计，在后端话语权增加，预计没有与电池头部企业深度捆绑的车企都会主动接受4680大圆柱电池。
4.在CTP与CTC的技术趋势下，软包天生没有可做结构支撑特征，可能在这一轮技术进步中在车企选择中落选，转向其他应用。
三：智能化电动底盘系统是未来
近期一条重要的新闻为11月10日，Rivian在美国纳斯达克上市。公司此次发行1.53亿股，发行价为78美元/股，成功募资119亿美元，成为美国过去十年融资规模第三大的IPO，媒体称之为特斯拉最大的竞争对手，除了它瞄准了北美最大的皮卡细分市场外，它的最大一个亮点就是：底盘滑板结构。
特斯拉4680是松下18650一路进化来的，比亚迪刀片是在方形电池基础上创新来的，蜂巢能源的L600“6条”电池就是在2019年上海国际车展上展示的高速叠片工艺L6长条电池量产而来。全球动力电池企业全力推进CTP、CTC技术进步，预计2028年将出现比Rivian滑板结构更为先进优秀的智能化电动底盘系统。再次呼吁：当这伟大变革来临的时候，我们要在现场！
（本文作者系吉林大学青岛汽车研究院副院长、中国汽车工程学会电器技术分会技术与标准专家组特聘专家、电车商业研究：顾国洪）