宁德时代，重磅Nature系列综述！电池集成的“功能重分配”哲学！

实际电池所输出的能量密度，往往仅占其活性材料所能提供能量密度的一部分。连接、冷却、保护和控制都需要本身不储能的结构。随着传统电芯化学体系带来的性能增益逐渐放缓，制造商正试图去除部分结构，并将电池更紧密地集成到其驱动的车辆、飞机或机器人中。然而，每一条被去除的边界，都曾承载着必不可少的功能。

基于此，宁德时代新能源科技股份有限公司欧阳楚英教授和窦鑫维博士等人提出电池集成最好被理解为一种功能重分配（function reassignment）的过程：只有当某条边界的功能被转移到更少、更轻或更多功能的组件上时，这条边界才应该被去除。因此，衡量集成进步的指标，不再是工程师能去除多少结构，而是电芯的能量有多少能作为系统级性能、安全性和全生命周期价值被真正保留下来。

图1 | 从活性材料到电池包的能量密度损失。a，从材料到电极、电芯、模组和电池包的多尺度集成层级，以及各层级代表性的损失驱动因素和功能开销。b，部分商用锂离子及新兴电芯技术的电芯级比能量与体积能量密度（符号形状代表电芯形态，阴影区域代表化学体系或技术类别）。c，不同设计与集成尺度下，重量（深蓝方块）与体积（浅蓝圆圈）能量密度的归一化保留率。

图1揭示了“能量都去哪了”的残酷现实。从原材料到最终电池包，重量和体积能量密度通常会折半甚至更多。图1b显示，即使采用了固态电池或锂金属等先进体系，圆柱、方形、软包等不同封装形态也极大地限制了电芯级性能上限。图1c则清晰指出：电极孔隙、集流体、隔膜、电解液、外壳以及电池包的热管理空间，都在不断稀释有效能量。因此，集成的首要目标，就是尽可能多地把图1c中“流失”的能量密度，重新抢回到系统层面。

图2 | 电动汽车电池集成架构。a，从基于模组的电池包，到无模组电池包，再到承载体一体化（CTB）和底盘一体化（CTC）架构的示意图；电池从独立的能量单元转变为车辆结构的一部分。b，不同架构和化学体系下，已报道的电池包级比能量和体积利用率（VUE）范围。c，不同集成层级下结构层的对比（实心圈表示保留，空心圈表示去除或非独立层级）。

图2是本综述的演进主线。从传统的CMP（电芯-模组-电池包）到CTP（电芯直接成包），再到CTB（电芯直接集成到车身）和CTC（电芯集成到底盘），结构层层剥落。但必须注意：去除模组，意味着原本模组承担的固定、传感、热管理功能要转移给电池包；去除电池包上盖，意味着电池要分担车身底板的刚度。图2b显示，尽管CTP/CTB的VUE（体积利用率）大幅提升，但如果电芯本身的化学体系（如LFP对NMC）存在差异，包级比能量未必超越更传统但采用高比能化学体系的方案。

图3 | 电池包架构包含多化学与多核设计。a，混合电芯化学体系的电池包，两种化学体系由共同的BMS管理，可针对能量/功率或成本/低温性能进行比例与布局调优。b，具有两个可分离能量域的双核电池，改变核间连接可实现备用运行、均流、电压重构和冷启动预热。c，用于电动飞机的多核电池架构。

当单一化学体系无法满足极端工况时，“功能重分配”从物理结构延伸到了化学与电气拓扑层面。图3a展示了将高比能的电池与高功率/耐低温的电池混合排布，相当于让不同的化学体系承担不同任务。图3b则展示了“多核架构”，通过开关矩阵物理隔离不同的电池包模块，某一部分发生热失控，其他部分依然可以供电，甚至可以通过串联/并联切换改变输出电压。这种设计在追求极致安全冗余的电动航空（图3c）中显得尤为重要。

图4 | 电动飞机与人形机器人的电池集成概念。a，电池-机体集成概念（翼下/舱内挂载、电芯-机体集成、共形集成、结构电池复合材料）。b，人形机器人中电池集成的布局（外部背负、集中式躯干、分布式躯干、结构承载式、仿生结构网络）及其重心、失效行为和维护性对比。

针对新兴应用，设计的首要约束不再是“体积利用率”，而是平台耦合。对于飞机（图4a），Breguet公式表明航程与电池质量分数高度相关，但航空级的安全性要求极其严苛的故障隔离。一架飞机不能因为某几个电芯故障就直接坠毁，因此即便采用了CTC技术，飞机电池依然需要高度冗余的隔舱设计。对于人形机器人（图4b），电池不仅要储能，更要作为配重来平衡运动重心。图4b清晰对比了不同方案的优劣：外置背包简单，但影响重心和抗摔性；分布式或结构承载电池（将躯干/骨骼变成电池）能完美优化动力学，但维护性极差。

图5 | 锂金属和固态电池集成中出现的独特设计考量。a，近平面与非平面沉积/剥离。b，动态与空间压力管理。c，不同电池类型的堆叠压力范围。d，堆叠压力依赖的失效模式。e，传统电芯堆叠与固态电芯双极堆叠对比。

当电池化学体系走向锂金属和固态电池时，“压力”从固定的组装参数变成了动态的运行变量。图5a-d表明，固态电池如果压力太小，固-固接触不良会导致极化增加；压力太大，又会导致锂金属蠕变甚至刺穿电解质造成短路。因此，电池包不仅要提供热管理，还要提供精密的主动压力管理（如气囊或机械压紧机构），这在传统的液态锂离子电池中是不曾有的挑战。图5e展示了双极堆叠（Bipolar stacking），它通过内部串联减少了大量外部连接件和外壳，极大地提升了体积能量密度，但这也意味着故障隔离的难度进一步加大（一处短路可能导致整个模组失效）。

结论

本文打破了业界简单追求“体积利用率（VUE）”和“结构简化”的迷思，提出电池集成本质上是功能的重新分配。每一层外壳、每一个模组，其存在都是为了提供机械支撑、热管理、电气隔离或安全防护。在设计CTP、CTB甚至CTC架构时，必须确保这些功能被成功转移到了更轻、更高效的载体上，否则就会带来极大的系统惩罚（如维修困难、热失控蔓延风险增加、气密性下降）。

未来，从锂金属、固态电池的引入，到电动航空、人形机器人的兴起，都将电池推向更为复杂的平台耦合边界。无论是固态电池对堆叠压力的苛刻要求，还是飞行汽车对冗余架构的执念，都要求工程师跳出“单纯减重”的思维定势。真正的集成进步，不在于去除了多少结构，而在于在极限去除边界后，依然能守住系统级能量密度、安全性、可维护性与全生命周期价值的底线。

Liang, HP., Wang, H., Sun, X. et al.Battery integration as function reassignment. 

Nat Rev Electr Eng (2026). https://doi.org/10.1038/s44287-026-00342-2

文章来源：电解质前沿