原文發(fā)表于《科技導(dǎo)報》2025 年第11 期 《 動力電池技術(shù)革新與典型安全評價技術(shù)綜述 》

近年來，通過材料創(chuàng)新、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和管理系統(tǒng)升級，動力電池在能量密度、充電速度和使用壽命等方面取得了顯著進(jìn)展。然而，隨著新技術(shù)的應(yīng)用，動力電池的安全設(shè)計問題依然不容忽視，尤其在快充、底部磕碰和熱事件等使用場景中仍存在較高的安全風(fēng)險。本文系統(tǒng)梳理了動力電池技術(shù)革新的主要方向，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新及化學(xué)體系升級，并分析了由此引入的安全性能提升策略。從測試評價的角度，深入分析了電池快充、底部沖擊及熱擴(kuò)散行為等前沿安全問題，并提出了針對電池全生命周期的安全評價技術(shù)。

新能源汽車作為現(xiàn)代交通領(lǐng)域的重要突破，其性能優(yōu)化需要綜合考慮安全性、續(xù)航里程、環(huán)境適應(yīng)性、加速性能、便捷性和經(jīng)濟(jì)性等多維度因素。其中，動力電池作為新能源汽車的核心動力來源，其技術(shù)發(fā)展水平直接決定了整車的性能表現(xiàn)。因此，動力電池的技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)聚焦于高安全性、高能量密度、寬溫度適應(yīng)范圍、高倍率性能、長壽命以及低成本等方面，以滿足日益多樣化的車用需求。動力電池產(chǎn)業(yè)通過多種手段持續(xù)開展技術(shù)革新，而該過程引入的新設(shè)計、新體系是否安全可靠，需要利用完善的測試評價技術(shù)對其進(jìn)行檢驗分析。

本文面向動力電池新結(jié)構(gòu)、新工藝、新材料等技術(shù)革新，系統(tǒng)性分析其技術(shù)優(yōu)勢對電池性能與安全性等外特性的影響機(jī)制，基于測試評價視角提出安全性提升策略；重點(diǎn)針對長期使用中易引發(fā)的快充失效、底部機(jī)械損傷及熱擴(kuò)散等關(guān)鍵安全隱患展開多維度研究。同時，結(jié)合多參數(shù)融合測試、虛擬仿真技術(shù)及智能化檢測系統(tǒng)等前沿方向，前瞻性探討動力電池測試評價技術(shù)的發(fā)展路徑，通過構(gòu)建更完善的測試體系促進(jìn)產(chǎn)品迭代升級與行業(yè)技術(shù)突破。

1 動力電池技術(shù)革新方向

動力電池技術(shù)的革新主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)設(shè)計創(chuàng)新和化學(xué)體系升級兩大方向，實現(xiàn)電池能量密度、安全性及充電能力的提升，更好滿足新能源汽車的應(yīng)用需求。

1.1 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

傳統(tǒng)的動力電池包由電芯、電池模組和電池包3個層級構(gòu)成，各層級通過結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行封裝，內(nèi)部空間利用率僅約為40%，限制了電池包能量密度的進(jìn)一步提升。

為突破這一瓶頸，近年來提出了多種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，諸如CTP、CTB、CTC等，減少了結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)用，顯著提高了電池包內(nèi)部空間利用率，從而在化學(xué)體系保持不變的情況下，實現(xiàn)了電池包能量密度的顯著提升。例如，CTP技術(shù)通過直接將電芯集成到電池包中，省去了模組層級，使得空間利用率大幅提高，能量密度顯著增加。同時，電熱分離、優(yōu)化換熱通道布局以及采用先進(jìn)的電池管理系統(tǒng)等新設(shè)計，可以在提升散熱能力的同時，增強(qiáng)整包的快速充電性能，為電池的高效運(yùn)行提供支持。

1.2 化學(xué)體系升級

革新電池化學(xué)體系是提升動力電池能量密度的直接且有效途徑。首先，高比能正負(fù)極材料的開發(fā)是提升電池能量密度的核心。

• 在負(fù)極材料方面，硅基材料備受關(guān)注，金屬鋰復(fù)合或無鋰負(fù)極被認(rèn)為是負(fù)極材料的發(fā)展方向；

• 正極材料方面，高鎳三元材料和富鋰錳基材料將逐步投入產(chǎn)業(yè)。

然而，高比能材料的引入顯著增加了電池的熱失控風(fēng)險。以鋰枝晶生長為例，其形成機(jī)制與局部電流密度不均勻、電解質(zhì)分布不均以及界面副反應(yīng)密切相關(guān)，進(jìn)而引發(fā)電池內(nèi)短路，導(dǎo)致局部溫度急劇升高，進(jìn)而引發(fā)電解液分解和正極材料熱分解，釋放大量熱量和氣體，最終導(dǎo)致電池?zé)崾Э?。因此可通過利用電解質(zhì)阻燃添加劑或使用離子液體提高熱穩(wěn)定性，進(jìn)一步，利用電池固態(tài)化技術(shù)，即應(yīng)用高熱穩(wěn)定性的固體電解質(zhì)能夠有效避免液態(tài)電解液的泄漏和燃燒風(fēng)險。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和化學(xué)體系升級，動力電池技術(shù)正朝著更高能量密度、更優(yōu)性能和更強(qiáng)安全性的方向快速發(fā)展，推動新能源汽車向更安全、更便捷、更長續(xù)航的方向發(fā)展，加速交通領(lǐng)域的電動化轉(zhuǎn)型。

2 動力電池安全評價新挑戰(zhàn)

新能源汽車使用中面臨復(fù)雜場景及多變工況。面向快充、機(jī)械安全及熱安全等實車場景分別討論。

2.1 快速充電后安全評價

目前可支持快速充電的電池設(shè)計中，利用合理的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計與電解液優(yōu)化實現(xiàn)鋰離子的快速遷移。然而，當(dāng)充電倍率超出電池設(shè)計能力時，會引發(fā)一系列不良后果，包括鋰枝晶生長、正負(fù)極材料結(jié)構(gòu)變化、電解液分解及副反應(yīng)加劇等，伴隨內(nèi)部產(chǎn)氣，嚴(yán)重影響電池性能和安全性；相應(yīng)的，充電過程中的產(chǎn)熱效應(yīng)在上述副反應(yīng)的作用下會進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致內(nèi)阻增大，后續(xù)充電時產(chǎn)熱量增加，從而提升電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險。快速充電過程中鋰沉積示意圖如圖1所示。

圖1 快速充電過程中鋰沉積示意圖

在全生命周期應(yīng)用中，電池容量衰減和內(nèi)部損傷的累積仍難以避免，快充能力隨之下降，原本適用于新電池的充電策略可能不再適用，進(jìn)而影響快充后的電池安全性。在GB 38031-2025中，已面向電池單體增加快充后安全的試驗方法及相關(guān)要求，對于具備快速充電能力的單體，在進(jìn)行300次快速充電循環(huán)后進(jìn)行外部短路試驗，應(yīng)不起火、不爆炸。通過標(biāo)準(zhǔn)修訂加強(qiáng)了對電池單體快充后安全的監(jiān)測，降低了因長期快充循環(huán)后安全邊界收縮而引發(fā)的安全風(fēng)險。

2.2 機(jī)械安全評價

車輛在行駛過程中可能面臨多種機(jī)械應(yīng)力的作用，包括路面振動、底部磕碰或遭受沖擊等，這些外力可能對電池包的結(jié)構(gòu)完整性和內(nèi)部電池單體造成潛在威脅。其中，考慮到電動乘用車的動力電池包通常安裝于車輛底部位置，底部防護(hù)是機(jī)械安全性的典型場景，通過底部防護(hù)設(shè)計可提高電池包的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與抗沖擊性能，有效保護(hù)電池單體免受外力作用，從而避免因外力導(dǎo)致的電池失效及其可能引發(fā)的安全隱患。

在基于實車場景的測試中，電池包底部防護(hù)的驗證主要集中在兩個方向：車輛行駛方向（

X

Z

X

圖2 模擬實車場景的底部正向沖擊試驗及仿真結(jié)果

Z

2.3 熱安全評價

熱安全問題作為電池失效累積的最終表現(xiàn)形式，需要從失效觸發(fā)、失效行為及失效結(jié)果3個方面進(jìn)行全面的綜合評價。在失效觸發(fā)方面，目前標(biāo)準(zhǔn)針對電池包或系統(tǒng)開展測試，推薦的熱擴(kuò)散觸發(fā)路徑包括外部加熱、內(nèi)置加熱及針刺試驗，能夠有效模擬單體熱失控對電池包的熱擴(kuò)散影響。然而，在復(fù)雜實車場景中，電池包起火的誘因往往并非單一單體熱失控，而可能源于外部極端條件下的多重因素疊加。因此，除了電池包層級的測試，需考慮整車級別的熱安全測試。例如，通過模擬側(cè)面炙烤、底部火燒等極端工況，評價整車層級熱失控的觸發(fā)路徑及傳播規(guī)律，進(jìn)一步完善現(xiàn)有測試技術(shù)。

對失效行為的評價需要綜合評估能量釋放和物質(zhì)釋放兩個主要方面。在熱失控過程中，電池電壓迅速下降，儲存的化學(xué)能以熱能形式大量釋放，導(dǎo)致電池溫度驟升，并伴隨起火和物質(zhì)燃燒。副反應(yīng)生成的高溫氣體噴發(fā)產(chǎn)生動能，可進(jìn)一步加劇燃燒和擴(kuò)散，且在實車場景下，動力電池包可近似認(rèn)為處于半封閉環(huán)境中，可燃?xì)怏w的積累將顯著提升電池爆炸的風(fēng)險。測試評價過程需要分析電池失控過程的能量釋放量及速率，監(jiān)測電池包及周圍環(huán)境溫度，并利用影像采集分析電池失效的起火過程，分析系統(tǒng)薄弱點(diǎn)位。在整車級評價中，在車內(nèi)外多點(diǎn)布置攝像頭，可觀察車輛中控臺熱報警信號。

從物質(zhì)釋放的角度上看，電池?zé)崾Э剡^程會釋放大量煙和氣體，其中包括CO、HF等有毒氣體。在整車級測試評價上，通過在乘員艙、車外等多處布置氣體傳感器，可監(jiān)測上述氣體在熱失控過程中的含量變化過程，評價失控產(chǎn)氣對乘員健康及外界環(huán)境的影響；同時，利用試驗場地布置的煙氣排放通道可對產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行收集及處理，對采集到的氣體樣本可進(jìn)一步通過氣相色譜、質(zhì)譜等手段分析氣體成分，實現(xiàn)對煙氣成分及各組分含量的定量分析。

3 動力電池測試評價技術(shù)展望

面向動力電池安全的測試評價，本文針對快充后安全性、底部沖擊防護(hù)和熱擴(kuò)散行為等實際問題，提出了系統(tǒng)化的測試評價技術(shù)方向。未來，動力電池測試評價技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展，以更全面地覆蓋復(fù)雜的使用工況并滿足更加嚴(yán)格的安全性要求。

• 一方面，從技術(shù)發(fā)展趨勢看，測試體系將加速向多物理場耦合建模與跨層級協(xié)同驗證方向延伸，通過集成數(shù)字孿生、人工智能與高精度傳感技術(shù)，構(gòu)建覆蓋材料-單體-模組-系統(tǒng)的全鏈條虛擬驗證平臺；

• 另一方面，智能化測試系統(tǒng)將突破傳統(tǒng)評價局限，借助多類型、多條件工況疊加分析，實現(xiàn)對復(fù)雜場景下電池衰減規(guī)律的精準(zhǔn)模擬。

本文作者：王芳、韓策、閆鵬飛、王煒娜、馬小樂、劉仕強(qiáng)

作者簡介：王芳，中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，教授級高級工程師，研究方向為新能源汽車及關(guān)鍵零部件測試技術(shù)。

文章來 源 ： 王芳, 韓策, 閆鵬飛, 等. 動力電池技術(shù)革新與典型安全評價技術(shù)綜述[J]. 科技導(dǎo)報, 2025, 43(11): 87?96 .

內(nèi)容為【科技導(dǎo)報】公眾號原創(chuàng)，歡迎轉(zhuǎn)載
白名單回復(fù)后臺「轉(zhuǎn)載」

《科技導(dǎo)報》創(chuàng)刊于1980年，中國科協(xié)學(xué)術(shù)會刊，主要刊登科學(xué)前沿和技術(shù)熱點(diǎn)領(lǐng)域突破性的研究成果、權(quán)威性的科學(xué)評論、引領(lǐng)性的高端綜述，發(fā)表促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、完善科技管理、優(yōu)化科研環(huán)境、培育科學(xué)文化、促進(jìn)科技創(chuàng)新和科技成果轉(zhuǎn)化的決策咨詢建議。常設(shè)欄目有院士卷首語、科技新聞、科技評論、專稿專題、綜述、論文、政策建議、科技人文等。