CAT蓄电池的讨论与比较

本节对各种电池技能的功用进行了具体的比较剖析。经过体系性文献综述，运用与电动轿车运用相关的索引期刊文章、会议论文、行业报告和近期专利等原始资料，对各种电池技能进行了比较剖析。在剖析中，咱们将电池技能分为三类：（i）上一代，（ii）当时一代，（iii）下一代。此外，本研讨的比较剖析选用多规范评价结构（运用七个不同参数），以评价各种电池技能在电动轿车运用中的功用、适用性和可继续性。参数包含以下内容：(i) 能量密度 (Wh/kg)：单位质量贮存能量的才能；(ii) 功率密度 (W/kg)：输出高功率的才能；(iii) 自放电率 (%/月)：搁置期间的能量损失；(iv) 循环次数 (充放电循环次数)：重复运用下的耐用性；(v) 充放电功率 (%)：充放电之间的能量保留率；(vi) 工作温度规模 (°C)：不同气候下的功用稳定性；以及 (vii) 过充耐受性：在不发生功用退化的状况下抵抗过充的才能。这些参数的挑选根据其与电动轿车功用和电池办理体系要求的相关性。各代电池技能的比照显示在图4.（数据收集自表2在第3.) 每一行标明每个参数的得分，用点标明，然后将这些点连接起来构成一个区域，以此衡量全体功用。图表上的总面积越大，全体功用越好。请注意，自放电参数的功用值与规范图表成反比，即数值越小标明功用越好，数值越大标明功用越差。

图4.

各类电池技能比照图：(a) 过去一代，(b) 现在一代，以及 (c) 未来一代。

与上一代电池技能比较，在图4a中能够看出，镍基电池宗族的功用优于铅酸电池。镍基电池宗族具有60–120 Wh/kg的能量密度、150–450 W/kg的功率密度、85%的充放电功率以及0至+50°C的工作温度规模。但是，镍基电池宗族在自放电功用和过充耐受性方面仍有不足。锂离子电池主导了当时一代电池技能，在图4b. 锂离子电池（磷酸铁锂和镍钴锰）和锂聚合物电池比较其他锂离子电池具有更好的功用。能量密度高达180–220 Wh/kg，循环寿数超越2000次。因为能量密度和循环寿数高，锂离子（磷酸铁锂）电池在电动轿车行业中运用最为广泛，其次是镍钴锰和锂聚合物电池。与此一起，钛酸锂电池在能量密度方面体现较差（60–110 Wh/kg），因而在电动轿车中的运用较少。锰酸锂电池技能因为能量密度低（100–150 Wh/kg）和循环寿数短（<1000次）而开端被弃用。图4c展现了下一代电池技能的比较，标明钠离子电池在主导功用方面优于其他一些电池。钠离子电池具有极高的能量密度、极高的充放电功率（95%）、高循环次数（2000次）、极低的自放电率（%月）以及杰出的工作规模。但是，这种电池在功率密度方面存在局限性（100–160 Wh/kg）。

5.2 事例研讨

5.2.1 电动轿车技能电池范畴的原始设备制作商

电动轿车电池技能的飞速开展日益受到原始设备制作商（OEM）规划、区域监管结构和技能运用趋势融合的影响。比亚迪（BYD）和特斯拉（Tesla）等闻名原始设备制作商经过平台整合和垂直供给链办理，明显推动了立异。比亚迪在海豚（Dolphin）和元PLUS（Yuan Plus）等车型中广泛选用刀片磷酸铁锂电池（Blade LFP），标志着其在安全性、本钱效益和循环寿数方面的转变，这与我国监管组织着重经济型、无钴电池以减少资源依赖和下降环境影响的方针导向相一致213]. 另一方面，特斯拉的4680圆柱形电池凭借其无极耳规划和高镍正极，代表了由整车厂主导的立异，旨在完成更高的能量密度和简化的制作工艺，这一点在得州制作的特斯拉Cybertruck和Model Y上得到了体现 [214]. 这些事例反映出一种日益增加的趋势，即整车厂不仅是电池技能的顾客，更是技能开发者，正在重塑电池价值链。

区域方针生态体系也在引导技能挑选。例如，欧盟的《电池法规》（EU 2023/1542）着重碳脚印发表、负责任采购和收回要求，加快了对钠离子和磷酸铁锂等可继续化学体系的需求[215]。比较之下，美国《通胀减少法案》（IRA）下的方针鼓励国内电池出产和资料采购，促使福特和通用轿车等原始设备制作商（OEM）将电池供给链本地化，并探索固态电池和磷酸铁锂等代替计划，以完本钱钱效益合规[216]. 印度的FAME II方针也因本钱约束和热带温度适应性，间接推动了钠离子电池在两轮车/三轮车范畴的运用，这解释了宁德年代为安在亚洲商场进行前期选用实验 [217].

在选用形式方面，LFP技能经历了明显的复苏，从2020年仅占电动轿车电池的10%，到2024年全球占比已超越35%。这一增加首要归功于我国整车厂的选用，以及最近特斯拉将其运用于入门级Model 3和Model Y车型[218]。尽管仍处于新式阶段，钠离子电池在我国和印度的ESS（储能体系）和低本钱电动轿车中正日益遍及。这是因为其在室温下的杰出功用以及较低的原资料本钱[217]. 丰田和宝马现在正在测试固态电池（SSBs），估计将在2027至2028年左右完成商业化布置。高端车型优先考虑能量密度和安全性，而非短期本钱考量，这正是这些电池的首要方针[219].

整体而言，这些趋势标明，电动轿车电池技能的前进不再只是受技能规格的影响；相反，它是商场动态、监管要求和整车厂战略之间多方面的互动，正日益针对区域需求和全球可继续开展方针进行定制。

比亚迪LFP、宁德年代钠离子、特斯拉4680、固态电池和NCM电池的完好比照，包含整车厂选用状况和最佳运用场景，详见表6.

比亚迪LFP、宁德年代钠离子、特斯拉4680、固态电池及NCM电池的功用比照。

参数	比亚迪磷酸铁锂	宁德年代钠离子	特斯拉4680	固态电池	NCM（镍基）	参考文献
化学	磷酸铁锂4(LFP)	钠离子（普鲁士白，层状氧化物）	NCA/NMC，硅负极	锂金属+固态电解质	锂镍锰钴氧化物2(NMC)	[213–215]
能量密度（Wh/kg）	120–200	100–160	230–250	300–400（估计）	150–220	[214–216]
循环寿数	2000–8000	500–2000	∼1800–2500	3000–5000+（估计）	∼1800–2500	[213, 215, 217]
热安全	十分高	高	中等	十分高	中等	[213, 214, 217]
本钱（美元/千瓦时）	∼$90–110	∼$60–90（预估）	∼$120–140	∼$200+（预估）	∼$120–160	[215, 217, 218]
低温功用	尚可	差-一般	杰出	优秀	杰出	[213, 215, 216]
环境影响	低（不含钴/镍）	极低	中等（运用镍、钴）	中低（取决于所用资料）	高（钴和镍挖矿）	[215–217]
可扩展性	成人；比亚迪、特斯拉量产	试点阶段（宁德年代、江淮）	敏捷扩张（特斯拉得州超级工厂）	前期阶段；OEM测试（丰田、宝马）	成人；需求旺盛但面对供给约束	[213–215, 218]
OEM选用	比亚迪、丰田、特斯拉（后驱版 Model 3/Y）	宁德年代，电动滑板车，小型电动车	特斯拉Cybertruck，Semi，Model Y（得州制作）	丰田，宝马，QuantumScape，Solid Power	现代、通用、群众、宝马、雷诺	[213–215, 218]
最佳运用场景	进入的电动轿车、公交车、出租车	2轮/3轮电动车，储能体系，微型电动车	长续航电动车，高速电动车	高端电动车，飞机，超高安全运用	中高端注重功用的电动轿车	根据摘要的

5.2.2 电池办理体系技能在商用电动轿车中的实际运用

BMS在电动轿车运转中发挥着至关重要的效果。它还能保证电池的功用、安全、功率和运用寿数。在商用范畴，BMS发挥着更全面的效果，包含监测电池电压和温度，然后完成对功率、安全和电池功用优化的快速实时操控 [220–222]. 特斯拉在电动轿车中选用集中式BMS技能，用于电池组充电办理、续航优化、热监控和快速充电 [ 223, 224]. 这项BMS技能已由特斯拉申请专利。现代轿车也运用BMS技能，保证其电动轿车的充电安全、热办理和电力输送。现代轿车也已为BMS技能申请专利 [225–227]. 此外，轿车制作商比亚迪运用其BMS技能，该技能包含对电压、电流、温度和SOC等要害参数的实时监控，以及SOH [228]. 还有热办理和电池续航路程估算 [229, 230]. 比亚迪也已将其电池办理体系（BMS）技能在世界上申请了专利。各制作商在技能上的立异前进了其商用电动轿车的可靠性。电动轿车中电池办理体系（BMS）技能的实际运用总结见表7.

BMS技能在电动轿车商业化中的实际运用：已取得世界专利。

电动轿车制作商	专利号	标题	首要贡献	参考文献
特斯拉轿车公司	美国专利 10522845 B2	以电池为中心的热办理体系，运用热交换器混合阀	运用暖通空调体系操控电池在最佳温度规模内运转。	[224]
	美国专利9966590 B2	对电池包冷却液高压电解的响应	检测并响应电动轿车电池内部的高压电解，以约束单个电池单元和模块的过度热条件。	[220]
	美国专利 9466992 B2	用于服务高压电池组的办法和体系	电动轿车中高能量电池组充放电的能量办理和保护。	[221]
	US 9083064 B2	用于热事件检测的电池组压力监测体系	一种用于检测热失控事件的体系，以及一种输出压力数据的压力监测体系，该压力数据标明电池组随时间的压力改变。	[222]
比亚迪股份有限公司	美国专利US 2021/0018568 A1	电池组和电动轿车的SOH计算办法及设备	一种用于计算具有高压充电拐点的电池健康状况（SOH）以及对应高压充电阶段的电池包电量的办法。	[228]
	美国专利 2024/0017589 A1	集成热办理体系、车辆及热办理操控办法	操控器的集成办理体系根据电池状况信息确认电动轿车的电池热办理需求。	[229]
	美国专利US 11904703 B2	电动轿车及其续航路程计算办法和设备	电动轿车行进距离计算体系根据单位行进距离的电池能耗和当时可用的剩余电池能量。	[230]
现代轿车公司；起亚轿车公司	美国专利 US 11387501 B2	环保车辆电池办理体系及办法	一种用于环保车辆的电池办理体系，用于将主电池温度维持在预订温度规模内。	[225]
	美国专利 US 11456492 B2	电池办理设备、具有该设备的车辆以及车辆操控办法	一种用于检测各电池单元电压值中的最大值和最小值的体系。	[226]
	US 11845359 B2	车辆电池冷却体系操控办法	一种根据车辆行进进程中数据检测器检测到的数据的电池温度操控器，保证电池温度保持在最佳状况。	[227]

HVAC，即供暖、通风和空调。

5.3 商业化途径规划与车辆类型电池技能建议

咱们的归纳映射供给了当时电动轿车电池技能格局的快照。咱们重点介绍了技能老练度（TRL）、商业化状况以及要害应战。表8更具体地概述了电动轿车电池的TRL和商业化状况，而图5展现了整体概述。根据TRL对电池技能的分类为了解其商业化老练度和广泛运用潜力供给了重要见地。TRL为9的老练技能，如锂离子电池（LFP和NMC），已完成大规模出产，并广泛运用于城市电动轿车、远程电动轿车和固定式储能。TRL为7–8的钠离子电池和锂离子电池（LMO）正接近商业化布置，适用于主流电动轿车和两轮车，其功用远景宽广。较新的技能，如锂硫电池和钠硫电池，TRL为5–6，仍处于先进原型阶段，因而仅限于小众或实验性运用。与此一起，锂氧电池₂锌空气电池仍处于研制阶段，因而尚未运用于实际运用中。这种技能老练度等级（TRL）映射保证每种电池技能都能与契合其商业化老练度的运用相匹配，然后下降技能危险并前进商场承受度。

图5.

电动轿车电池TRL总结。

电动轿车电池技能老练度与商业化概略。

电池类型	参考文献	TRL阶段	商业化状况	要害技能和应战
铅酸	[218]	9	成人；有限的电动轿车运用	低能量密度；重量大；适用于近距离运用
镍镉（Ni-Cd）	[231]	9	成人；在电动轿车中已根本过期	记忆效应；因镉毒性引发的环境忧虑
镍氢（Ni-MH）	[231]	9	成人；用于混合动力	能量密度低于锂离子电池；安全性更高，寿数更长
锂离子（磷酸铁锂）	[218]	9–10	已广泛商业化；运用规模不断扩展	高安全性；长循环寿数；与NMC比较能量密度较低
锂离子（NMC）	[218]	9–10	广泛商业化；在电动轿车范畴占据主导地位	高能量密度；存在热稳定性问题；运用钴和镍
锂离子（钛酸锂）	[231]	9	已商业化；小众运用	优异的安全性和循环寿数；能量密度较低；本钱较高
锂聚合物（钴酸锂）	[231]	9	商业化；首要用于电子产品	高能量密度；循环寿数较短；存在安全顾虑
锂金属（LMO）	[232]	6–7	商业化前；研讨正在进行中	高能量密度；枝晶构成导致安全问题
锂硫（Li-S）	[232]	5–6	前期试点阶段；尚未商业化	高理论能量密度；应战包含多硫化物穿梭效应和循环寿数低
锂空气 (Li-O2)	[231]	3–4	研讨阶段；无商业运用	理论能量密度极高；存在功率和循环寿数问题
锌空气(Zn-air)	[231]	4–5	研讨与有限实验	高能量密度；充电性和功率输出方面存在应战
Sodium-sulphur (Na-S)	[231]	7–8	用于固定式储能商业化；电动轿车运用有限	能量密度高；可在高温下运转；安全问题约束了其在电动轿车中的运用
Sodium-ion (Na-ion)	[218]	6–8	新式；初期商业布置	本钱更低且资料丰富；与锂离子电池比较能量密度较低；正在快速开展

此外，本文将引荐为各种电动轿车运送运用挑选最适宜的电池技能。在根据运送类型的电池挑选体系级结构中，整合了七个参数。该理论结构构建为决议计划支撑模型，以辅导体系级的电池挑选，如表8所示本文将引荐为各种电动轿车运送运用挑选最适宜的电池技能。本文将引荐为各种电动轿车运送运用挑选最适宜的电池技能。本文选用根据抱负解相似性排序（TOPSIS）技能，并根据七个参数的多原则决议计划办法，细心评价和优先排序电池代替计划，如表9所示表9.

根据多维度规范的要害体系级评价方针。

车辆类型	理由	要求
		能量密度	功率密度	循环寿数	充放电功率	自放电率	运转温度规模	过充耐受性
城市电动轿车	适中续航，适宜频频近距离出行和城市运用。	中等	高	高	高	低	中等	中等
长续航电动轿车	长续航路程，适用于多种气候条件下的远程行进。	十分高	高	中等	高	极低	十分高	高
两轮车	中等规模，适宜轻量化、紧凑型规划。	中等	十分高	中等	中等	中等	中等	中等
全年龄电动车运用	续航路程均衡，适宜在不同地区用于一般电动轿车。	高	中等	高	高	低	高	高
高功用电动轿车	即便在高温下也需求保持稳定的高功用。	高	十分高	中等	中等	中等	中等	中等
固定式储能	优先考虑长寿数和稳定性，而非极致功用。	十分高	低	十分高	高	极低	扩展型	高

总归，城市电动轿车运送运用需求高安全性和长循环寿数的电池，因而磷酸铁锂电池更为适宜。一起，远程电动轿车需求极高能量密度和耐温功用，因而镍钴锰锂电池或锂金属电池化学体系最为适宜。此外，两轮电动车优先考虑功率密度功用和轻量化特性，因而锂聚合物钴酸锂电池更为适宜。一起，一般电动轿车运用需求高能量密度、长循环寿数、高充放电功率、杰出的工作温度规模和高过充耐受性，因而钛酸锂电池十分适宜。而储能体系需求长循环寿数和极低的自放电率，钠硫电池和钠离子电池较为适宜。此外，不同类型的电动轿车的电池技能引荐如下所示在表10经过评价与最适宜解决计划的接近程度。

针对不同车型的电池技能引荐计划TOPSIS排序。

车辆类型	引荐的电池技能	结构中的理由
城市电动轿车	磷酸铁锂（Li-ion LFP）	供给高热稳定性、长寿数和经济性；十分适宜城市中的走走停停交通。
长续航电动轿车	锂镍锰钴（锂离子NMC）	高能量和功率密度满足继续行进和重载需求。
两轮车	锂聚合物（Li-poly LCO）	小型化和高功率密度十分适宜电动滑板车和摩托车。
全年龄电动轿车运用	钛酸锂（锂离子LTO）	优异的循环寿数和快速充电才能提升了其在日常车辆中的实用性；高安全性支撑其在群众商场的运用。
高功用电动轿车	锂金属（LMO）	供给突破性的能量密度，尽管仍处于商业化前阶段；适宜功用驱动型车辆。
固定式储能	钠硫（Na-S）	十分适宜固定式运用；不受重量或尺度约束，高温下运转杰出，并供给低本钱的电网级储能计划。

5.4 电动轿车电池开发中的应战与约束要素

电动轿车电池的开展面对许多应战与妨碍。技能经济性、环境影响及区域方针等要素明显影响电池出产与运用的可行性及可继续性。因而，这需求对各类彼此相关的问题进行全面理解。咱们对相关妨碍总结如下表11.

应战触及技能经济、环境和区域方针方面。

	应战	描绘	参考文献
技能经济	先进化学工艺本钱昂扬	固态电池和高镍电池功用更优，但因为资料本钱昂扬且制作工艺杂乱，价格仍然居高不下。	[233]
	原资料价格动摇	因为全球供货商有限且需求不断增加，锂、镍和钴的价格仍然动摇不定。	[234]
	出产规模与本钱本钱	电池超级工厂需求数十亿美元的出资，且投入运营需求漫长的周期。	[235]
	能量密度与经济性的权衡	磷酸铁锂电池经济性较好，但续航路程较低；高能量密度电池本钱更高。	[236]
环境	不可继续的挖矿行为	钴矿挖掘（例如在刚果民主共和国）引发了道德和生态问题。锂提取影响了地下水位。	[237]
	收回功率低	大多数电池并非规划为可拆解，约束了循环再运用；全球收回率不足10%。	[238]
	电池废物办理	缺乏一致的生命周期完毕方针导致了填埋或不安全的再运用。	[239]
区域方针	我国	强有力的产业方针、补助和收回规定支撑磷酸铁锂电池、钠离子电池以及国内供给链的开展。	[233]
	欧盟	关注碳脚印标签、修理权以及要害原资料的独立性。	[238]
	美国	《通胀减少法案》（IRA）为国内采购和出产供给税收优惠，推动了NMC/固态电池的开展。	[240]

5.4.1 技能经济

近年来，杂乱的技经约束明显影响了电动轿车电池的开展。因为锂原资料本钱不断上涨，即便镍和钴价格保持稳定，估计2022年电池组价格仍将降至约150美元/千瓦时[233]。此外，电池出产对锂、钴、镍等资料的需求扩展，导致潜在的供给缺少和价格动摇[234]. 此外，建设大型工厂需求数十亿美元的本钱投入。因而，这使得制作商难以前进化工资料的质量，并推迟了其在新式商场的遍及 [235].

5.4.2 环境约束

环境可继续性方面构成了另一道要害妨碍。刚果民主共和国和南美洲钴矿挖掘带来的生态影响引发了道德和环境方面的忧虑，包含水资源干涸和栖息地损坏[237]。锂资料挖掘还存在形成严峻危害的危险，例如水污染和资源干涸[241]。此外，电池全生命周期的排放问题仍然令人忧虑。电池出产和废弃物处理的碳脚印需求收回技能的前进[239].

为了缓解这些影响，已涌现出几种战略。首要，选用锂铁磷酸盐（LFP）等代替化学资料，以减少对钴和镍等稀有及有毒资料的依赖。与其它类型的化学资料比较，LFP电池的温室气体排放量较低，这首要归功于其在出产和处置方面的优势 [242, 243]。其次，电池办理体系（BMS）的立异经过优化充放电循环、增强热办理以及完成预测性保护来延长电池寿数，然后下降每千瓦时运用的环境负担 [244].

此外，配备电池办理体系（BMS）的二次运用运用切实支撑循环经济 [245]。在美国，健康状况（SOH）杰出的电动轿车电池被从头用于固定式储能，减少了浪费并延长了运用寿数 [246]。电池办理体系在此进程中发挥着至关重要的效果，经过保证在要求较低的环境中安全运转并进行准确的健康状况评价 [247]。收回进程运用了火法冶金和湿法冶金相结合的办法 [248], 如果在进行电池办理体系（BMS）引导的放电和保护之前进行，具有明显下降环境影响的潜力。

最终，欧盟指令和联合国关于电池的可继续开展方针等监管结构应加强生态规划、收回运用和透明度 [245]. BMS技能能够经过记载电池成分和生命周期运用状况来支撑合规，促进电池的安全收回，并完成对报废电池的数据驱动办理。电池技能和BMS的环境影响缓解战略如表1电池技能和电池办理体系环境影响的缓解战略。

环境影响	缓解战略	参考文献
钴和锂的挖掘导致水资源干涸、土壤和栖息地损坏以及社会问题。	转向LFP等代替化学物质以防止运用钴；开发更环保的提取办法	[242, 243, 249]
电池出产和处置的生命周期排放量高。	运用先进的BMS进行SOC/SOH监测和热办理，以延长电池寿数；运用可再生能源为工厂供电	[244, 247]
电池废弃物会导致有毒物质渗漏和资源干涸。	运用湿法冶金或直接收回办法改善收回；运用BMS进行收回前的受控放电	[248, 250]
EOL电池办理缺乏可追溯性和安全处置。	规划带有数据记载功用的电池办理体系，以追寻电池组成和生命周期；契合欧盟电池指令等法规	[244]

LFP，磷酸铁锂。

5.4.3 区域方针

区域方针在塑造电池技能的开展与演变中发挥着至关重要的效果。但是，部分方针会加快立异，而另一些则会推迟其增加。例如，我国为宁德年代和比亚迪等公司开发磷酸铁锂电池和钠离子电池供给补助并支撑收回运用[233]。与此一起，欧盟新电池法规下的欧洲国家着重生命周期碳排放、收回运用以及原资料独立性，以支撑更清洁的化工出产商[238]。与此一起，美国经过《通胀减少法案》（IRA）支撑下一代镍钴锰电池（NMC）和固态电池（SSB）的开展[240简而言之，区域方针经过塑造监管结构、推动商场需求、支撑研制、促进可继续开展以及提升供给链韧性，对电池技能的演变发生明显影响。这些要素一起效果，影响着更优电池技能开展的方向和速度。