设计汽车电池组：敏感性分析、案例研究及基于BatPaC的见解

锂离子电池成本驱动因素与材料优化研究。基于BatPaC 5.2模型分析NMC811/LFP与石墨/硅碳复合阳极组合对100kWh电池包成本（109-111美元/kWh）及性能的影响，发现提高单体电压10%可降低成本6-8%，材料价格波动对NMC811-G影响更显著（每美元/kg阴极材料导致成本上升1.6-2.39美元/kWh）。研究提出通过高镍NMC与硅碳阳极协同设计，结合规模化生产（10GWh/年），有望实现100美元/kWh成本目标。

　　

作者名单：Shabbir Ahmed | Kevin W. Knehr | Mohammed B. Effat | Joseph J. Kubal | Zoushuang Li

所属机构：阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory），化学科学与工程部，电化学储能主题研究团队，地址：9700 S. Cass Ave., Lemont, IL, 60439, 美国

摘要

汽车用锂离子电池组受到重量、体积、成本、安全性、循环寿命以及快速充电能力等限制。本文量化了影响电池性能和成本的关键参数的作用。研究采用了Battery Performance and Cost (BatPaC) 5.2模型，分析了不同正极活性材料（NMC811、NMC9055、NCA、LMR、LFP和LMFP）和两种负极活性材料（石墨和石墨-硅）对电池组性能的影响。敏感性分析表明，将电池电压提高10%可使NMC811和LFP电池组的成本降低6-8%；正极活性材料价格每增加1美元/千克，NMC811和LFP电池组的成本分别增加1.6美元/千瓦时和2.39美元/千瓦时；LiOH·H₂O和Ni的价格每增加1美元/千克，NMC811电池组的成本分别增加0.68美元/千瓦时和0.72美元/千瓦时。尽管LFP-G的比能量较低，但NMC811-石墨电池组的锂需求（千克·千瓦时）略高于LFP-石墨电池组。研究表明，插电式混合动力汽车（PHEV）电池的每千瓦时成本更高。最后，本文探讨了通过材料选择和设计参数的优化组合，有望将NMC-G电池组的成本降低约100美元/千瓦时。

引言

随着电动汽车（EV）在全球汽车市场的快速发展，预计到2025年全球销量将达到9100万辆，其中美国市场将贡献1600万辆，其中169万辆为纯电动汽车（BEV，132万辆）和插电式混合动力汽车（PHEV，37万辆）。预计到2030年，美国市场中的BEV和PHEV渗透率将从2025年的10.8%（全球为24.3%）上升到21.8%（全球为42.4%）[1]。 由于市场上车型种类繁多，这些电池在需求、尺寸（重量和体积）、容量（千瓦时）和价格方面存在很大差异。为实现规模经济，业界在巨型工厂（gigafactories）中大规模生产电池单体[2,3]，然后根据不同车型要求组装成相应的电池组（能量、电压等）。这些汽车推进电池主要采用锂离子技术[4]，在过去二十年里，该技术在能量密度（Wh·L^?1）、比能量（Wh·kg^?1）、成本和循环寿命方面取得了显著进步[5]。 锂离子电池家族提供了多种正负极活性材料组合[6]。最常见的正极活性材料包括锂镍锰钴氧化物（NMCxyz，其中x、y、z分别代表Ni、Mn、Co的原子比例）、锂镍钴铝氧化物（NCA）和磷酸铁锂（LFP）。负极材料方面，石墨是最常用的材料，通常会添加少量硅以提高其比容量（mAh/g）。Rho Motion的最新报告显示，2025年全球电动汽车市场中NMCxyz、NCA和LFP的市场份额分别为45%、4%和50%；负极材料方面，石墨和石墨-硅混合物的市场份额分别为92%和7%[1]。未来的改进方向包括使用更高镍含量的正极材料以及磷酸铁锂（LMFP）以提高比能量[7,8]。 设计汽车电池组是一个复杂的工程过程，需要综合考虑电极化学成分、电池单体材料及其他设计参数，以满足能量、功率、快速充电、循环寿命和安全性的要求，同时还要控制在电池组的质量、体积、尺寸（长度、宽度、高度）和成本范围内[9,10]。汽车锂离子电池的设计和制造参数空间非常广泛。例如，在电池单体层面，设计参数包括：1）电极活性材料的选择及其性能（如mAh·g^?1、半电池电位[6]；2）多孔电极参数（如颗粒大小、形态（单晶或多晶）、尺寸分布、电极孔隙率、负载量；3）电池单体平衡要求（负极与正极的比例、负极的多余面积）；4）电解质配方、所需添加剂以及隔膜性能[7,8]。在模块和电池组层面，还需考虑电气、热管理和机械设计参数，如串联并联连接方式、热管理技术、缓冲垫、外壳材料等[11]。所有这些设计都受到生产成本的影响，生产成本不仅包括电池材料成本[12]，还包括材料损耗、资本设备成本、劳动力成本、生产场地面积、能源消耗、废弃物管理以及保持高产率的成本[13],[14],[15]。大规模生产工厂（年产能GWh级别）对于实现规模经济效应至关重要。为了加速汽车电池的设计和制造，需要对各种设计参数进行全面的性能和成本分析[16]。 在能源部的支持下，阿贡国家实验室通过开发Battery Performance and Cost (BatPaC)模型[17]来跟踪这一技术的发展。通过学术文献、内部实验研究[18],[19],[20]、拆解报告[21]以及与行业的直接交流，研究人员能够将关键参数及其相互作用纳入电池设计和制造过程中，以估算电池成本。在之前关于参数敏感性的研究基础上[22]，本研究进一步深入探讨了对BEV和PHEV用锂离子电池成本影响最大的参数和价格。本文首先分析了NMC811-G和LFP-G电池组的成本驱动因素，为降低电池组成本提供了研究方向。随后研究了多种电极化学组合对电池组性能指标的影响，以理解当前电池技术的发展趋势。这些参数包括比能量（Wh·kg^?1）、能量密度（Wh·L^?1）、成本（美元/千瓦时）和材料强度（千克·千瓦时）。在美国国内供应背景下，材料强度成为一个日益重要的指标。最后，本文利用成本敏感性分析提出了一个潜在的路径，可使电池组成本降低至约100美元/千瓦时。

研究概述

研究方法

电池单体和电池组的成本及其他结果是通过阿贡国家实验室的BatPaC 5.2模型[23]计算得出的。我们之前的研究[22]已经确定电池电压、比容量（mAh·g^?1）、电极负载量（mAh·cm^?2）、电池组中的单体数量以及关键材料价格是任何通用电池设计中的重要成本驱动因素。本研究针对两种基线电极化学组合（NMC811-石墨）深入分析了这些参数的影响。

结果与讨论

本节首先分析了使用NMC和LFP正极活性材料的两种基线电池组的设计模拟结果。首先对基线电极组合的电池组成本进行了分解，并研究了材料性质、价格和生产参数等参数对总成本的影响。接着，研究了多种电极化学组合对电池组性能指标和材料需求的影响。

结论

本研究以两种基线电池组为例（一种使用NMC811-G电极组合（正极为LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂，负极为石墨），另一种使用LFP-G电极组合（正极为LiFePO₄，负极为石墨），发现当年产量为10 GWh时，电池单体成本在90至93美元/千瓦时之间，电池组成本在109至111美元/千瓦时之间。

作者贡献声明

Shabbir Ahmed：负责撰写、审稿与编辑、方法论制定、数据分析及概念构建。 Kevin W. Knehr：负责撰写、审稿与编辑、方法论制定、数据分析及概念构建。 Mohammed B. Effat：负责撰写、审稿与编辑、方法论制定、数据分析。 Joseph J. Kubal：负责撰写、审稿与编辑、方法论制定、数据分析及概念构建。 Zoushuang Li：负责撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务关系/个人关系：Shabbir Ahmed表示获得了美国能源部的财务支持；Mohammed B. Effat表示获得了美国国家公路交通安全管理局的财务支持。其他作者声明没有已知的可能影响研究结果的财务关系或个人关系。

致谢

作者感谢美国能源部的Thomas Do和Brian Cunningham以及美国交通部国家公路交通安全管理局的Jessica Suda提供的支持。阿贡国家实验室是美国能源部科学办公室下属的实验室，由UChicago Argonne, LLC根据合同号DE-AC-02-06CH11357运营。