动力电池技术革新与典型安全评价技术

原文发表于《科技导报》2025 年第11 期 《 动力电池技术革新与典型安全评价技术综述 》

近年来，通过材料创新、结构优化和管理系统升级，动力电池在能量密度、充电速度和使用寿命等方面取得了显著进展。然而，随着新技术的应用，动力电池的安全设计问题依然不容忽视，尤其在快充、底部磕碰和热事件等使用场景中仍存在较高的安全风险。本文系统梳理了动力电池技术革新的主要方向，包括结构设计创新及化学体系升级，并分析了由此引入的安全性能提升策略。从测试评价的角度，深入分析了电池快充、底部冲击及热扩散行为等前沿安全问题，并提出了针对电池全生命周期的安全评价技术。

新能源汽车作为现代交通领域的重要突破，其性能优化需要综合考虑安全性、续航里程、环境适应性、加速性能、便捷性和经济性等多维度因素。其中，动力电池作为新能源汽车的核心动力来源，其技术发展水平直接决定了整车的性能表现。因此，动力电池的技术研发重点聚焦于高安全性、高能量密度、宽温度适应范围、高倍率性能、长寿命以及低成本等方面，以满足日益多样化的车用需求。动力电池产业通过多种手段持续开展技术革新，而该过程引入的新设计、新体系是否安全可靠，需要利用完善的测试评价技术对其进行检验分析。

本文面向动力电池新结构、新工艺、新材料等技术革新，系统性分析其技术优势对电池性能与安全性等外特性的影响机制，基于测试评价视角提出安全性提升策略；重点针对长期使用中易引发的快充失效、底部机械损伤及热扩散等关键安全隐患展开多维度研究。同时，结合多参数融合测试、虚拟仿真技术及智能化检测系统等前沿方向，前瞻性探讨动力电池测试评价技术的发展路径，通过构建更完善的测试体系促进产品迭代升级与行业技术突破。

1 动力电池技术革新方向

动力电池技术的革新主要体现在结构设计创新和化学体系升级两大方向，实现电池能量密度、安全性及充电能力的提升，更好满足新能源汽车的应用需求。

1.1 结构创新设计

传统的动力电池包由电芯、电池模组和电池包3个层级构成，各层级通过结构部件进行封装，内部空间利用率仅约为40%，限制了电池包能量密度的进一步提升。

为突破这一瓶颈，近年来提出了多种创新结构设计方案，诸如CTP、CTB、CTC等，减少了结构部件的应用，显著提高了电池包内部空间利用率，从而在化学体系保持不变的情况下，实现了电池包能量密度的显著提升。例如，CTP技术通过直接将电芯集成到电池包中，省去了模组层级，使得空间利用率大幅提高，能量密度显著增加。同时，电热分离、优化换热通道布局以及采用先进的电池管理系统等新设计，可以在提升散热能力的同时，增强整包的快速充电性能，为电池的高效运行提供支持。

1.2 化学体系升级

革新电池化学体系是提升动力电池能量密度的直接且有效途径。首先，高比能正负极材料的开发是提升电池能量密度的核心。

• 在负极材料方面，硅基材料备受关注，金属锂复合或无锂负极被认为是负极材料的发展方向；

• 正极材料方面，高镍三元材料和富锂锰基材料将逐步投入产业。

然而，高比能材料的引入显著增加了电池的热失控风险。以锂枝晶生长为例，其形成机制与局部电流密度不均匀、电解质分布不均以及界面副反应密切相关，进而引发电池内短路，导致局部温度急剧升高，进而引发电解液分解和正极材料热分解，释放大量热量和气体，最终导致电池热失控。因此可通过利用电解质阻燃添加剂或使用离子液体提高热稳定性，进一步，利用电池固态化技术，即应用高热稳定性的固体电解质能够有效避免液态电解液的泄漏和燃烧风险。

通过结构优化和化学体系升级，动力电池技术正朝着更高能量密度、更优性能和更强安全性的方向快速发展，推动新能源汽车向更安全、更便捷、更长续航的方向发展，加速交通领域的电动化转型。

2 动力电池安全评价新挑战

新能源汽车使用中面临复杂场景及多变工况。面向快充、机械安全及热安全等实车场景分别讨论。

2.1 快速充电后安全评价

目前可支持快速充电的电池设计中，利用合理的电极结构设计与电解液优化实现锂离子的快速迁移。然而，当充电倍率超出电池设计能力时，会引发一系列不良后果，包括锂枝晶生长、正负极材料结构变化、电解液分解及副反应加剧等，伴随内部产气，严重影响电池性能和安全性；相应的，充电过程中的产热效应在上述副反应的作用下会进一步加剧，导致内阻增大，后续充电时产热量增加，从而提升电池热失控的风险。快速充电过程中锂沉积示意图如图1所示。

图1 快速充电过程中锂沉积示意图

在全生命周期应用中，电池容量衰减和内部损伤的累积仍难以避免，快充能力随之下降，原本适用于新电池的充电策略可能不再适用，进而影响快充后的电池安全性。在GB 38031-2025中，已面向电池单体增加快充后安全的试验方法及相关要求，对于具备快速充电能力的单体，在进行300次快速充电循环后进行外部短路试验，应不起火、不爆炸。通过标准修订加强了对电池单体快充后安全的监测，降低了因长期快充循环后安全边界收缩而引发的安全风险。

2.2 机械安全评价

车辆在行驶过程中可能面临多种机械应力的作用，包括路面振动、底部磕碰或遭受冲击等，这些外力可能对电池包的结构完整性和内部电池单体造成潜在威胁。其中，考虑到电动乘用车的动力电池包通常安装于车辆底部位置，底部防护是机械安全性的典型场景，通过底部防护设计可提高电池包的结构强度与抗冲击性能，有效保护电池单体免受外力作用，从而避免因外力导致的电池失效及其可能引发的安全隐患。

在基于实车场景的测试中，电池包底部防护的验证主要集中在两个方向：车辆行驶方向（

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图2 模拟实车场景的底部正向冲击试验及仿真结果

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2.3 热安全评价

热安全问题作为电池失效累积的最终表现形式，需要从失效触发、失效行为及失效结果3个方面进行全面的综合评价。在失效触发方面，目前标准针对电池包或系统开展测试，推荐的热扩散触发路径包括外部加热、内置加热及针刺试验，能够有效模拟单体热失控对电池包的热扩散影响。然而，在复杂实车场景中，电池包起火的诱因往往并非单一单体热失控，而可能源于外部极端条件下的多重因素叠加。因此，除了电池包层级的测试，需考虑整车级别的热安全测试。例如，通过模拟侧面炙烤、底部火烧等极端工况，评价整车层级热失控的触发路径及传播规律，进一步完善现有测试技术。

对失效行为的评价需要综合评估能量释放和物质释放两个主要方面。在热失控过程中，电池电压迅速下降，储存的化学能以热能形式大量释放，导致电池温度骤升，并伴随起火和物质燃烧。副反应生成的高温气体喷发产生动能，可进一步加剧燃烧和扩散，且在实车场景下，动力电池包可近似认为处于半封闭环境中，可燃气体的积累将显著提升电池爆炸的风险。测试评价过程需要分析电池失控过程的能量释放量及速率，监测电池包及周围环境温度，并利用影像采集分析电池失效的起火过程，分析系统薄弱点位。在整车级评价中，在车内外多点布置摄像头，可观察车辆中控台热报警信号。

从物质释放的角度上看，电池热失控过程会释放大量烟和气体，其中包括CO、HF等有毒气体。在整车级测试评价上，通过在乘员舱、车外等多处布置气体传感器，可监测上述气体在热失控过程中的含量变化过程，评价失控产气对乘员健康及外界环境的影响；同时，利用试验场地布置的烟气排放通道可对产生的烟气进行收集及处理，对采集到的气体样本可进一步通过气相色谱、质谱等手段分析气体成分，实现对烟气成分及各组分含量的定量分析。

3 动力电池测试评价技术展望

面向动力电池安全的测试评价，本文针对快充后安全性、底部冲击防护和热扩散行为等实际问题，提出了系统化的测试评价技术方向。未来，动力电池测试评价技术需要进一步发展，以更全面地覆盖复杂的使用工况并满足更加严格的安全性要求。

• 一方面，从技术发展趋势看，测试体系将加速向多物理场耦合建模与跨层级协同验证方向延伸，通过集成数字孪生、人工智能与高精度传感技术，构建覆盖材料-单体-模组-系统的全链条虚拟验证平台；

• 另一方面，智能化测试系统将突破传统评价局限，借助多类型、多条件工况叠加分析，实现对复杂场景下电池衰减规律的精准模拟。

本文作者：王芳、韩策、闫鹏飞、王炜娜、马小乐、刘仕强

作者简介：王芳，中国汽车技术研究中心有限公司，教授级高级工程师，研究方向为新能源汽车及关键零部件测试技术。

文章来 源 ： 王芳, 韩策, 闫鹏飞, 等. 动力电池技术革新与典型安全评价技术综述[J]. 科技导报, 2025, 43(11): 87−96 .

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