純電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池技術(shù)

張曉琳

摘要：在石油能源供需矛盾日益突出，世界各國(guó)均致力于溫室氣體減排的大背景下，清潔能源受到世界各國(guó)的青睞。目前，全世界汽車(chē)廠家紛紛開(kāi)發(fā)并推廣使用電動(dòng)車(chē)，電動(dòng)車(chē)的蓬勃發(fā)展及遠(yuǎn)大前景，促進(jìn)了電池技術(shù)的發(fā)展，世界各大汽車(chē)公司紛紛投巨資并采取結(jié)盟的方式研究各種類(lèi)型的電池。電動(dòng)車(chē)可分為純電動(dòng)車(chē)和混合動(dòng)力車(chē)兩種，對(duì)于不同的電動(dòng)車(chē)類(lèi)型，需要配有適合自身需要的儲(chǔ)能裝置。鋰離子電池作為未來(lái)電動(dòng)車(chē)的能源，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車(chē);清潔能源;鋰離子電池

一、純電動(dòng)汽車(chē)用電池情況概述

電動(dòng)車(chē)對(duì)電池的要求目前還沒(méi)有具體的標(biāo)準(zhǔn)，一般應(yīng)滿足如下要求：（1）高容量-以支持一定的續(xù)行里程，評(píng)價(jià)的參數(shù)為質(zhì)量比能量或體積比能量;（2）高功率-能大電流放電，啟動(dòng)快，加速和爬坡能力強(qiáng)，評(píng)價(jià)的參數(shù)為比功率;（3）單體電池電壓高-減少串聯(lián)數(shù)量，評(píng)價(jià)的參數(shù)為電壓;（4）循環(huán)壽命長(zhǎng)、容量衰減率小-降低使用成本，其評(píng)價(jià)的參數(shù)為循環(huán)壽命;（5）體積小、重量輕-減輕汽車(chē)的負(fù)荷和體積，其與評(píng)價(jià)參數(shù)質(zhì)量比能量或體積比能量相關(guān);（6）免維護(hù)、能快速充電;（7）無(wú)泄漏、不爆炸-安全性有保障;（8）生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染、廢棄電池?zé)o公害，評(píng)價(jià)的參數(shù)為污染物項(xiàng);（9）成本低-降低電動(dòng)汽車(chē)的價(jià)格，評(píng)價(jià)的參數(shù)為電池的價(jià)格。目前還沒(méi)有一種電池能完全滿足上述要求，實(shí)際選擇電池時(shí)，會(huì)根據(jù)應(yīng)用情況有側(cè)重點(diǎn)地選擇，比如為了提高安全性，一般不選擇高容量、高功率的電池，因?yàn)檫@類(lèi)電池發(fā)熱量大，在電動(dòng)車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生爆炸等危險(xiǎn)。

目前，實(shí)際在電動(dòng)車(chē)中使用的電池有密封鉛酸蓄電池、鎳-鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池等。

對(duì)電池性能來(lái)說(shuō)，能量密度指的是平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能;循環(huán)壽命指的是在一定放電條件下，電池工作至某一容量規(guī)定值之前，電池所能承受的循環(huán)次數(shù);安全性是指電池在正?；蚍钦Ｊ褂脳l件下存在的安全隱患;可靠性是指電池在多種操作環(huán)境或工作條件下電池放電特性或存貯特定等;使用成本是指電池在使用過(guò)程中損耗的成本與因充電等原因所花費(fèi)的成本之和;環(huán)保性是指電池中含有的重金屬、廢酸、廢堿等電解質(zhì)溶液對(duì)環(huán)境的污染度。

考慮電動(dòng)車(chē)對(duì)電池高能量密度的要求，鋰離子電池被認(rèn)為是未來(lái)最具有發(fā)展前景的電動(dòng)車(chē)用電池。鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環(huán)性能好和環(huán)保性好等特點(diǎn)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到3C市場(chǎng)領(lǐng)域、電動(dòng)車(chē)和混合型電動(dòng)車(chē)市場(chǎng)領(lǐng)域、軍事用途及空間技術(shù)領(lǐng)域。目前鋰離子電池技術(shù)在便攜式電子產(chǎn)品應(yīng)用方面已日趨完善，但是對(duì)于電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池來(lái)說(shuō)，還需要較長(zhǎng)時(shí)間的研究，以滿足電動(dòng)車(chē)對(duì)電池的要求。

二、純電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池技術(shù)分析

為了系統(tǒng)地反映電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池的技術(shù)點(diǎn)，按照電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展方向，主要技術(shù)細(xì)分為正極材料、負(fù)極材料、隔膜和電解質(zhì)。

（一）正極材料

鋰離子電池正極材料一直是限制鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。和負(fù)極材料相比，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發(fā)鋰離子安全隱患的主要原因。尋找熱穩(wěn)定性較好、能量密度高的正極材料是鋰離子動(dòng)力電池的關(guān)鍵。

正極材料主要有鋰鎳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰錳氧化物、磷酸過(guò)渡金屬鋰化合物以及鎳鈷錳三元或鎳鈷、鎳錳和鈷錳二元化合物。正極材料制備方法有固相合成法固相合成法包括高溫固相法、碳熱還原法和微波法等，液相法包括水熱合成法、共沉淀法、溶膠凝膠法等。正極材料的改性方法有表面包覆改性包括碳包覆及摻碳表面改性、碳層和金屬結(jié)合的其他包覆層，摻雜改性包括Li位摻雜、Fe位摻雜、P位摻雜等。

（二）負(fù)極材料

負(fù)極材料主要有碳基負(fù)極材料、硅基負(fù)極材料、錫基負(fù)極材料、不含有錫和硅的鋰合金、鋰金屬負(fù)極材料、氮化物負(fù)極材料、鈦酸鋰以及多種負(fù)極活性材料的混合使用等。

碳基材料技術(shù)相對(duì)成熟，成本較低，因此各大公司、機(jī)構(gòu)都對(duì)碳類(lèi)材料做了較多的深入研究;錫類(lèi)材料具有比容量大的優(yōu)勢(shì)，但是也存在循環(huán)特性差等缺陷，因此對(duì)其的研究不如碳類(lèi)材料多;而最近由于鈦酸鋰材料在電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池負(fù)極上應(yīng)用的崛起，其本身具有的例如循環(huán)特性好等優(yōu)勢(shì)，引起了全球的關(guān)注，在最近幾年，有關(guān)鈦酸鋰材料的專(zhuān)利申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)很快，但是如果將其應(yīng)用到電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池上也需要克服其導(dǎo)電性差等缺陷。隨著全球保護(hù)環(huán)境意識(shí)的進(jìn)一步加強(qiáng)、隨著化石能源的日趨緊張，電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池負(fù)極材料的需求量將進(jìn)一步增加，而碳基材料、錫基材料、硅基材料、合金材料、氧化物材料都因?yàn)槠涓髯缘奶匦詻Q定其發(fā)展前景，而對(duì)于負(fù)極材料的研究也會(huì)緊緊圍繞著克服現(xiàn)有材料的缺陷，發(fā)揮其優(yōu)良特性的材料性能改進(jìn)為主體方向，不斷嘗試其他新型負(fù)極材料為大體路線。

（三）隔膜

電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池隔膜大致可分為兩類(lèi)，聚合物隔膜和聚合物/無(wú)機(jī)材料復(fù)合隔膜。聚合物隔膜主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，增強(qiáng)隔膜的機(jī)械強(qiáng)度、調(diào)整孔隙率、增強(qiáng)導(dǎo)電性、增加隔膜柔性、增加隔膜耐熱性等。復(fù)合隔膜主要是在原有聚合物隔膜中和/或之上添加無(wú)機(jī)顆粒/陶瓷顆粒，從而形成良好的耐熱性和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)良性能。

電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池隔膜領(lǐng)域中，聚合物隔膜仍然占到很重要的位置，針對(duì)聚合物隔膜存在電解液浸潤(rùn)性不足、熔融溫度過(guò)低、力學(xué)性能較差等缺陷，經(jīng)常采用隔膜改性的方法來(lái)克服上述缺陷。而聚合物/無(wú)機(jī)材料的復(fù)合隔膜也能夠克服上述聚合物隔膜存在的缺陷，并且，由于添加了無(wú)機(jī)物更能提高隔膜的機(jī)械強(qiáng)度以及對(duì)電解液的浸潤(rùn)性等特征。

（四）電解質(zhì)

電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池電解質(zhì)主要可分為非水電解液和凝膠固體電解質(zhì)。非水電解液主要涉及添加劑，添加劑的添加以改善電池的高、低溫性能、提高電解液的導(dǎo)電性、促進(jìn)SEI膜的形成，還有防止電池過(guò)充電的添加劑以及大量的阻燃性添加劑。凝膠固體電解質(zhì)相對(duì)于非水電解液來(lái)說(shuō)，最大的特點(diǎn)就是其電解質(zhì)為非液體形態(tài)，以類(lèi)凝膠狀態(tài)存在，如果分子量足夠大，那么會(huì)以固體電解質(zhì)形態(tài)存在，而該固體電解質(zhì)也能起到電池的隔膜的作用，由于省去了隔膜的空間占用，從而能夠起到增加電池比容量的效果，并且，由于采用了非液態(tài)電解質(zhì)，那么就不會(huì)被電池中非常普遍的漏液缺陷所困擾，就有可能制造更安全的鋰電池。

非水電解液技術(shù)在電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池電解液領(lǐng)域處于主導(dǎo)地位，在這一類(lèi)技術(shù)中主要還是非水電解液中添加劑的使用，使用各種添加劑來(lái)改變電解液的各種性能，從而能夠得到期望性能的電池。由于凝膠固體電解質(zhì)相對(duì)于非水電解液進(jìn)一步提高的安全性，因此對(duì)于凝膠固體電解質(zhì)的專(zhuān)注程度明顯增加，但是需要解決的是此類(lèi)電解質(zhì)的離子導(dǎo)電性等相對(duì)缺陷。而針對(duì)離子導(dǎo)電性更好、安全性更高的電解質(zhì)鹽的研發(fā)也是電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池電解液領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)。

三、結(jié)語(yǔ)

鋰離子電池作為未來(lái)電動(dòng)車(chē)的能源研發(fā)的主要方向，不僅在能量密度方面具有優(yōu)勢(shì)，而且業(yè)已得到業(yè)界的廣泛研究，因而成為各大電池廠商開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。鋰離子電池作為電動(dòng)車(chē)上廣泛應(yīng)用的新能源，未來(lái)的研發(fā)方向仍然將以安全性能為主，另外在使用過(guò)程中還要能夠適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。尋找新材料是電池性能取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵，國(guó)內(nèi)外也一直在探索適合電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池的新材料，例如正極材料從LiCoO2、LiNiO2發(fā)展到LiMnO2，再發(fā)展到磷酸過(guò)渡金屬鋰化合物。鋰離子電池的電解質(zhì)方面，使用熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高、分解電壓高的有機(jī)溶劑，是提高鋰離子電池安全性能的有效途徑之一。而另一個(gè)重要途徑是添加阻燃性添加劑，降低電池放熱值和電池自熱率，同時(shí)增加電解液自身的穩(wěn)定性。

（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專(zhuān)利局專(zhuān)利審查協(xié)作江蘇中心）