佟麗珠 蔡文博 候麗春

(長春市汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長春 130013)

近年來，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，綠色出行理念正在廣泛深入人心，一個全新的產(chǎn)業(yè)體系和消費觀念，逐步改變著汽車行業(yè)的發(fā)展格局。但是適應(yīng)高寒環(huán)境的新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，嚴(yán)重制約了廣大高寒地區(qū)的應(yīng)用普及[1]?？陀^的實際情況是，能夠在南方地區(qū)正常使用并且性能優(yōu)越的電動汽車，大多數(shù)在高寒氣候環(huán)境下幾乎無法啟動，即使能夠行駛，續(xù)駛里程也會大打折扣，原因在于電動汽車的動力蓄電池受環(huán)境溫度影響較大。我國高緯高寒地區(qū)，全年結(jié)冰期達200天以上，全年氣溫低于零下30 ℃的嚴(yán)寒天氣有30多天。 高寒地區(qū)對電動汽車有著極大的市場需求，為了確保電動汽車在高寒氣候環(huán)境下能夠正常充電、啟動和行駛，并且能夠達到一定的續(xù)駛里程，就要對電動汽車的動力蓄電池在高寒環(huán)境下的性能提出更高的要求?，F(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)主要針對-20 ℃～55 ℃溫度范圍內(nèi)的動力蓄電池性能指標(biāo)進行了規(guī)范要求(GB/T 31486-2015 電動汽車用動力蓄電池性能要求及試驗方法)。

眾所周知鋰離子電池對于溫度相對敏感，溫度可以說是電動汽車鋰電池的殺手。一般鋰電池的工作溫度范圍集中在-20 ℃～200 ℃之間。不同材料鋰電池的低溫性能也有區(qū)別，目前國內(nèi)應(yīng)用最為普遍的磷酸鐵鋰電池，其高溫性能比較好，但是對于低溫則缺乏忍受力。對于一些品質(zhì)較好的產(chǎn)品，在-20 ℃時也只能釋放出80%的電能，而低于-40 ℃，則往往會導(dǎo)致電池被“凍傷”，出現(xiàn)內(nèi)部材料結(jié)晶的不可逆損壞。相對來說，錳酸鋰、鈷酸鋰和三元產(chǎn)品的低溫性能要好一些，但是也有限；而高溫性能就不盡人意?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)說磷酸鐵鋰安全性能高，高溫性能好，其實是沒有錳酸鋰、鈷酸鋰和三元電池的電池活性高，相對安全一些。整體性能還是不如錳鋰或三元電池。眾所周知三元材料電池優(yōu)點是：能量密度高、放電電壓高，致命性缺點是安全性差；三元鋰材料在200 ℃左右會發(fā)生分解，三元鋰材料的化學(xué)反應(yīng)更加劇烈，會釋放氧分子，在高溫作用下電解液迅速燃燒，發(fā)生連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致爆炸。所以目前動力電池生產(chǎn)廠家也在不斷改進三元鋰材料電池。

如圖1所示，從電池的應(yīng)用層面來看，乘用車、客車和專用車的比例與電池比例類似，目前客車使用的電池還是以磷酸鐵鋰為主。磷酸鐵鋰技術(shù)成熟、安全性較高，循環(huán)壽命長，致命性缺點是低溫性能差；一塊容量為3 500 mAh的電池，在-20 ℃的環(huán)境中工作，經(jīng)過不到100次的充放電循環(huán)，電量將急劇衰減至2 000 mAh。通常液態(tài)鋰離子電池極限能量密度為300 Wh/kg，且易燃易爆炸。而全固態(tài)鋰電池剛剛起步未來發(fā)展空間巨大，且不燃不爆炸。固態(tài)鋰電池是一種使用固態(tài)電解質(zhì)的電池。在構(gòu)造上，固態(tài)鋰電池比傳統(tǒng)鋰離子電池簡單[2]。固態(tài)電解質(zhì)除傳導(dǎo)鋰離子，也充當(dāng)了隔膜的角色。因此，在固態(tài)鋰電池中，電解液、隔膜與粘結(jié)劑PVDF等都不需要使用。工作原理上，固態(tài)鋰電池和鋰離子電池相通，充電時，正極中的鋰離子從活性物質(zhì)的晶格中脫嵌，通過固體電解質(zhì)向負極遷移，電子通過外電路向負極遷移，兩者在負極處復(fù)合成鋰原子、合金化或嵌入到負極材料中。放電過程與充電過程相反，此時電子通過外電路驅(qū)動電子器件。由于固態(tài)鋰離子的諸多優(yōu)勢，因此國內(nèi)外研究機構(gòu)和電池廠家都在積極的研究發(fā)展這種電池。以下是國內(nèi)外固態(tài)鋰電池的現(xiàn)狀。

1 國外固態(tài)鋰電池現(xiàn)狀

進入2017年后，國內(nèi)外企業(yè)加速固態(tài)電池商業(yè)化布局。意味著，2018年將有更多的企業(yè)進入該領(lǐng)域，而商業(yè)化進程將有更清晰的時刻表。如圖2所示美國SEEO.公司研發(fā)了全固態(tài)鋰電池產(chǎn)品 ，該產(chǎn)品已經(jīng)被被德國博世集團收購。這種固態(tài)鋰離子電池由兩層電解液組成:一層是鋰離子導(dǎo)體層,另一層是用作電極之間的物理屏障,防止形成鋰枝晶，它的循環(huán)壽命> 1 000次充放電循環(huán)。這種新型電池能量密度可達到350 Wh/kg，大約是目前電動車所使用電池的兩倍,并且十分安全[3]。這項技術(shù)對于提升電池的續(xù)駛里程和輕量化都有顯著效果。

圖3是日本開發(fā)出全固態(tài)鋰電池實驗室產(chǎn)品。這個固態(tài)電池原型，主要是由4層10 cm×10 cm大小的片狀結(jié)構(gòu)所組成，正負極與電池本體材質(zhì)的成分由鈷酸鋰、石墨與硫化物所組成，平均電壓為14.4 V，沒有液態(tài)類物質(zhì)，在溫度高達100 ℃狀態(tài)下依然可以正常使用。但這里還有個導(dǎo)電效率的問題，就是在制造過程中所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)會讓電極與電池表面產(chǎn)生較大的阻抗。豐田為了解決此問題，在正極與電池表面使用了一種陶瓷類材料的鍍層，可減小99%的阻抗。這種豐田全固態(tài)電池電動車計劃2022年量產(chǎn)上市。

2 中國全固態(tài)鋰電池的發(fā)展

我國固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷史不長，但發(fā)展很快(圖4)。2013年中科院設(shè)立了全固態(tài)鋰電池先導(dǎo)計劃。 提出要做長續(xù)航的動力電池，通過提升能量密度來延長電動汽車的續(xù)駛里程。中科院寧波材料所、中科院上海硅酸鹽所、青能所、天津十八所、清華大學(xué)、中科大、復(fù)旦大學(xué)、國防科大、武漢大學(xué)、東北師范大學(xué)等機構(gòu)紛紛開展各種全固態(tài)鋰電池研究。目前中國科學(xué)院正在追求提高全固態(tài)金屬鋰的安全性，并對逐漸增加固體電解質(zhì)和負極中的鋰含量這方面做進一步的開發(fā)，力圖兼顧全固態(tài)鋰電池的優(yōu)點和液態(tài)鋰電池的優(yōu)點，希望能夠取長補短，逐步改善現(xiàn)有電池的技術(shù)[4]。中國長春勁能科技集團股份有限公司與全球唯一一家實現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的加拿大魁北克水電研究院合作并成立“全固態(tài)鋰電池亞洲研究院”，為全固態(tài)鋰電池在中國產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供技術(shù)保證。他們生產(chǎn)的全固態(tài)鋰電池的優(yōu)勢如圖5所示，采用固體電解質(zhì)無隔膜結(jié)構(gòu)，國際公認的高度安全性，能量密度可以達到250 Wh/kg,裝車?yán)锍?00 km。

圖6是長春勁能科技集團股份有限公司生產(chǎn)的固態(tài)鋰電池技術(shù)參數(shù)，分別對質(zhì)量比能量密度、充放電倍率、循環(huán)壽命、最小單元、投資規(guī)模、適宜溫度范圍進行了說明。 可以看到勁能集團生產(chǎn)的全固態(tài)鋰電池，有高比能量密度 250 Wh/kg，是傳統(tǒng)鋰電池的兩倍，一次充電可行駛600 km，在不改變傳統(tǒng)汽車的駕駛習(xí)慣的前提下，讓新能源汽車在中國的普及成為了可能。勁能集團通過對電池材料的技術(shù)改良，解決了新能源汽車低溫運行的世界難題，現(xiàn)有新能源汽車只能在中國南方地區(qū)使用，在北方地區(qū)一到冬天，電池性能降低50%以上，造成汽車無法啟動和續(xù)駛里程大幅縮減，無法正常使用。勁能集團動力電池?zé)o需加熱模塊可在-40 ℃安全穩(wěn)定行駛，常溫能量比可維持90%以上。

為了推動我國新能源汽車在高寒地區(qū)的發(fā)展普及，早在2016年9月動力電池國家地方聯(lián)合工程實驗室作為共同主辦單位，舉辦了“高寒地區(qū)新能源車產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇”，成立了“高寒地區(qū)新能源汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”，舉辦我國首個以推動高寒地區(qū)新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高層論壇及相關(guān)活動，共同拉開了北方高寒地區(qū)新能源汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的序幕。 并于2017年10月發(fā)布了我國高寒地區(qū)純電動汽車用動力蓄電池性能標(biāo)準(zhǔn)的T/GHDD 1003-2017。在此標(biāo)準(zhǔn)中，主要補充制定了純電動汽車用動力蓄電池在-20 ℃、-30 ℃和-40 ℃溫度下的充放電性能指標(biāo)。本標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境條件除另有規(guī)定外，試驗應(yīng)在指定攝氏溫度±2 ℃、相對濕度 5%～90%、大氣壓力 86～106 kPa 環(huán)境。測量儀器、儀表準(zhǔn)確度要求如下：電壓測量裝置不低于 0.5 級；電流測量裝置不低于 0.5 級；溫度測量裝置±0.5 ℃；時間測量裝置準(zhǔn)確度為±0.1%。本標(biāo)準(zhǔn)所提到的室溫，是指 25±2 ℃[5]。

3 動力電池產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展趨勢

各國政府紛紛提出了下一代鋰電池的研發(fā)目標(biāo)。如圖7所示，到2020年，多數(shù)研發(fā)目標(biāo)對于量產(chǎn)電芯確定的目標(biāo)是250～300 Wh/kg，將通過第三代鋰離子電池完成。中國、美國、日本政府提出希望在2020年展示能量密度達到400～500 Wh/kg的原型器件，在2025-2030年實現(xiàn)量產(chǎn)。計算表明，采用金屬鋰負極的半固態(tài)、固態(tài)、全固態(tài)的鋰硫、鋰空電池有望實現(xiàn)高能量密度電池的目標(biāo)[6]。

表1是我國《動力電池和電池管理系統(tǒng)》2017指南。表中以液態(tài)鋰離子電池、高比容鋰硫電池和高比容固態(tài)鋰電池為例，就單體電池容量密度，循環(huán)壽命，安全性3個方面列出考核標(biāo)準(zhǔn)。

表1 我國《動力電池和電池管理系統(tǒng)》2017指南

考核標(biāo)準(zhǔn)液態(tài)鋰離子電池高比容鋰硫電池高比容固態(tài)鋰電池單體電池容量密度?300Wh/kg?400Wh/kg寬溫?300Wh/kg循環(huán)壽命?10000次100%DOD?500次100%D0D?2000次03C以上倍率先放電100%D0D安全性國際要求實現(xiàn)裝車考核，提交安全性質(zhì)評價標(biāo)準(zhǔn)(國內(nèi)際)提案國際要求提交安全性評價標(biāo)準(zhǔn)(國內(nèi)或國際)提案國際要求實現(xiàn)裝車考核，提交安全性評價標(biāo)準(zhǔn)(國內(nèi)或國際)提案

動力電池產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展路線如圖8所示，液態(tài)鋰離子電池的循環(huán)性目前可達萬次，并且預(yù)鋰化技術(shù)也逐漸成熟，但安全性仍是液態(tài)電池的一大弊端。未來的3～5年，首先能夠規(guī)?；a(chǎn)的有可能是介于液態(tài)鋰電池和固態(tài)鋰電池之間的電池類型，如半固態(tài)、固態(tài)鋰電池、正極一側(cè)含少量液體，負極一側(cè)含少量金屬鋰，此類電芯的能量密度可達300～400 Wh/kg。著重需要關(guān)注的前沿問題，鋰負極的保護，電極與電解液界面、及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面。隨著循環(huán)性、安全性及綜合指標(biāo)的提升，逐漸減少液體電解質(zhì)比例，最終過渡到全固態(tài)鋰電池上。

4 我國動力電池發(fā)展相關(guān)配套政策

動力電池是新能源汽車的心臟。國家相關(guān)部門對動力電池的發(fā)展十分重視，據(jù)不完全統(tǒng)計，2016年至今，涉及到動力電池的重要政策超過十項，涵蓋新能源汽車推廣應(yīng)用、動力電池行業(yè)規(guī)。2017年補貼新政對動力電池能量密度提出了要求，對于動力電池行業(yè)發(fā)展的影響是顯而易見的。從今年已發(fā)布的三批新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄看，動力電池的能量密度正在逐步提升。此外，推薦目錄中優(yōu)質(zhì)動力電池企業(yè)配套的車型數(shù)量有明顯增多趨勢，這也意味著動力電池市場格局正在發(fā)生變化，行業(yè)集中度正在增強[7]。

2016年12月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃中關(guān)于動力電池領(lǐng)域的主要內(nèi)容有：建設(shè)具有全球競爭力的動力電池產(chǎn)業(yè)鏈。大力推進動力電池技術(shù)研發(fā)，著力突破電池成組和系統(tǒng)集成技術(shù)，超前布局研發(fā)下一代動力電池和新體系動力電池，實現(xiàn)電池材料技術(shù)突破性發(fā)展。加快推進高性能、高可靠性動力電池生產(chǎn)、控制和檢測設(shè)備創(chuàng)新，提升動力電池工程化和產(chǎn)業(yè)化能力。培育發(fā)展一批具有持續(xù)創(chuàng)新能力的動力電池企業(yè)和關(guān)鍵材料龍頭企業(yè)。推進動力電池梯次利用，建立上下游企業(yè)聯(lián)動的動力電池回收利用體系。到2020年，動力電池技術(shù)水平與國際水平同步，產(chǎn)能規(guī)模保持全球領(lǐng)先。

5 結(jié)語

國內(nèi)外動力電池正逐漸從鋰離子電池向高能量密度的半固態(tài)、固態(tài)、全固態(tài)的鋰硫、鋰空氣電池發(fā)展，以適應(yīng)高寒地區(qū)對電動汽車電池溫度的需求，提高電動汽車使用的安全性和適用性能。我國也出臺了高寒地區(qū)純電動汽車用動力蓄電池性能標(biāo)準(zhǔn)(T/GHDD 1003-2017)，動力電池發(fā)展相關(guān)配套政策也趨于完善。

[1] 李驕陽, 王莉, 何向明. 動力鋰電池的未來發(fā)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2016(3):25-30.

[2]許曉雄, 邱志軍, 官亦標(biāo),等. 全固態(tài)鋰電池技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2013(4):331-341.

[3]Takada K. Progress and prospective of solid-state lithium batteries[J]. Acta Materialia, 2013, 61(3):759-770.

[4]王瀟. 基于對全固態(tài)鋰電池技術(shù)的現(xiàn)狀研究與展望[J]. 電子世界, 2017(1):29-30.

[5]T/GHDD 1003-2017，我國高寒地區(qū)純電動汽車用動力蓄電池性能標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6]鄭香偉. 新能源汽車動力電池應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟, 2016(23):102.

[7]孫玉端.從14項動力電池相關(guān)政策看產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢[EB/OL].http://www.escn.com.cn/news/show-415611.html，2017-64-25.