撰文 / 塗彥平
編輯 / 劉寶華
設計 / 師玉超
“我國動力電池單體能量密度接近300Wh/kg、系統能量密度超過200Wh/kg。”這是1月12日，工信部新聞釋出會上，工信部裝備工業一司司長王衛明公佈的資料。
動力電池能量密度逐年爬升，背後是動力電池技術的持續創新。
圍繞提高能量密度、降本增效、保證安全的核心訴求，動力電池的技術創新有兩大路徑：一是電化學材料體系的創新，即在單體電芯材料上進行改進；二是結構層面的創新，包括電芯封裝、成組及系統整合等方面的改進。
《尋找下一個寧德時代，電池材料革命五大突破口》一文主要回顧了動力電池在材料層面的創新，今天這一篇文章將聚焦動力電池在結構層面的創新。
在結構層面，刀片電池、C2P等創新技術已經實現大規模應用，CTC、MTC、JTM、短刀電池、積木電池、One-Stop Bettery等新工藝也浮出水面，展示出蓬勃的創新力。
按封裝形式來分，目前主流的鋰電池有圓柱、方形和軟包三種封裝形式。現在方形電池往長和薄方向發展，如，比亞迪的刀片電池、蜂巢能源的短刀電池，國軒高科的JTM電池則是一種標準化的“類刀片”產品；圓柱電池往大圓柱方向發展，如特斯拉、比克電池、億緯鋰能等推出的4680電池；針對軟包電池，捷威動力推出了積木電池這樣的標準化產品。
中創新航還推出了自稱是繼圓柱、軟包和方形之後的第四種封裝形式的產品—— One-Stop Bettery。這種新的設計理念不僅適用於電芯封裝，還適用於電池包整合。
從整車電池系統整合的趨勢來看，繼無模組的CTP電池系統量產之後，CTC、MTC成為新的發展方向，它們將給動力電池製造乃至整車車身設計帶來的顛覆性改變。
目前，動力電池產品已經呈現出材料創新和結構創新的融合。在兩個維度創新技術的雙重推動下，我們看到，續航里程超過1000公里的電動汽車已經出現，相信續航焦慮的破解指日可待。到那時，假期出行，在高速充電站排隊4小時充電1小時、充電5分鐘打架2小時的尷尬就大機率不會發生了。
刀片電池，短刀電池
方形電芯的發展趨勢是長度變大、厚度變小，由此出現了刀片、短刀概念。
2020年3月29日，比亞迪正式推出刀片電池。單體電池長960mm、寬90mm、高13.5mm，形如長條刀片。透過CTP的結構創新，一個個刀片單體電池跳過模組直接整合為電池包。電池包安全效能大幅提升，體積利用率也提升50%以上。
同樣沿著電芯越來越長、越來越薄的開發方向，2021年12月，蜂巢能源在電池日釋出會上提出“全域短刀化”概念。只不過，相對比亞迪的刀片電池，蜂巢能源的短刀電池要短一些。
根據當前市場上主銷車型寬度，蜂巢能源發現，主流的A０-A級以及B級以上的平臺適用於長度在1150mm-1300mm的長電芯，這樣，600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸幾乎可以滿足大部分車的需求。
基於此，蜂巢能源開發了L600電芯。L代表Long cell, 600代表600mm左右的長度。目前，蜂巢能源基於果凍電池技術的NCM短刀L600電池已經成功透過針刺試驗，不起火，不冒煙，能量密度達到230Wh/kg。
按照規劃，蜂巢能源將重點佈局電動全域短刀化，將涵蓋從L300-L600的全尺寸短刀電池，覆蓋從1.6-4C全域充電範圍，覆蓋從乘用車到儲能、商用車、工程機械、非高速電車等全域使用場景，覆蓋從無鈷、三元到磷酸鐵鋰全域化學體系。
JTM電池
國軒高科推出了一種類刀片的JTM電池。
2020年9月，國軒高科曾透露一項名為JTM（Jelly Roll to Module，卷芯到模組）的新的整合技術，即直接把卷芯放在模組裡面，一次完成製作。
同年，國軒高科申報了一項名為“一種電池卷芯以及電池” 的發明專利。具體做法是將透過卷繞工藝製成的電芯放入鋁殼內，進行串、並聯。電池鋁殼內至少有兩個電池卷芯。
這種整合方法的好處是減少了外部連線件的存在，可以提高電池的體積比能量密度，而且各單卷芯能夠相互獨立，出現熱失控時不會相互蔓延，同時也避免了大容量單體電池熱失控時造成整體報廢的風險。
國軒高科動力高階副總裁徐興無曾表示，這種工藝製造過程簡單，成本低，易形成標準化。不管走大眾MEB平臺，還是適度柔性大模組概念，都能適用。“就像變形金剛，95％都能夠透過我們這種方式做到刀片電池的水平，他們的能量密度我們也能達到，殊途同歸。”他表示。
無極耳/全極耳大圓柱電池
圓柱電池一個明顯的趨勢是由小圓柱向大圓柱發展，直徑、長度都變大。
當年日本索尼公司為了節省成本，定下了一種標準性的鋰離子電池型號——18650，其中18表示直徑為18mm，65表示長度為65mm，0表示為圓柱形電池。
特斯拉聯合松下把18650電池應用到新能源汽車上。Model S的整塊電池板就是由7104節18650鋰電池組成的。早期使用的18650電池系統能量密度約250Wh／kg。
後來，雙方又聯合開發了直徑21mm、長度70mm的21700電池。相比18650電池，21700電池單體容量可以提高35％，電池系統能量密度提高20%至300Wh／kg左右。同時，因為電池變大，所需單體電池數量減少，系統成本還下降9％左右。
但特斯拉CEO馬斯克還不滿足，他希望尋找到電池尺寸與成本的最佳匹配。2020年9月特斯拉電池日上，特斯拉帶來了4680電池。相比2170電池，4680電池單體電芯的容量提升了5倍，輸出功率提升6倍，更重要的是，成本降低14%，使得電動車續駛里程提升了16％。
特斯拉4680電池還採用了“無極耳”新技術，核心設計理念是將傳統電池的極耳結構去掉，透過正負極集流體與蓋板／殼體直接連線。無極耳技術並不是取消極耳，而是讓電池的接觸面全部具備極耳功能，降低電阻，以規避電芯直徑過大產生的潛在安全風險。
2021年10月，在特斯拉“Giga Fest”開放日活動上，其4680電芯產品已經出現在展示的特斯拉Model Y車身上。
國內動力電池企業中，比克電池已經將大圓柱電池列為車電應用領域的核心產品。
2021年3年，比克電池釋出4680全極耳大圓柱電池。電池安全是全極耳大圓柱電池設計需要解決的核心問題。比克稱，透過定向洩壓技術，其全極耳大圓柱電池可以做到整車層面零熱擴散。
比克電池46X0系列大圓柱電池覆蓋80mm至120mm，能量密度達到270Wh/kg，其中4680大圓柱電池預計2022年規模量產。比克已經著手在鄭州工廠新建大圓柱電池生產線。
另外，億緯鋰能在2021年已經量產鐵鋰版的大圓柱電池，並且準備在2022年量產46系列的大圓柱電池。
總結一下，相對小圓柱電池，大圓柱電池用在車上，一來提高電池系統空間利用率，二來透過減少結構件的使用可以降低成本。同時，搭配無極耳技術，提高了功率，又兼顧了安全性。
積木電池
針對軟包電池的整合創新，捷威動力提出了“積木電池”的概念，即透過不同電池厚度、長度、寬度尺寸的變化提高空間利用率，實現電芯在電池包內以搭積木的形式排列。
捷威研發的積木電池電芯長度為300mm-750mm，電芯厚度為7mm-18mm，實現體積利用率提升8%-12%，同時成本下降10%-15%。
捷威動力研究院副院長馬華博士表示，基於積木電池開發的採用高電壓高鎳材料，能量密度達到300Wh/kg，實現18分鐘快充。
One-Stop Bettery
2021年9月，中創新航（前身中航鋰電）釋出了面向TWh時代的全新設計技術產品——One-Stop Bettery。
確切地說，One-Stop Bettery是一種技術設計理念。一方面，產品本身結構更加簡單、零部件數量更加精簡，製造工藝整合度更高；一方面，新的產品設計和製造工藝，突破了很多現有串聯工序和結構組成帶來的物理瓶頸，大幅提高整合效率和製造效率。
One-Stop開發了超薄殼壁、多維殼體成型、多功能複合封裝、一體橋接電連線、高剪下外絕緣、原位無塵裝配整合等眾多技術，使結構重量降低了40%,零部件數量減少了25%，生產效率提升了100%。
中創新航乘用車事業總經理謝秋稱，這種技術構想，不僅適用於電芯產品,同樣適用於電池包產品，採用該技術的電芯是繼圓柱、軟包和方形之後的第四種封裝形式的產品。
三元鋰電池系統電芯能量密度300Wh/kg，電池包能量密度240Wh/kg，續航里程可以達到1000km；磷酸鐵鋰電池系統電芯能量密度200Wh/kg，電池包能量密度160Wh/kg，續航里程可以達到700km。
中創新航採用One-Stop Bettery技術的產品預計2022年6月面市。
CTP，CTC，MTC
傳統的電池包整合方式是由電芯組成模組，再由模組構成電池包，最後將電池包安裝到車身地板上。CTP（Cell to Pack，電芯到電池包）結構是將電芯整合到電池包，是無模組概念。目前新的CTC（Cell to Chassis，電芯到底盤）技術則是將電芯直接整合到車身上，可以視為CTP的進一步升級。
繼2019年首次推出應用於乘用車的第一代CTP電池整合技術之後，寧德時代2021年1月透露將於2025年前後正式推出高度整合化的CTC電池技術。
寧德時代的CTC技術不僅會重新佈置電池，還會將電機、電控、整車高壓如DC/DC、OBC等透過創新的架構整合在一起。
此前的CTP技術帶來了顯著的成效：零件數量節省40%，能量密度提升10%~15%，製造效率提升一倍。CTC的降本增效應該更勝一籌。寧德時代董事長曾毓群曾表示：“CTC將使新能源汽車成本可以直接和燃油車競爭，乘坐空間更大，底盤透過性變好。”
按照計劃，寧德時代將在2025年前後推出第四代高度整合化的CTC電池系統，2028年前後有望升級為第五代智慧化的CTC電動底盤系統。
無獨有偶。2021年10月，特斯拉在柏林超級工廠“Giga-Fest”活動上，展示了應用CTC技術的Structure Battery（結構化電池）。
航空航天領域將燃料箱與機翼融為一體，而不是另做一個燃料箱——特斯拉Structure Battery設計的靈感正來自於此。特斯拉決定製造一個電池組，作為車身結構，連線前後車身底盤部件。
馬斯克曾表示，採用CTC技術後，配合一體化壓鑄技術，可以節省370個零部件，為車身減重10%，將每千瓦時的電池成本降低7%。
2021年3月，大眾集團在Power Day釋出會上透露，企業在自研一種標準尺寸電芯，未來將會覆蓋集團旗下80%的車型，並且研發了CTC技術。基於這些技術，大眾入門款車型的電池成本有望降低50%。
2021年6月，沃爾沃在Tech Moment釋出會上，透露了下一代動力電池技術的CTC方案。方法是減少模組層級的元件，將電芯與上下殼體組成一個三明治結構，上殼體充當乘員艙地板。這樣的設計，電池可以多出20%的電量。
2021年8月，捷威動力與悠跑科技在天津簽署戰略合作協議，雙方將共同開發CTC電池系統。悠跑科技創始人、CEO李鵬表示：“雙方將從整車視角去思考和定義CTC，並應用於悠跑的UP超級底盤。”相比於傳統的承載式車身，滑板底盤可能更適合採用CTC技術。
此外，LG也公佈了類似的CTC技術專利。它是將電池包的下箱體與車底盤進行了整合，電池包的上蓋與水冷板進行了整合，模組安裝於中間縱橫樑形成的隔間內，透過螺栓與底盤固定起來。
因為軟包電池無法獨立固定，LG的這種處理方式展示了軟包電池在CTC方向上的思路。但因為仍然有模組存在，這種結構其實更適合叫MTC（Module to Chassis）。
CTC、MTC方案透過提高空間利用率、減重，從而達到提高續航里程的目標。但它也對製造工藝也提出了更高的要求。而且，因為電芯直接整合到底盤上，可維修性差，與換電也無緣。
