撰文/ 涂彦平
编辑/ 刘宝华
设计/ 师玉超
“我国动力电池单体能量密度接近300Wh/kg、系统能量密度超过200Wh/kg。”这是1月12日，工信部新闻发布会上，工信部装备工业一司司长王卫明公布的数据。
动力电池能量密度逐年爬升，背后是动力电池技术的持续创新。
围绕提高能量密度、降本增效、保证安全的核心诉求，动力电池的技术创新有两大路径：一是电化学材料体系的创新，即在单体电芯材料上进行改进；二是结构层面的创新，包括电芯封装、成组及系统集成等方面的改进。
一文主要回顾了动力电池在材料层面的创新，今天这一篇文章将聚焦动力电池在结构层面的创新。
在结构层面，刀片电池、C2P等创新技术已经实现大规模应用，CTC、MTC、JTM、短刀电池、积木电池、One-Stop Bettery等新工艺也浮出水面，展示出蓬勃的创新力。
按封装形式来分，目前主流的锂电池有圆柱、方形和软包三种封装形式。现在方形电池往长和薄方向发展，如，比亚迪的刀片电池、蜂巢能源的短刀电池，国轩高科的JTM电池则是一种标准化的“类刀片”产品；圆柱电池往大圆柱方向发展，如特斯拉、比克电池、亿纬锂能等推出的4680电池；针对软包电池，捷威动力推出了积木电池这样的标准化产品。
中创新航还推出了自称是继圆柱、软包和方形之后的第四种封装形式的产品—— One-Stop Bettery。这种新的设计理念不仅适用于电芯封装，还适用于电池包集成。
从整车电池系统集成的趋势来看，继无模组的CTP电池系统量产之后，CTC、MTC成为新的发展方向，它们将给动力电池制造乃至整车车身设计带来的颠覆性改变。
目前，动力电池产品已经呈现出材料创新和结构创新的融合。在两个维度创新技术的双重推动下，我们看到，续航里程超过1000公里的电动汽车已经出现，相信续航焦虑的破解指日可待。到那时，假期出行，在高速充电站排队4小时充电1小时、充电5分钟打架2小时的尴尬就大概率不会发生了。
刀片电池，短刀电池
方形电芯的发展趋势是长度变大、厚度变小，由此出现了刀片、短刀概念。
2020年3月29日，比亚迪正式推出刀片电池。单体电池长960mm、宽90mm、高13.5mm，形如长条刀片。通过CTP的结构创新，一个个刀片单体电池跳过模组直接集成为电池包。电池包安全性能大幅提升，体积利用率也提升50%以上。
同样沿着电芯越来越长、越来越薄的开发方向，2021年12月，蜂巢能源在电池日发布会上提出“全域短刀化”概念。只不过，相对比亚迪的刀片电池，蜂巢能源的短刀电池要短一些。
根据当前市场上主销车型宽度，蜂巢能源发现，主流的A0-A级以及B级以上的平台适用于长度在1150mm-1300mm的长电芯，这样，600mm左右的尺寸或者2*600mm左右的尺寸几乎可以满足大部分车的需求。
基于此，蜂巢能源开发了L600电芯。L代表Long cell, 600代表600mm左右的长度。目前，蜂巢能源基于果冻电池技术的NCM短刀L600电池已经成功通过针刺试验，不起火，不冒烟，能量密度达到230Wh/kg。
按照规划，蜂巢能源将重点布局电动全域短刀化，将涵盖从L300-L600的全尺寸短刀电池，覆盖从1.6-4C全域充电范围，覆盖从乘用车到储能、商用车、工程机械、非高速电车等全域使用场景，覆盖从无钴、三元到磷酸铁锂全域化学体系。
JTM电池
国轩高科推出了一种类刀片的JTM电池。
2020年9月，国轩高科曾透露一项名为JTM（Jelly Roll to Module，卷芯到模组）的新的集成技术，即直接把卷芯放在模组里面，一次完成制作。
同年，国轩高科申报了一项名为“一种电池卷芯以及电池” 的发明专利。具体做法是将通过卷绕工艺制成的电芯放入铝壳内，进行串、并联。电池铝壳内至少有两个电池卷芯。
这种集成方法的好处是减少了外部连接件的存在，可以提高电池的体积比能量密度，而且各单卷芯能够相互独立，出现热失控时不会相互蔓延，同时也避免了大容量单体电池热失控时造成整体报废的风险。
国轩高科动力高级副总裁徐兴无曾表示，这种工艺制造过程简单，成本低，易形成标准化。不管走大众MEB平台，还是适度柔性大模组概念，都能适用。“就像变形金刚（参数丨图片），95％都能够通过我们这种方式做到刀片电池的水平，他们的能量密度我们也能达到，殊途同归。”他表示。
无极耳/全极耳大圆柱电池
圆柱电池一个明显的趋势是由小圆柱向大圆柱发展，直径、长度都变大。
当年日本索尼公司为了节省成本，定下了一种标准性的锂离子电池型号——18650，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。
特斯拉联合松下把18650电池应用到新能源汽车上。Model S的整块电池板就是由7104节18650锂电池组成的。早期使用的18650电池系统能量密度约250Wh／kg。
后来，双方又联合开发了直径21mm、长度70mm的21700电池。相比18650电池，21700电池单体容量可以提高35％，电池系统能量密度提高20%至300Wh／kg左右。同时，因为电池变大，所需单体电池数量减少，系统成本还下降9％左右。
但特斯拉CEO马斯克还不满足，他希望寻找到电池尺寸与成本的最佳匹配。2020年9月特斯拉电池日上，特斯拉带来了4680电池。相比2170电池，4680电池单体电芯的容量提升了5倍，输出功率提升6倍，更重要的是，成本降低14%，使得电动车续驶里程提升了16％。
特斯拉4680电池还采用了“无极耳”新技术，核心设计理念是将传统电池的极耳结构去掉，通过正负极集流体与盖板／壳体直接连接。无极耳技术并不是取消极耳，而是让电池的接触面全部具备极耳功能，降低电阻，以规避电芯直径过大产生的潜在安全风险。
2021年10月，在特斯拉“Giga Fest”开放日活动上，其4680电芯产品已经出现在展示的特斯拉Model Y车身上。
国内动力电池企业中，比克电池已经将大圆柱电池列为车电应用领域的核心产品。
2021年3年，比克电池发布4680全极耳大圆柱电池。电池安全是全极耳大圆柱电池设计需要解决的核心问题。比克称，通过定向泄压技术，其全极耳大圆柱电池可以做到整车层面零热扩散。
比克电池46X0系列大圆柱电池覆盖80mm至120mm，能量密度达到270Wh/kg，其中4680大圆柱电池预计2022年规模量产。比克已经着手在郑州工厂新建大圆柱电池生产线。
另外，亿纬锂能在2021年已经量产铁锂版的大圆柱电池，并且准备在2022年量产46系列的大圆柱电池。
总结一下，相对小圆柱电池，大圆柱电池用在车上，一来提高电池系统空间利用率，二来通过减少结构件的使用可以降低成本。同时，搭配无极耳技术，提高了功率，又兼顾了安全性。
积木电池
针对软包电池的集成创新，捷威动力提出了“积木电池”的概念，即通过不同电池厚度、长度、宽度尺寸的变化提高空间利用率，实现电芯在电池包内以搭积木的形式排列。
捷威研发的积木电池电芯长度为300mm-750mm，电芯厚度为7mm-18mm，实现体积利用率提升8%-12%，同时成本下降10%-15%。
捷威动力研究院副院长马华博士表示，基于积木电池开发的采用高电压高镍材料，能量密度达到300Wh/kg，实现18分钟快充。
One-Stop Bettery
2021年9月，中创新航（前身中航锂电）发布了面向TWh时代的全新设计技术产品——One-Stop Bettery。
确切地说，One-Stop Bettery是一种技术设计理念。一方面，产品本身结构更加简单、零部件数量更加精简，制造工艺集成度更高；一方面，新的产品设计和制造工艺，突破了很多现有串联工序和结构组成带来的物理瓶颈，大幅提高集成效率和制造效率。
One-Stop开发了超薄壳壁、多维壳体成型、多功能复合封装、一体桥接电连接、高剪切外绝缘、原位无尘装配集成等众多技术，使结构重量降低了40%,零部件数量减少了25%，生产效率提升了100%。
中创新航乘用车事业总经理谢秋称，这种技术构想，不仅适用于电芯产品,同样适用于电池包产品，采用该技术的电芯是继圆柱、软包和方形之后的第四种封装形式的产品。
三元锂电池系统电芯能量密度300Wh/kg，电池包能量密度240Wh/kg，续航里程可以达到1000km；磷酸铁锂电池系统电芯能量密度200Wh/kg，电池包能量密度160Wh/kg，续航里程可以达到700km。
中创新航采用One-Stop Bettery技术的产品预计2022年6月面市。
CTP，CTC，MTC
传统的电池包集成方式是由电芯组成模组，再由模组构成电池包，最后将电池包安装到车身地板上。CTP（Cell to Pack，电芯到电池包）结构是将电芯集成到电池包，是无模组概念。目前新的CTC（Cell to Chassis，电芯到底盘）技术则是将电芯直接集成到车身上，可以视为CTP的进一步升级。
继2019年首次推出应用于乘用车的第一代CTP电池集成技术之后，宁德时代2021年1月透露将于2025年前后正式推出高度集成化的CTC电池技术。
宁德时代的CTC技术不仅会重新布置电池，还会将电机、电控、整车高压如DC/DC、OBC等通过创新的架构集成在一起。
此前的CTP技术带来了显著的成效：零件数量节省40%，能量密度提升10%~15%，制造效率提升一倍。CTC的降本增效应该更胜一筹。宁德时代董事长曾毓群曾表示：“CTC将使新能源汽车成本可以直接和燃油车竞争，乘坐空间更大，底盘通过性变好。”
按照计划，宁德时代将在2025年前后推出第四代高度集成化的CTC电池系统，2028年前后有望升级为第五代智能化的CTC电动底盘系统。
无独有偶。2021年10月，特斯拉在柏林超级工厂“Giga-Fest”活动上，展示了应用CTC技术的Structure Battery（结构化电池）。
航空航天领域将燃料箱与机翼融为一体，而不是另做一个燃料箱——特斯拉Structure Battery设计的灵感正来自于此。特斯拉决定制造一个电池组，作为车身结构，连接前后车身底盘部件。
马斯克曾表示，采用CTC技术后，配合一体化压铸技术，可以节省370个零部件，为车身减重10%，将每千瓦时的电池成本降低7%。
2021年3月，大众集团在Power Day发布会上透露，企业在自研一种标准尺寸电芯，未来将会覆盖集团旗下80%的车型，并且研发了CTC技术。基于这些技术，大众入门款车型的电池成本有望降低50%。
2021年6月，沃尔沃在Tech Moment发布会上，透露了下一代动力电池技术的CTC方案。方法是减少模组层级的组件，将电芯与上下壳体组成一个三明治结构，上壳体充当乘员舱地板。这样的设计，电池可以多出20%的电量。
2021年8月，捷威动力与悠跑科技在天津签署战略合作协议，双方将共同开发CTC电池系统。悠跑科技创始人、CEO李鹏表示：“双方将从整车视角去思考和定义CTC，并应用于悠跑的UP超级底盘。”相比于传统的承载式车身，滑板底盘可能更适合采用CTC技术。
此外，LG也公布了类似的CTC技术专利。它是将电池包的下箱体与车底盘进行了集成，电池包的上盖与水冷板进行了集成，模组安装于中间纵横梁形成的隔间内，通过螺栓与底盘固定起来。
因为软包电池无法独立固定，LG的这种处理方式展示了软包电池在CTC方向上的思路。但因为仍然有模组存在，这种结构其实更适合叫MTC（Module to Chassis）。
CTC、MTC方案通过提高空间利用率、减重，从而达到提高续航里程的目标。但它也对制造工艺也提出了更高的要求。而且，因为电芯直接集成到底盘上，可维修性差，与换电也无缘。