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目前市场上主流动力电池技术以铅酸电池、镍氢电池、燃料电池和锂电池技术为主，其中锂离子动力电池是基于一次性锂电池技术高速发展起来的，具有高比能量、高比功率、低污染、低放电率等诸多优点，是目前最受科研机构、电池厂商及汽车厂商青睐的车载动力电池系统，同时也是目前纯电动汽车动力电池系统研发的主要方向。下面我们以锂离子动力电池为例详细阐述其工作原理及安全问题。
锂离子动力电池的结构组成及工作原理图如图2-2所示，主要由正极、负极、电解液、隔膜、包装部件以及外部连接构成，其中正极、负极均匀涂布于铜箔和铝箔集流体上。由于正极电位较高，所以正极材料常为嵌锂过渡金属氧化物或者聚阴离子化合物，如图2-2中所示的钴酸锂（LiCoO 2 ），还有锰酸锂（LiMn 2 O 4 ）、三元（Li（NiCoMn）O 2 ）、磷酸铁锂（LiFePO 4 ）等；负极通常为石墨和非石墨化碳等碳素材料；电解液主要是由有机混合溶剂和锂盐构成的非水溶液，溶剂多为碳酸之类的有机溶剂，锂盐多为单价聚阴离子锂盐，如六氟磷酸锂（LiPF 6 ）等；电池隔膜多为聚乙烯（（C 2 H 4 ） n ）或者聚丙稀（（C 3 H 6 ） n ）微孔膜，主要起到隔离正、负极物质的作用，隔膜只允许电解液中的离子通过，但是会阻止电子穿过。
图2-2 锂离子动力电池的结构组成及工作原理
在电池充、放电过程中，锂离子在电池间往返迁移。充电过程中，电池内部的锂离子从正极脱出，由电解液穿过隔膜并嵌入负极中；电池外部的电子通过外部电路迁移到负极。放电过程中，电池内部的锂离子从负极脱出、穿过隔膜嵌入正极中；电池外部的电子通过外电路迁移到正极。
在中国、美国、日本和欧盟等主要国家和地区大力推动发展新能源汽车的背景下，近年来全球锂离子动力电池市场保持高速增长的趋势。SNE Research预测，2025年动力电池在新能源汽车领域的配套量将达到1.1TW·h以上，2030年将达到2.9TW·h以上；动力电池出货量预计将在2025年达到1.4TW·h，2030年达到3.5TW·h。
2021年，全球动力电池累计装机量为296.8GW·h（数据来源：韩国市场研究机构SNE Research）。2021年，国内新能源汽车销量约352.1万辆，同比增长157.5%，市场占有率提升至13.4%，说明新能源汽车市场已经从政策驱动转向市场拉动；我国动力电池累计产量为219.7GW·h，同比增长163.4%；我国动力电池累计销量达186.0GW·h，同比增长182.3%；我国动力电池累计装机量154.5GW·h，同比增长142.8%（图2-3）。2021年，我国动力电池装机量约占全球的52%。
图2-3 2021年国内动力电池装机量及同比增速
数据来源：中国汽车动力电池产业创新联盟。
2021年国内电池企业装机量及市场份额如图2-4所示。2021年全年，我国新能源汽车市场共计58家动力电池企业实现装车配套，较去年同期减少13家，排名前3家、前5家、前10家动力电池企业动力电池装机量分别为114.6GW·h、128.9GW·h和142.5GW·h，占总装机量比分别为74.2%、83.4%和92.3%。宁德时代以52%的国内市场占有率位居第一；比亚迪16%的占有率居于第二；分别排第三、第四、第五的是中创新航、国轩高科和LG新能源。
图2-4 2021年国内电池企业装机量（GW·h）及市场份额
数据来源：中国汽车动力电池产业创新联盟。
动力电池作为新能源汽车能量存储与转换装置的基础单元，其电性能、安全可靠性和使用寿命等对整车设计、开发、运营以及维护至关重要，直接影响新能源汽车的市场应用和普通消费者的接受度，其技术发展水平是全球汽车产业电动化转型的关键支撑。
从新能源汽车的成本构成来看，动力电池系统成本约占整车成本30%～40%，动力电池系统已经成为新能源汽车的核心零部件，动力电池技术已成为体现各企业研发实力和主打优势的核心技术。为提高新能源汽车的推广应用程度，动力电池应具备以下关键特性：高能量密度、高功率密度、长循环寿命、宽工作温度范围、低成本、高安全性。
从整体上看，目前动力电池技术路线多样，且呈现多元化趋势。除了已经成熟量产的磷酸铁锂电池、三元材料电池、无钴电池、四元材料电池外，还有钠离子电池、固态电池、锂金属电池等已形成样品即将量产的电池技术，也存在锂硫电池、锂空气电池等尚处于实验室阶段的新体系电池技术。
1）磷酸铁锂电池：诞生于1996年，美国和日本率先研发了磷酸铁锂电池。目前其比能量为180～190W·h/g，优势企业可达到200～210W·h/kg。磷酸铁锂电池目前广泛使用在中低端新能源汽车及小部分高端车型中。
2）三元材料电池：三元材料可以分为NCM（镍钴锰酸锂）和NCA（镍钴铝酸锂）两种。NCM三元材料电池发明于2008年，现已成为新能源汽车动力电池主要类型之一。NCA三元材料电池发明于1999年，应用企业较少，主要是松下。目前两种电池比能量均能达到300W·h/kg，且呈现两种技术趋势，一种是往高比能发展的高镍/超高镍三元电池，目前已量产811（镍钴锰比例）三元电池，90系及更高的95系超高镍产品正逐渐产业化；另一种是兼顾高安全与高比能的中镍三元电池，如523三元电池。
3）无钴电池：狭义的无钴电池指层状镍锰两元正极材料的电池。其发明时间为2019年，蜂巢能源率先在全球实现了该电池的量产。目前其比能量达到240W·h/kg，与中镍三元电池相当。
4）四元材料电池：是指正极材料为NCMA的动力电池，发明时间为2019年。其在NCM材料的基础上增加了铝元素，可以降低正极材料的成本，目前比能量可达到300W·h/kg。
5）钠离子电池：钠离子电池研究起源于20世纪80年代，但电性能较差。2010年以来，随着电池材料技术的进步，钠离子电池性能获得明显进步。目前已达到比能量160W·h/kg，且具备良好的快充能力和低温性能。目前，第一代钠离子电池已实现量产。
6）固态电池：固态电池研究起源于20世纪70年代，到目前已形成了固液混合电池的研发及产业化，即将量产的固液混合电池比能量可达360W·h/kg。但全固态电池还存在明显缺陷尚未解决，距离产业化还有较长时间。
7）锂金属电池：即负极材料为锂金属的电池，其研究可追溯到20世纪70年代。但由于锂金属电池在充电时存在安全风险，一直没能实现商业化。直到最近，才陆续有锂金属电池的产品逐渐推出，其比能量可达到550W·h/kg。
8）锂硫电池：锂硫电池是以硫元素作为电池正极，金属锂作为负极的一种锂电池，它的反应机理不同于锂离子动力电池的离子脱嵌机理，而是电化学机理。目前其尚处于实验室阶段，比能量可达到609W·h/kg。
9）锂空气电池：锂空气电池的负极材料为锂，使用氧气作为正极多孔碳电极，具有高能量密度的潜力。目前其尚处于实验室阶段，理论能量密度上限达到11000W·h/kg。
磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂（LiFePO 4 ）作为正极材料，石墨作为负极材料的锂离子动力电池，单体额定电压为3.2V，充电截止电压为3.6~3.65V。充电过程中，磷酸铁锂中的部分锂离子脱出，经电解质传递到负极，嵌入负极材料；同时从正极释放出电子，自外电路到达负极，维持化学反应的平衡。放电过程中，锂离子自负极脱出，经电解质到达正极，同时负极释放电子，自外电路到达正极，为外界提供能量。
磷酸铁锂电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点。
目前，我国磷酸铁锂电池的性能处于全球先进水平，比能量普遍达到180～190W·h/kg，部分厂家能实现200W·h/kg以上。磷酸铁锂正极材料的克容量能达到160mA·h/g，其理论比容量是170mA·h/g。
同时磷酸铁锂循环寿命长，磷酸铁锂电池1C循环寿命普遍达3000次以上，能够保证8～10年的使用寿命。磷酸铁锂电池安全性能好，其正极材料电化学性能比较稳定，即使在短路、过充电、挤压、针刺等特殊条件下，仍是较安全的。
目前，国内磷酸铁锂电池的优势企业有宁德时代、比亚迪、国轩高科、中创新航、力神、亿纬锂能等，磷酸铁锂材料的优势企业有湖南裕能、德方纳米、湖北万润、龙蟠科技等。比亚迪研发并量产的“刀片电池”，进一步提高了磷酸铁锂电池的比能量与安全性，促进了磷酸铁锂电池的技术进步。
国外动力电池企业，包括LG新能源、SKI、三星SDI和松下电池，过去主要以三元电池为主要侧重技术路线和方向。不过随着磷酸铁锂能量密度不断提升且经济性更高，在特斯拉、大众等国际头部车企相继采用磷酸铁锂电池后，LG新能源和SKI也将切入磷酸铁锂电池技术领域，目前正在进行磷酸铁锂电池的研发，预计2022—2023年完成试生产。
2021年全年，我国动力电池累计产量219.7GW·h，累计同比增长163.4%。其中，磷酸铁锂电池累计产量125.4GW·h，占总产量的57.1%，累计同比增长262.9%。可以看到，磷酸铁锂电池由于成本较低，近年来在新能源汽车的搭载比例逐渐升高，短期内会维持广大的市场规模。
三元材料电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O 2 ）或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池，三元复合正极材料是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，镍钴锰添加的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高。三元材料电池是在容量与安全性方面比较均衡的电池，循环性能好于正常钴酸锂电池，前期由于技术原因其标称电压只有3.5~3.6V，在使用范围方面有所限制，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平。
当前，我国三元材料电池的性能处于全球先进水平，比能量普遍达到250W·h/kg，部分厂家能实现300W·h/kg以上。目前，三元材料的克容量能达到210mA·h/g，不同组分的三元材料理论比容量有差异，大致为280mA·h/g左右。
国内三元材料电池的优势企业有宁德时代、中创新航、国轩高科、力神、亿纬锂能等，三元材料的优势企业有容百科技、当升科技、中伟新材料、华友、长远锂科等。
国外动力电池企业主要以三元材料电池为主，包括日本的松下，韩国的LG新能源、SK on、三星SDI。但松下的三元材料不同于NCM，而是采用了NCA材料。
目前行业内主要通过采用高镍/超高镍三元正极材料，以及采用硅基负极材料，进一步提升三元材料电池的比能量，后期将以实现比能量350W·h/kg甚至400W·h/kg为长期目标。
2021年，三元电池累计产量93.9GW·h，占全国动力电池总产量的42.7%，累计同比增长93.6%。在未来一段时间内，高端车型基本还是以三元材料电池为主，市场规模保持良好前景。