唐雁雁

（三一汽車起重機(jī)械有限公司，長(zhǎng)沙 410600）

引言

近年來(lái)，隨著全球環(huán)境污染問(wèn)題的日益突出和傳統(tǒng)燃料資源的枯竭，電動(dòng)汽車正逐漸成為人們?nèi)粘３鲂械囊环N新方式，其主要的動(dòng)力來(lái)源是電池。而鋰離子電池由于具有高功率密度、較高的能量密度、壽命長(zhǎng)、循環(huán)性能好等特點(diǎn)，逐漸成為電動(dòng)汽車主要的能量?jī)?chǔ)存裝置[1,2]。此外，交通行業(yè)一直以來(lái)都是碳排放主力，以中國(guó)、美國(guó)、歐盟等為代表的國(guó)家和地區(qū)出臺(tái)了《2030碳達(dá)峰行動(dòng)方案（中國(guó)）》、《清潔能源革命和環(huán)境正義計(jì)劃（美國(guó)）》、《可持續(xù)與智能交通戰(zhàn)略（歐盟）》等多項(xiàng)新能源政策指引交通行業(yè)的減碳行動(dòng)，大力推動(dòng)鋰電池、電化學(xué)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車等新能源領(lǐng)域重要技術(shù)和基礎(chǔ)裝備的發(fā)展，逐步降低對(duì)石化能源的依賴，探索出一條可持續(xù)能源安全路徑是全球諸多國(guó)家的重要戰(zhàn)略方向。

本文主要通過(guò)對(duì)鋰離子電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用、優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展方向的分析，探討鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域中的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。

1 鋰離子電池的工作原理和特點(diǎn)

鋰離子電池是一種利用鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)電池充放電工作的二次電池。鋰離子電池中正極材料通常是氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4或者是LiFePO4等，負(fù)極材料是碳或者硅合金材料，例如石墨或者SiOx等，電解質(zhì)是有機(jī)物或者無(wú)機(jī)物，并且其中一種至少含有鋰鹽，例如LiPF6或者LiBF4等。在充電過(guò)程中，鋰離子從正極材料中脫嵌，經(jīng)過(guò)隔膜和電解液，嵌入到負(fù)極材料中并釋放出電子。放電過(guò)程則相反，鋰離子從負(fù)極材料中脫嵌，在電解質(zhì)中移動(dòng)，嵌入到正極材料中，同時(shí)吸收電子。

1.1 鋰離子電池的特點(diǎn)

鋰離子電池的優(yōu)缺點(diǎn)均非常明顯，如高能量密度、長(zhǎng)壽命、低自放電率、快速充電、輕便等，這些優(yōu)點(diǎn)使它成為現(xiàn)電動(dòng)車輛等領(lǐng)域的重要能源選擇，并在應(yīng)用中脫穎而出，成為行業(yè)主流。然而，鋰離子電池也存在一些缺點(diǎn)，如成本高、安全隱患、環(huán)境敏感性等，這些問(wèn)題需要通過(guò)技術(shù)改進(jìn)和更加環(huán)保的處理手段來(lái)解決[3]。表1 列舉了鋰離子電池的幾個(gè)主要特征。

表1 離子電池的主要優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 幾種電池的比較

圖2 全球鋰離子電池需求量預(yù)測(cè)圖

圖3 鋰離子電池充放電示意圖

如前文所述，鋰離子電池在目前的電動(dòng)汽車等領(lǐng)域應(yīng)用最廣，主要原因之一是它能夠提供更大的能量密度和較長(zhǎng)的使用壽命，同時(shí)充電時(shí)間也相對(duì)較短，能夠更快地滿足用戶需求[4]。表2 是幾種常見電池的特點(diǎn)比較。

表2 幾種常見電池的特點(diǎn)比較

從表2 可以得出以下主要結(jié)論：①鋰離子電池的能量密度最高，自放電率最低，充電時(shí)間最短，壽命最長(zhǎng)，但成本也相對(duì)較高；②鎳氫電池重量輕，壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，但性能方面比鋰電池差；③鎳鎘電池的能量密度和成本適中，但自放電率較高，壽命較短；④鉛酸電池的成本最低，但能量密度和壽命都比較低，自放電率非常高。

2 國(guó)內(nèi)外鋰離子電池制造企業(yè)的現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)層面：隨著政府支持新能源汽車的政策力度持續(xù)加大，中國(guó)國(guó)內(nèi)的鋰電池企業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。目前，國(guó)內(nèi)的寧德時(shí)代、比亞迪、國(guó)軒高科、億緯鋰能等公司在鋰電池隊(duì)伍中占據(jù)著領(lǐng)導(dǎo)地位。國(guó)內(nèi)鋰電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴(kuò)大，產(chǎn)值和出口量均居全球前列。

國(guó)外層面：鋰離子電池的發(fā)展較早，主要廠家的技術(shù)相對(duì)成熟，生產(chǎn)的電池品質(zhì)較為穩(wěn)定。主要廠家有美國(guó)的特斯拉、日本的松下、索尼、松下、三洋，韓國(guó)的三星SDI、LG 化學(xué)、SK Innovation，德國(guó)的BMZ，法國(guó)的BLE 等等。其中，特斯拉的動(dòng)力電池處于領(lǐng)先地位，其鎳鈷鋁和鎳鈷錳系列電池以高的能量密度和動(dòng)力性能聞名。

總體來(lái)講，中國(guó)國(guó)內(nèi)的鋰電池行業(yè)已經(jīng)形成了以寧德時(shí)代、比亞迪等為代表的龍頭企業(yè)，它們?cè)陬I(lǐng)先技術(shù)、生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品性能等方面均處于世界先進(jìn)水平。雖然國(guó)外的鋰電池行業(yè)技術(shù)普及率更高，但我國(guó)鋰電池市場(chǎng)穩(wěn)步發(fā)展已經(jīng)快速成為了世界鋰電池市場(chǎng)上不可忽視的存在。

3 鋰離子電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前新能源汽車主要有純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、氫燃料電池汽車等，其中前兩種的發(fā)展最為迅速。而在電池技術(shù)路線的選擇上，純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力電池汽車各有不同。

3.1 純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池路線

純電動(dòng)汽車用鋰離子電池的主要路線有：磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、三元鋰電池等。磷酸鐵鋰電池因其安全性高、長(zhǎng)壽命、低成本等特點(diǎn)，成為當(dāng)前眾多車廠的主要選擇；鈷酸鋰電池則具備高能量密度以及快速充電的優(yōu)勢(shì)，適用于高速純電動(dòng)車市場(chǎng)，但是鈷酸鋰電池材料中含有昂貴的金屬元素鈷，因此成本相對(duì)較高，并且在極端條件下可能存在安全隱患；三元鋰電池相對(duì)于鈷酸鋰電池的安全性更高，低溫時(shí)電池性能更加穩(wěn)定，適合北方天氣，但高溫時(shí)的安全性仍然比磷酸鐵鋰電池差。表3 是磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、三元鋰電池的主要技術(shù)指標(biāo)對(duì)比。

表3 三種純電動(dòng)汽車用鋰離子電池主要技術(shù)指標(biāo)比較

總體來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰電池的安全性和成本較為優(yōu)秀，但能量密度較低；鈷酸鋰電池的能量密度較高，但安全性和成本較差；三元鋰電池在能量密度和循環(huán)壽命方面表現(xiàn)較好，但成本較高。綜合安全、成本、使用壽命等因素，當(dāng)前純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池類型主要為磷酸鐵鋰和三元鋰電池兩種，兩者基本上占據(jù)了純電動(dòng)汽車市場(chǎng)動(dòng)力電池的主要份額。

3.2 混合動(dòng)力汽車的動(dòng)力電池路線

混合動(dòng)力汽車分為非插電式混合動(dòng)力汽車（HEV）和插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV），為了便于分析，本文將增程式汽車（REEV）也一并歸類為混合動(dòng)力汽車。三種類型的動(dòng)力電池路線分別為：HEV 采用的主要是鎳氫電池或錳酸鋰電池；PHEV 和REEV 采用的主要是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

可以看出，PHEV 和REEV 的動(dòng)力電池與純電動(dòng)汽車類似，而HEV 的動(dòng)力電池采用的是鎳氫電池。產(chǎn)生上述差異的主要原因是HEV 車型的特點(diǎn)決定，因?yàn)榛旌蟿?dòng)力系統(tǒng)的工作方式，必須不停的對(duì)電池進(jìn)行快速充放電，而鎳氫電池具有良好的快速充放電性能，鋰電池反而不具有這一特點(diǎn)，所以在這種工況下，應(yīng)用鎳氫電池比鋰電池更有優(yōu)勢(shì)。此外，鎳氫電池的成本也遠(yuǎn)低于鋰電池，因此以豐田為代表的主機(jī)廠采用了鎳氫電池作為HEV 車型的動(dòng)力電池。

4 鋰離子電池的測(cè)試與回收

安全和環(huán)保是新能源汽車永恒的主題，作為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿?lái)源，鋰離子電池的測(cè)試和回收技術(shù)也被廣泛關(guān)注。

4.1 測(cè)試技術(shù)

為了判斷鋰離子電池的性能和健康狀況，確保其能夠正常、可靠地工作，并且安全地應(yīng)用于電動(dòng)汽車等應(yīng)用領(lǐng)域中。電動(dòng)汽車鋰離子電池的測(cè)試內(nèi)容通常涵蓋容量、充電效率、溫度、壽命、安全等方面[5,6]：

1）電池容量測(cè)試：電池容量是電池的重要參數(shù)之一，它表示電池能存儲(chǔ)多少能量。通過(guò)對(duì)鋰離子電池進(jìn)行容量測(cè)試，可以測(cè)試電池的實(shí)際可用容量，并檢測(cè)電池的健康狀態(tài)。容量測(cè)試方法包括恒流放電、工況放電和深度充放電等方法。

2）能量效率測(cè)試：能量效率是指電池完全放電時(shí)所釋放的能量與電池充滿電所需的充電能量之比。通過(guò)測(cè)試鋰離子電池的能量效率，可以評(píng)估電池充放電的能量損耗情況。

3）溫度測(cè)試：電池的溫度對(duì)電池的壽命和安全性有很大的影響。溫度測(cè)試可以幫助了解鋰離子電池在不同溫度下的運(yùn)行狀態(tài)及其對(duì)電池性能的影響。

4）循環(huán)壽命測(cè)試：通過(guò)連續(xù)的充放電循環(huán)來(lái)測(cè)試電池的循環(huán)壽命。通常會(huì)在最常使用的環(huán)境下，對(duì)電池進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)放電和標(biāo)準(zhǔn)充電。通過(guò)測(cè)試電池的實(shí)際循環(huán)次數(shù)及容量衰減情況來(lái)模擬電池的使用壽命。

5）安全性測(cè)試：鋰離子電池在使用過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生碰撞、擠壓、過(guò)充、過(guò)放、短路現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致電池過(guò)熱、冒煙甚至爆炸等安全問(wèn)題。因此，安全性測(cè)試對(duì)于驗(yàn)證電池的可靠性和使用安全性非常重要，測(cè)試內(nèi)容包括模擬碰撞、擠壓、火燒、短路、過(guò)充、過(guò)放和高溫等極端情況下電池的反應(yīng)情況。

4.2 回收技術(shù)

鋰離子電池廢棄物中含有大量的有害物質(zhì)，如重金屬、有機(jī)物等，如果不加以處理，將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。目前，鋰離子電池的回收技術(shù)主要包括物理回收和化學(xué)回收兩種方式。物理回收主要是通過(guò)機(jī)械分離、磁選、浮選等方法將廢舊電池中的有用物質(zhì)分離出來(lái)，如鈷、鎳、鋰等。化學(xué)回收則是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將廢舊電池中的有用物質(zhì)提取出來(lái)，如鈷、鎳、鋰等。目前，物理回收技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但存在回收率低、成本高等問(wèn)題；化學(xué)回收技術(shù)則還處于研究階段，需要進(jìn)一步完善。

目前鋰離子電池回收行業(yè)還處于起步階段，回收率較低。主要原因是缺乏相關(guān)政策支持、技術(shù)水平不高、回收成本高等問(wèn)題。此外，由于鋰離子電池的種類繁多，回收難度較大，也是制約回收行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要因素。為了促進(jìn)鋰離子電池回收行業(yè)的發(fā)展，加強(qiáng)政策支持、提高回收技術(shù)水平、降低回收成本是已成為各國(guó)政府和鋰離子電池后市場(chǎng)服務(wù)企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，隨著相關(guān)政策的出臺(tái)和技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰離子電池回收行業(yè)也將得到快速發(fā)展。

5 鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

鋰離子電池行業(yè)仍處在快速發(fā)展階段，行業(yè)內(nèi)主要?jiǎng)?chuàng)新方向集中在提高能量密度、延長(zhǎng)電池使用壽命、提高安全性能和改善成本效益等方面，主要涉及到材料體系、電池類型、電池結(jié)構(gòu)等。

5.1 材料體系方面

鋰離子電池的正極材料主要以鈷、鎳、錳和鐵為主，負(fù)極材料則以石墨為主，但這些材料在循環(huán)壽命、耐高溫等方面仍有待提高[7]。因此，需要進(jìn)一步研究新型材料的開發(fā)及其應(yīng)用。迄今為止在動(dòng)力電池領(lǐng)域的創(chuàng)新多以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為主，材料體系的創(chuàng)新進(jìn)展較慢，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外企業(yè)開始加大在新材料應(yīng)用方面的投入，主要趨勢(shì)為從LFP/ 石墨、LFP/ 硅碳復(fù)合材料向鋰硫體系、鋰空體系發(fā)展，表4 簡(jiǎn)述了幾種不同材料體系特點(diǎn)。

表4 不同材料體系的特點(diǎn)

圖4 寧德時(shí)代電池形態(tài)研究發(fā)展歷程圖

圖5 電動(dòng)汽車鋰離子電池結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)圖

5.2 電池形態(tài)方面

在電池類型方面，以寧德時(shí)代為代表的電池企業(yè)開展了全固態(tài)鋰離子電池的研究，這是一種新型的鋰離子電池，相較于傳統(tǒng)鋰離子電池具有以下優(yōu)勢(shì)：①安全性更高：全固態(tài)鋰離子電池采用固態(tài)電解質(zhì)，相比傳統(tǒng)電池中的液態(tài)電解質(zhì)，不易泄漏，不易破裂，更加安全可靠；②能量密度更高：全固態(tài)鋰離子電池采用高能量密度的電極材料，可實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，使得電池性能更好；③溫度適應(yīng)性更好：全固態(tài)鋰離子電池具有更好的溫度適應(yīng)性，在高溫和低溫環(huán)境下也能正常工作，相比傳統(tǒng)鋰離子電池更加穩(wěn)定。同時(shí)，全固態(tài)鋰離子電池也存在制造成本高和電化學(xué)性能不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸有待進(jìn)一步解決，這也是目前制約全固態(tài)鋰離子電池規(guī)模化應(yīng)用的原因之一。

5.3 電池結(jié)構(gòu)方面

2019年起，中國(guó)企業(yè)發(fā)揮電芯制造優(yōu)勢(shì)，厚積薄發(fā)，在電芯結(jié)構(gòu)上連續(xù)退出了電芯直接集成到模組的CTP，刀片電池，J2M 等技術(shù)，超越大眾的VDA、MEB 電芯尺寸標(biāo)準(zhǔn)，引領(lǐng)了電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新[8]。而電池成組的終極方案MIV 和CTV 技術(shù)也初步具備應(yīng)用條件。

6 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要依靠高能量密度、高安全性、易回收等特性的動(dòng)力電池技術(shù)，與此同時(shí)需要不斷加強(qiáng)針對(duì)電池的研究和技術(shù)創(chuàng)新，提高動(dòng)力電池耐久性和使用壽命，從而更好的適應(yīng)社會(huì)和市場(chǎng)需求。當(dāng)前鋰離子電池在純電動(dòng)、插電式混動(dòng)、增程系統(tǒng)上表現(xiàn)出色且具備廣泛適用性，相信通過(guò)在材料、結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域的持續(xù)創(chuàng)新，也將為鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。