然而，随着技术与应用场景的复杂化，仅满足基本安全测试要求已难以应对日益严苛的实际需求。测试评价技术的精确性和针对性决定了动力电池的技术上限和应用深度，特别是在高能量密度、高倍率性能和极端温度条件下，其重要性更加突出。经过多年的技术积累，动力电池安全评价体系逐步完善，并形成了国家强制性标准GB 38031及其他安全规范[11]，然而，针对新型应用场景和技术方案的补充与扩展仍然至关重要，以应对未来技术发展的挑战。
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
动力电池技术革新主要体现在结构设计创新和化学体系升级2大方向，实现电池能量密度、安全性及充电能力的提升，更好地满足新能源汽车应用需求。
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，并预留一定的安全间隙。这种多层级设计虽然在可维护性、安全阻隔方面占据优势，但内部空间利用率仅约为40%[14]，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（cell to pack）、CTB（cell to body）、CTC（cell to chassis）等[15−17]，相较于传统CTM（cell to module）结构，这些创新设计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。然而，在追求高能量密度的同时，创新型结构设计必须平衡机械强度、散热能力和安全冗余等[4]。以大单体设计为例，通过增大电池单体尺寸来提升电池包内空间利用率，进而提高能量密度，但也可能导致电池使用中产热更集中，局部热管理难度增加，且大单体设计也对电池内部加工工艺提出更高要求，局部缺陷将对整块电池性能产生影响，进而影响电池安全性，因此，相应出现了电热分离、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[18−19]。典型电池系统集成结构如图 1所示[20]。
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，硅基材料因其高达4200 mA·h/g的理论比容量（远高于传统石墨负极的372 mA·h/g）而备受关注。然而，硅基材料在充放电过程中存在严重的体积膨胀问题（可达300%），导致电极结构破坏和容量衰减，需要调控其颗粒尺寸并结合高导电、可控制形变的载体，使其满足电池内使用要求[21−23]；此外，金属锂复合或无锂负极以其极高理论比容量及超低电化学反应电势（−3.04 V vs. 标准氢电极）被认为是负极材料的发展方向[24−26]，但需要解决锂沉积均匀性问题，避免由锂枝晶过度生长所引发的内短路及热失控风险。在正极材料方面，高镍三元材料（如NCM811和NCA）和富锂锰基材料因其高比容量（大于200 mA·h/g）和高工作电压（大于3.8 V）成为体系革新方向[27−30]。然而，高镍材料在高温和高电压下易发生相变和电解液分解，导致容量衰减和安全性问题；富锂材料则面临首次不可逆容量损失和电压衰减等问题，需要调控正极材料晶格结构，结合表面包覆等手段，使高比能正极材料应用于实际电池中。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[31−32]，进而引发电池内短路，导致局部温度急剧升高，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[33−35]。目前已有多种策略来应对高比能材料带来的安全性挑战。例如调控电解质，利用阻燃添加剂[36−37]或使用离子液体[38−39]可显著提高其热稳定性；进一步，利用电池固态化技术[40−42]，即应用高热稳定性的固态电解质能够有效避免液态电解液的泄漏和燃烧风险。
2 技术革新驱动动力电池升级
随着结构设计优化与化学体系革新的持续推进，动力电池技术在多个领域取得突破性进展。从动力电池产品升级的结果来看，主要体现在安全性提升、能量密度提升、快速充电能力增强等方面。
然后，通过材料创新与结构优化，共同推进电池系统能量密度提升。使用高比能正负极材料，如高镍三元、富锂锰基正极与硅基、金属锂基负极，并在结构设计上通过CTP、CTC等创新设计，实现体系本征能量密度及系统内空间利用率的提升，电池系统能量密度可达到250 W·h/kg以上，未来将可进一步突破至300 W·h/kg，将显著提升电动汽车的续航能力。
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。
3 动力电池安全评价新挑战
面向动力电池安全，需要在设计层面加强，也需要通过测试评价技术保障动力电池在全生命周期内的安全。新能源汽车使用中面临复杂路况行驶、多气候环境下静置或充电等复杂应用场景，并可能面临碰撞、涉水、振动、快充等多变工况。为保证动力电池全生命周期安全，测试评价技术需要具备模拟实车应用场景的能力，针对典型场景开展安全类测评。
3.1 快速充电后安全评价
在充电过程中，锂离子电池中锂离子从正极脱嵌，以溶剂化离子的形式通过电解液传输至负极，并在负极表面去溶剂化后嵌入负极材料中。锂离子在电极内的扩散速率、电解液中的迁移数以及去溶剂化能力均对电池的充电倍率性能产生重要影响。目前可支持快速充电的电池设计中，通过电极及界面改性优化锂离子的传输通道，或通过改进电解液配方提高锂离子迁移数与调控溶剂化行为，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[50, 54−55]。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。首先，部分锂离子无法顺利嵌入负极，而是在负极表面沉积形成锂枝晶，这些枝晶在后续循环中可能继续生长，甚至刺穿隔膜，导致内部短路及电池损伤；其次，锂离子的快速脱嵌和嵌入会引起正负极材料的结构变化，例如正极晶体结构损伤和负极层间距不可逆膨胀，进而降低活性材料利用率并加速电池失效；再次，高倍率充电还会导致电解液分解及界面副反应加剧，导致SEI/CEI（固态电解质界面膜）增厚并伴随内部产气，严重影响电池性能和安全性；最后，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如图 3所示[56]。
尽管目前通过多种设计手段已显著提升锂离子电池的快速充电能力，但在全生命周期应用中，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。由于电池内部为“黑箱”系统，对在役电池内部损伤情况的在线分析技术目前难以普及，因此，面向电池快充后的安全评价，通常基于运行过程中可采集的外部参数（如电压、温度、内阻等）的变化，开发模型监控电池内部副反应行为，实现失效的早期预警。在GB 38031的最新修订稿中，已针对电池单体增加了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（从20% SOC充电至80% SOC，总充电时间不超过15 min），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。此外，从电池设计端考虑，可基于长期测试结果，改进智能化电池管理系统（battery management system，BMS），结合实际电池状态（电池健康状态、SOC、温度分布等），动态调整电池快速充电策略，降低高倍率充电对电池的损伤。
3.2 机械安全评价
机械安全测试是动力电池全生命周期安全评价中的关键环节。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[57−58]。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[59]。利用底部安全测试能够有效模拟复杂路况对电池包的冲击与损伤，以应对包括颠簸路面、井盖弹起、撞击路缘石或雨中撞击未知障碍物等复杂工况，为评估电池包的抗外力能力和优化防护设计提供直接依据。因此，针对动力电池机械安全的测试技术研究，不仅是完善电池安全评价体系的必要步骤，更是确保动力电池在真实应用中安全可靠运行的技术保障。
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2个方向：车辆行驶方向（X方向）的正向冲击和垂直方向（Z方向）的底部撞击[60]。X方向的冲击模拟主要涉及车辆行驶过程中与障碍物的正向碰撞，其影响因素包括行驶速度、障碍物高度、材质及厚度等。利用跑道试验场地模拟正向冲击场景，通过牵引设备控制电池包移动速度，并设计可替换的典型冲击头，以再现常见的冲击工况，如台阶磕碰、障碍物撞击等。利用高速摄像机记录试验全过程，通过逐帧分析图像数据，精确测量异物对电池包的侵入量；结合力学仿真技术，进一步评估冲击过程中电池内部形变量。进一步，试验后通过电池包拆解技术定位失效点，并利用断层扫描等无损检测手段分析异物侵入对电池内部电极结构的破坏程度，从而实现从电池外壳到电池内部的跨层级损伤分析，揭示损伤在电池包内部的传递路径，为防护设计优化提供指导。模拟实车场景的底部正向冲击试验及仿真结果如图 4所示[60]。
Z方向的底部撞击主要评估垂直方向上外力对电池包的破坏效果，其试验关键变量包括撞击头尺寸、撞击能量等。当前常用的底部撞击能量为150 J，对应典型工况为10 kg冲击质量以约20 km/h速度产生的撞击能量。通过调节撞击头形状和冲击条件，模拟不同工况下对电池包的垂直撞击场景。结合试验验证与仿真分析，量化撞击能量对电池包底部防护性能的影响，重点评估电池外壳变形、电池单体损伤及可能的电化学行为变化。
在试验测试技术应用于底部防护设计验证的同时，也需要结合仿真技术等综合分析，以提升底部防护设计的有效性。利用多物理场耦合仿真技术，将力学仿真与热−电耦合仿真结合，预测外力作用下电池内部结构及电化学性能的变化，可评估失效风险；基于实验与仿真结果，利用机器学习算法挖掘影响电池包底部防护性能的关键变量，指导材料选择和结构设计。
考虑车用需求，电池包底部防护设计需兼顾轻量化、经济性与安全性的平衡。通过将新材料（如复合材料或高强度铝合金）与新结构引入电池包设计，并结合智能检测技术实现对电池包受力状态的实时监控，有望全面提升动力电池的耐久性和安全性，为电动汽车在复杂路况下的安全运行提供保障。
3.3 热安全评价
随着GB 38031中热扩散测试方法及相关要求的提出，动力电池热安全性能得到了显著提升。统计数据显示，能够满足单体热失控后5 min内电池包不起火、不爆炸要求的产品占比已从2020年的不足7%提升至2024年的80% 以上。这一进步显著降低了电池因热失控引发的安全风险。在GB 38031最新修订稿中，已面向电池包热扩散提出更严格的要求，要求电池包在热失控触发后不仅不起火、不爆炸，还考虑了能量和物质释放过程，要求热事件报警信号之后的5 min内无可见烟气进入乘客舱，以确保安全性能。
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，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。
面向动力电池的热安全评价，不仅需要从电池包或整车层级评价电池热扩散现象，也需要考虑从电池材料、电池单体等各层级的热特性，利用测试技术指导产品优化设计。例如，在材料层级，利用DSC（差示扫描量热技术）评价正负极关键材料在不同气氛下的热稳定性，并利用电极与电解质的组合测试评价材料间热稳定关系；在电池单体层级，利用ARC（绝热加速量热技术）分析电池失控的关键温度点，评价电池热失控触发难易程度及热失控发生后的能量释放行为，利用对电池比热容、导热系数、产热功率等基础参数的测试可指导电池系统热管理设计，通过系统有效控制降低电池单体热失控的概率。
尽管测试评价技术的发展能推动动力电池安全水平的提升，然而全生命周期内的安全性则是处于动态变化的系统工程。动力电池的安全边界随材料体系、使用工况及失效机制的耦合作用持续迁移，不存在绝对的“本征安全”，未来将基于应用场景驱动的安全分级体系，例如面向乘用车及商用车采用差异化电池系统设计，通过多维风险评估实现精准防护。
4 动力电池测试评价技术展望
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。
第一，测试技术将覆盖更多应用场景，针对实际工况中可能发生的多种失效模式，需完善适配不同场景的综合测试技术。例如，在快充场景下，开发结合充电倍率、环境温度与电池老化程度的联合测试方法；针对复杂机械冲击条件，测试技术应进一步结合多物理场耦合仿真技术，构建高精度的数字孪生模型，模拟电池包在极端机械载荷下的动态响应，为电池包的结构设计提供科学依据。但需解决高精度传感器植入工艺兼容性差、多物理场耦合模型计算复杂度高等技术瓶颈。
第二，数据监测体系需向多维参数动态采集升级。通过分布式光纤传感、微电极阵列等技术，有望实现对阻抗、气体、内部压力等更多关键参数的实时捕获。通过多点传感器的部署和在线监测技术的应用，测试过程可以实现全程记录和即时分析，为测试评价提供更加全面的动态数据支持。结合相关数据驱动的计算技术，测试评价有望实现对电池状态实时评估和预警的能力，进一步提升测试效率和数据利用率[63]。基于数据的测试评价技术仍面临多源异构数据融合困难的挑战，且需要发展低成本传感器来提升系统内传感密度，提升数据驱动测评的可靠性。
第四，进一步加强跨层级测试评价能力，通过热特性−热管理−热扩散的多级分析，形成热失控风险评估闭环。例如，通过电池单体级测试的热特性分析，结合电池包的热管理设计和整车级的热扩散行为测试，形成完整的热失控风险评估链条。此外，可结合失效模式与效应分析（failure mode and effect analysis，FMEA）方法，建立跨层级的失效树模型，识别关键失效节点并评估其影响权重，为系统安全设计提供量化依据。
5 结语
本文分析了动力电池技术革新方向及面向其安全评价的诸多挑战。技术革新方面已呈现化学体系革新与结构创新双轨并行发展的态势，并体现了将安全居于首位的设计思路。针对动力电池安全的测试评价，就快充后安全性、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框架，并对其未来发展方向进行了展望。通过覆盖多场景、跨层级和动态化的测试技术，以及智能化、数字化的分析工具，动力电池的安全评价能力将持续提升，为电池技术的持续优化和新能源汽车的高质量发展提供关键支持。
