动力电池

定义

动力电池指安装在汽车上、能够储存电能并可再次充电、为驱动车辆行驶提供能量的装置，常见形态包括锂离子动力电池、金属氢化物镍动力电池以及超级电容器等^[1]。在纯电动汽车上，它是驱动能量的唯一来源，车辆的动力性能、续航能力和安全表现都与之直接相关^[5]。除汽车外，同类电池也用于电动列车、电动自行车、无人机等以电力驱动的工具^[6]。

在电池分类体系中，动力电池通常属于可反复充放电的二次电池，即充电时电能以化学能形式储存、放电时再转化为电能输出的化学储能装置^[6]。衡量其性能的常用指标包括比能量（单位 Wh/kg）、比功率（单位 W/kg）、循环寿命与一致性等，其中比能量决定续航潜力，比功率决定瞬时大电流输出能力^[7]。

原理

当前主流的锂离子动力电池由正极、负极、电解液和隔膜构成，依靠锂离子在正负极之间往返嵌入与脱出实现充放电，这一机制常被称为“摇椅式”电池^[8]。充电时锂离子从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极；放电时过程相反，化学能重新转变为电能。单体电池的电压平台和容量主要由正极材料的晶体结构决定，磷酸铁锂为橄榄石结构，三元材料为层状结构^[8]。

实际车载系统并非单个电芯，而是由电芯、模组到电池包逐级集成，并配合电池管理系统监测荷电状态、温度与电压，为驾驶者提供剩余电量信息并控制充放电过程^[3]。电池包内还设有热管理和防护结构，用于抑制单体热失控向相邻单体蔓延^[9]。按封装形式，锂离子动力电池可分为方形、圆柱和软包三类，各自在成组效率、散热与工艺成熟度上有所差异^[8]。

以磷酸铁锂为正极的电池，充放电过程可简化表示为：$\mathrm{LiFePO_4 \rightleftharpoons FePO_4 + Li^+ + e^-}$，锂离子在正负极间的迁移量与通过外电路的电荷量相对应^[8]。

发展历程

电动车辆所用的蓄电池最早可追溯到铅酸电池时代。1859 年法国科学家普兰特发明可充电铅酸电池后，铅酸电池因成本低、工艺简单而被早期电动车采用，1899 年比利时工程师卡米尔·詹纳茨制造的铅酸电池电动车时速突破 100 公里^[10]。由于能量密度低、重量大，加之内燃机技术迅速成熟，电动车辆在此后很长时期内被边缘化^[10]。

20 世纪后期，石油危机推动了对替代能源的关注，镍镉、镍氢等新型化学电池进入车用领域；1997 年丰田推出量产混合动力车型普锐斯，搭载容量 1.3 kWh 的镍氢电池组^[10]。1991 年日本索尼公司将圆柱型锂离子电池商业化，体积能量密度达到 200 Wh/L；1997 年约翰·古迪纳夫开发出磷酸铁锂正极材料，为其在车用领域推广提供了材料基础^[10]。2008 年特斯拉推出首款车型 Roadster，采用 18650 型锂离子电池，纯电续航约 350 公里^[10]。

中国自 2009 年起大规模推广新能源汽车，带动动力电池产业规模扩张^[10]。在标准方面，国内最早的动力电池测试文件是 2001 年发布的 GB/Z 18333.1—2001《电动道路车辆用锂离子蓄电池》^[11]。2015 年，国家标准化管理委员会集中发布 GB/T 31484、GB/T 31485、GB/T 31486 及 GB/T 31467 系列标准，分别覆盖循环寿命、安全、电性能以及电池包与系统测试^[11]。2020 年，GB 38031—2020《电动汽车用动力蓄电池安全要求》作为新能源汽车领域首批强制性国家标准之一发布，要求单体热失控后电池系统在 5 分钟内不起火、不爆炸^[9]。2025 年 3 月 28 日，GB 38031—2025 获批准发布，将“不起火、不爆炸”列为强制性要求，并新增底部撞击和快充循环后安全测试，于 2026 年 7 月 1 日起实施^[12]。

应用

动力电池最集中的应用是各类新能源汽车。锂离子动力电池主要配套纯电动汽车及插电式混合动力汽车，能量密度范围约 89 至 245 Wh/kg，中国、日本、韩国的电池企业是主要供应商^[2]。在车型匹配上，磷酸铁锂电池多用于商用车、中低端乘用车与储能场景，三元锂电池因能量密度和低温性能占优，多用于中高端乘用车^[8]。车上除驱动电机外，空调压缩机、加热器等部件也由动力电池供电^[13]。

除汽车外，动力电池还用于电动列车、电动自行车、无人机、高尔夫球车等以电力驱动的工具^[6]。在能量补给方式上，形成了充电与换电两条并行路径，换电模式需要配套的电池接收检验、调配与仓储管理流程^[14]。退役动力电池还可进入梯次利用与再生利用环节，相关标准覆盖梯次利用、碳足迹标识与碳排放核算等方面^[15]。

局限

现有液态锂离子电池的性能提升正接近材料体系的上限，三元加硅碳体系的单体能量密度约 350 Wh/kg 量级，继续提高的余地有限^[16]。行业测算表明液态锂电池系统能量密度较难突破 200 Wh/kg，这制约了续驶里程的进一步增长。

安全方面，液态电解液主要成分为有机溶剂，具有可燃性，电池在挤压、穿刺或过充等滥用条件下可能发生内短路并引发热失控；热失控指单体放热连锁反应导致温度不可控上升，热扩散则指其向相邻单体蔓延^[9]。高镍三元材料虽能提高容量，但镍含量上升会使热稳定性下降，对安全设计和热管理提出更高要求^[1]。

环境适应性同样存在短板。低温下电解液离子电导率下降、锂离子扩散变慢，导致容量与充电性能衰减，磷酸铁锂电池在低温条件下的表现相对更弱^[17][8]。快充时锂离子嵌入负极的速度受限，易出现析锂并带来短路风险，因此快充能力与安全性、寿命之间存在权衡^[17]。此外，锂、钴、镍等关键原材料依赖进口，成本与资源供应也是产业面临的约束^[8]。

参见

• 锂离子电池 —— 动力电池当前最主要的技术类型，依靠锂离子在正负极间迁移工作。

• 磷酸铁锂电池 —— 以磷酸铁锂为正极的动力电池路线，热稳定性与循环寿命较好。

• 三元锂电池 —— 以镍钴锰或镍钴铝为正极的动力电池路线，能量密度较高。

• 电池管理系统 —— 监测动力电池荷电状态、温度与电压的电子控制系统。

• 热失控 —— 动力电池安全设计与标准测试关注的核心失效现象。

• 固态电池 —— 以固态电解质替代液态电解液的新一代电池技术方向。