摘要：電動汽車的續航里程一直是關注的重點之一，而電動汽車用電池主要是鋰離子電池，鋰離子電池系統輕量化對提高續航里程很重要。實現鋰離子電池系統輕量化一般有三種途徑，提高單體電芯能量密度，減輕電池系統配件質量，優化電池系統設計。
關鍵詞：電池系統；鋰離子電池；電池箱體；輕量化
1、電動汽車電池系統輕量化實現途徑
1.1 提高單體電芯的能量密度
雖然三元電池能量密度較磷酸鐵鋰電池高，但是距離工信部提出到2020年新型鋰離子動力電池單體比能量超過300Wh/kg，到2025年動力電池單體比能量達500Wh/kg的目標還有較大距離，因此，新的材料體系或電池體系要進一步研究以滿足上述目標。
1.1.1 採用高容量正極材料
另外，高壓鈷酸鋰通過電壓的提升來增加能量密度，但鈷的價格較高，不適合用於對電池成本比較敏感的汽車電池中；富鋰三元具有較高的比容量，磷酸錳鐵鋰提高了電壓平臺，均有望應用於動力電池中，但此類正極材料的技術成熟度上仍然不夠，需要進行進一步的研究和產業化驗證。
1.1.2 採用高容量負極材料
1.1.3 提高極片中活性物質佔比
一般電芯正負極極片的組分包括活性物質，導電劑和粘結劑。導電劑和粘結劑比例降低，從而提到了活性物質的佔比，提高了單體電池的能量。目前碳納米管、碳纖維、石墨烯等導電劑的應用能夠有效降低導電劑的比例，從傳統的3%～4%的比例降低至0.5%～1%；而蘇威、阿珂瑪等粘結劑廠家都在開發粘結性能更好的新產品，將活性物質佔比提高至97%～98%，從而有效提高電池的能量密度。在電池設計中，導電劑和粘結劑的優化至關重要，既要提高活性物質佔比，又不能影響電池的功率密度、極片的吸液能力、極片的柔韌性等。
1.1.4 減輕電芯輔材質量
電芯輔材包括正負極集流體、隔膜材料和電芯包裝材料等。在確保單體電芯安全性能的前提下，通過減薄電池集流體的厚度，減薄隔膜的厚度或減輕電芯包裝材料的質量等來提高電池的能量密度。一般說來，電芯輔材的質量能佔到電池質量的10%左右，這部分質量的降低能夠在一定程度上提升能量密度，但並不明顯。
1.2 減輕電池系統配件質量
1.2.1 高強度鋼
高強度鋼是指屈服強度介於210～550MPa的鋼材，而屈服強度超過550MPa的鋼材稱為超高強度鋼。在相同強度情況下，使用高強度鋼可有效減薄零件厚度來實現輕量化。
目前，電動汽車電池箱體主要採用鋼板Q235材料。特斯拉Model3車身底部的電池包基本被超高強度鋼包圍，一方面保證車身結構的穩定性，另一方面保護電池組的安全，同時取消了專程用來保護電池包的結構，從而達到結構減重的目的。
1.2.2 鋁合金
鋁合金密度低，強度較高，衝擊性好，塑型性好，耐腐蝕性好，易回收，可加工成各種型材，工業上廣泛使用，使用量僅次於鋼。但是鋁合金的焊接工藝較差，材料價格較高，是鋼材價格的三倍左右。因此，改善鋁合金成型工藝和降低材料成本可促進電池箱體輕量化的發展。
1.2.3 複合材料
1.3 優化電池系統設計
1.3.1 採用輕量化結構
通過對電池系統配件合理的結構設計，減少材料的使用，並結合計算機輔助工程(CAE)仿真分析，在配件安全性能不變的情況下達到輕量化目的，如配件中空化，複合化，薄壁化等，還可通過電芯尺寸設計和電池的重新排布使電池箱體體積不變放置更多數量電芯，以提高電池系統能量密度。例如，大部分特斯拉ModelS車型的電池包分為16個小模組，而Model3長續航版的電池包則只有4個模組。更少的模組意味著更少的電池包內部隔斷、電池組BMS、線束和散熱管路接口，可以從電氣部分和結構兩個方面減重。
1.3.2 採用輕量化製造工藝
製造工藝與材料、結構是相輔相成的，需要找到相適應的先進工藝來共同實現輕量化。
3D打印技術是以可粘合材料如粉末狀金屬或塑料等為原料，採用逐層打印的方法來構造零件的技術，可以靈活地運用不同材質進行電池箱體的設計，提高電池箱體整體的功能性，降低電池箱體的整體質量，其主要優點是縮短零件製造週期，降低生產成本，減少材料浪費，減輕零件質量，但目前金屬3D打印機技術還不夠成熟，3D打印仍以塑料材質為主。
2、總結
電動汽車電池系統輕量化勢在必行，可通過提高單體電芯的能量密度和降低電池系統的質量來實現。採用高容量正極材料、高容量負極材料製備電芯以及使用先進複合材料製備電池系統配件等是研發高能量密度電池的主導方向。但是，面對材料成本高，工藝不成熟等問題，需要加強技術改性來降低材料成本，提高材料利用率，研發更優良的新型材料，引進國際先進設備，掌握先進製造工藝等。
來源：電源技術
作者：程萍、程鳳