撰文/N.E.S 張　凱

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新能源汽車動力電池如是說

撰文/N.E.S 張凱

隨著我國新能源汽車銷量的不斷攀升，一些新材料電池層出不窮。比如，“充電8分鐘可續(xù)駛1000公里”的石墨烯電池、“循環(huán)7500次后容量幾乎沒有衰減”的鋁空氣電池......一時間，這些新型電池被炒得沸沸揚揚，報道中不乏“顛覆”、“革命”等詞語。這些內(nèi)容可能會讓一些人感到驚訝，也可能讓一些人聽上去摸不著頭腦。沒關系，《新能源汽車新聞》從本期開始將進行一系列關于新能源汽車動力電池方面的報道。

電池=心臟

如果說傳統(tǒng)汽油車的“心臟”是動力系統(tǒng)，那么新能源汽車的“心臟”則是電池系統(tǒng)，因為電池品質(zhì)的優(yōu)劣直接關系到車輛續(xù)駛里程的多少、使用過程是否簡單高效等。電池作為電動汽車的動力源，一直以來都被視為電動車發(fā)展的重要標志性技術，但同時也是制約電動車發(fā)展的瓶頸。

新能源汽車中電池的分類：

電池從廣義上講主要可分為化學電池、物理電池和生物電池三大類，其中化學電池和物理電池已經(jīng)應用于量產(chǎn)電動汽車中，而生物電池則被視為未來電動車電池的重要發(fā)展方向之一。

新能源汽車蓄電池

鉛酸電池：

中國電子科技集團第十八研究所電池專家肖成偉表示：“目前，國內(nèi)鉛酸電池主要應用在低速電動車領域。另外，我們常說的‘汽車蓄電池’就是鉛酸電池，它可以用來給車輛提供啟動電流以及給車內(nèi)用電器供電等?！?/p>

通過上述表格不難看出，鉛酸電池在低溫下的放電性能要優(yōu)于鋰離子電池，足以應對中國絕大多數(shù)地區(qū)的惡劣環(huán)境。另外，大電流特性也是鉛酸電池的另一個優(yōu)點。一般來說，汽車在啟動時的瞬間電流大都在200A以上，就目前的鋰離子電池正負極材料石墨和鈷酸鋰而言，二者都不屬于高功率型負極材料，在高倍率下性能會急劇下降；而當前技術比較成熟的高功率型負極材料鈦酸鋰和正極材料磷酸鐵鋰，又存在著脹氣和低溫性能差等“硬傷”，二者都會讓電池的性能快速衰減，還可能帶來安全隱患。

鎳鎘電池：

鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，經(jīng)濟耐用。其內(nèi)阻很小，既可以快速充電，又可為負載提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。

鎳氫電池：

相比鎳鎘電池，質(zhì)量更輕、壽命更長，而且在電量儲備方面增加30％，但是鎳氫電池的價格比鎳鎘電池昂貴許多。豐田現(xiàn)款普銳斯采用的就是鎳氫電池組，但由于記憶效應，即電池在循環(huán)充放電過程中容量會出現(xiàn)衰減，過度充電或放電都可能加劇電池的容量損耗，因此使用過程中需要有一套電池管理系統(tǒng)配合使用。

鋰電池：

鋰電池主要由兩部分構(gòu)成，電芯和保護板PCM（動力電池一般稱為電池管理系統(tǒng)BMS）。電芯相當于鋰電池的心臟，管理系統(tǒng)相當于鋰電池的大腦。電芯主要由正極材料、負極材料、電解液、隔膜和外殼構(gòu)成，而保護板主要由保護芯片（或管理芯片）、MOS管、電阻、電容和PCB板等構(gòu)成。那么，對于鋰電池而言，正極材料、負極材料有哪些，分別具有什么特性？

正極材料　鈷酸鋰　鎳鈷錳酸鋰　錳酸鋰　磷酸鐵鋰　鎳鈷鋁酸鋰比容量（mAh/g）　150　160　120　150　170優(yōu)點　充放電穩(wěn)定，生產(chǎn)工藝簡單高能量密度，低溫性能好缺點　鈷價格昂貴，循環(huán)壽命較低電化學性能穩(wěn)定，循環(huán)性能好錳資源豐富，價格較低，安全性好高安全性，環(huán)保長壽用到一部分金屬，鈷價格昂貴能量密度低，電介質(zhì)相容性差低溫性能較差，放電電壓低高溫性能差，安全性能差，生產(chǎn)技術門檻高負極材料　負極材料細分　比容量（mAh/g）　首次效率循環(huán)壽命（次）　安全性　快充特性鈦酸鋰　鈦酸鋰　165-170　99％　30000　最高　最好合金系負極硅800　60％　200　差　差錫600　60％　200　差　差碳系負極天然石墨　340-370　90％　1000　一般　一般人造石墨　310-360　93％　1000　一般　一般中間相炭微球　300-340　94％　1000　一般　一般石墨烯　400-600　30％　10　一般　差

通常情況下，正極材料主要有鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等材料，負極材料主要有合金系、碳系負極材料等。談到目前國內(nèi)電池發(fā)展現(xiàn)狀時，肖成偉表示：“負極主要以石墨為主，正極材料有錳系材料和高鎳材料，兩者互相組合可開發(fā)出能量密度高、性能穩(wěn)定的電池。”

綜合來看，各類電池有如下優(yōu)、缺點：

類型　　優(yōu)點　　缺點鉛酸電池　　原材料豐富、成本低、耐用、技術成熟　　比能量低、低溫性能差、壽命短、質(zhì)量重、污染環(huán)境鎳鎘電池　　比能量和使用壽命強于鉛酸電池　　“鎘”屬有毒重金屬鎳氫電池　　安全、耐用、比能量較高、高低溫性能好　　成本較高、自放電率高鋰離子電池　　高比能量、高溫性能好、無記憶性、自放電率低、壽命長　　成本高、安全性低

磷酸鐵鋰電池為什么安全？

磷酸鐵鋰電池屬于鋰電池的一種，目前如比亞迪e6、北汽ev160、騰勢等一些電動汽車生產(chǎn)廠商均將其作為車輛的動力源。磷酸鐵鋰電池熱穩(wěn)定性是目前車用鋰電池中最好的，當電池溫度處于500-600℃高溫時，其內(nèi)部化學成分才開始分解，而同屬鋰電池的鈷酸鋰電池在180—250℃時內(nèi)部化學成分就已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。換言之，磷酸鐵鋰電池的安全性在鋰電池中首屈一指，也正因如此，其也成為目前電動車電池的主要門類之一。

三元鋰電池為何受到特斯拉青睞？

特斯拉MODEL S使用的三元鋰電池的重量能量密度約為200Wh/ kg，而磷酸鐵鋰電池的能量密度約為150Wh/kg，這意味著同樣重量的三元鋰電池比磷酸鐵鋰電池的續(xù)航里程更長。但是，當三元鋰電池自身溫度為250-350℃時，其內(nèi)部化學成分就開始分解，因此對電池管理系統(tǒng)提出了更高的要求。以特斯拉MODEL S車型為例，整車裝有7000余節(jié)18650三元鋰電池，電池管理系統(tǒng)要監(jiān)測其中每節(jié)電池的使用狀態(tài)，無疑加大了電池管理系統(tǒng)的控制難度。

燃料電池是未來汽車最理想能源

燃料電池是將化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，不是通常所說的“電池”。其能量的來源主要是依靠不斷供給燃料及氧化劑產(chǎn)生，而且能量轉(zhuǎn)換效率高、無污染、壽命長、運行平穩(wěn)，被業(yè)界公認為未來汽車的最佳能源。

就當今市場而言，燃料電池汽車離我們并不遙遠。去年年底，豐田汽車公司正式在日本國內(nèi)發(fā)售氫燃料電池車“MIRAI”(未來），其續(xù)航里程能達到約700km，在行駛過程中只排放水。MIRAI的工作原理為：儲氫罐中的氫氣與車頭吸入的氧氣在燃料電池內(nèi)發(fā)生反應，產(chǎn)生的電能驅(qū)動電機從而帶動車輛，而反應產(chǎn)生的剩余電能會存入到儲能電池中。位于車身后部的兩個儲氣罐最大可存儲5公斤氫燃料，通常情況下，3分鐘就可以完成氫燃料補給。

新型電池技術前瞻：

物理電池

物理電池是依靠物理變化來提供、儲存電能的電池統(tǒng)稱，如“瞬間充滿電的超級電容”、“比功率達5000-10000W/kg的飛輪電池”等都屬于物理電池家族的成員。

a：超級電容

超級電容是一種介于傳統(tǒng)電容與電池之間的電源元件，功率密度高達300-500W/kg，是普通電池的5-10倍。它主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能，其間不發(fā)生化學反應，因此被歸為物理電池的范疇。相比化學電池，超級電容有三大明顯優(yōu)勢：

①反復充、放電次數(shù)達十萬次（傳統(tǒng)化學電池只有幾百至幾千次），壽命上要比化學電池高出很多；

②超級電容在充、放電時的功率密度極高，瞬間可放出大量電能，可滿足車輛更加寬泛的電力需求；

③工作環(huán)境適應能力更佳，通常室外溫度在-40℃～65℃時，其都能穩(wěn)定正常工作（傳統(tǒng)電池一般為-20℃～60℃）。

b：飛輪電池

飛輪電池是上世紀90年代提出的一種新概念電池，它是利用類似飛輪轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生能量的原理實現(xiàn)充、放電。大名鼎鼎的“ 保時捷911 GT3混合動力賽車”以及被評為當今四大神車之一的“ 保時捷918 Spyder”均在兩前輪處安裝有飛輪電池，飛輪技術將制動所收集的動能轉(zhuǎn)化為電能，并將能量貯存于一個飛輪之中。在加速過程中，該能量將轉(zhuǎn)移至前輪，在提高加速的同時減少內(nèi)燃機的燃油消耗。

由于技術和材料價格的限制，飛輪電池的價格相對較高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢。但在太空、大規(guī)模交通運輸以及軍事方面需要大型儲能裝置的場合，飛輪電池已得到逐步應用。

動力電池發(fā)展趨勢

隨著新能源汽車的發(fā)展，電池作為重要部件之一，能量密度在不斷提高。中信國安盟固利新能源科技有限公司研究院副院長劉正耀表示：“電池革命的關鍵在于材料，三元材料將成為主流的正極材料體系，石墨與軟碳、硬碳等具備不同特性的負極材料混合應用也將成為負極材料的主流體系。另外，石墨烯在我國已經(jīng)開始進入中期試驗階段，量產(chǎn)后會大幅度提高電池的能量密度水平及壽命?！?/p>

同樣，電池專家肖成偉也表示：“動力電池向著高能量密度的趨勢發(fā)展。從安全性角度考慮，磷酸鐵鋰電池要優(yōu)于其他種類電池，而且它在中國應用的數(shù)量也是最大的；從正極材料來講，磷酸鐵鋰材料不僅是研究關注的重點，也是產(chǎn)業(yè)化的重點。另外，大家都希望把能量密度達到300Wh/kg電池實現(xiàn)批量化應用，那么就可以將高鎳材料與石墨類材料匹配，同時與薄型改性的隔膜涂層結(jié)合，逐步做到300Wh/ kg；從負極材料來講，石墨類的材料現(xiàn)在已經(jīng)是很成熟的產(chǎn)品，未來則以硅碳作為研發(fā)重點。