電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

胡敏 王恒 陳琪

摘 要：隨著電動(dòng)汽車的快速發(fā)展，對(duì)于動(dòng)力電池的需求也就越來越高，而鋰離子動(dòng)力電池是目前應(yīng)用最多的動(dòng)力電池。文章就現(xiàn)在電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用的鋰離子動(dòng)力電池進(jìn)行研究，首先介紹了鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展過程以及優(yōu)勢(shì)。其次就目前電動(dòng)汽車市場(chǎng)上應(yīng)用最普遍的磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池工作原理、性能特點(diǎn)以及發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。最后就鋰離子電池的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)與分析。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;動(dòng)力電池;磷酸鐵鋰電池;三元鋰電池

中圖分類號(hào)：U469.7 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）09-08-03

Development Status And Trend Of Lithium-ion Power Batteries For Electric Vehicles

Hu Min， Wang Heng， Chen Qi

（?College of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064?）

Abstract：With the rapid development of electric vehicles， there is a growing demand for power batteries， and lithium-ion power batteries are the most widely used power batteries. This paper studies the lithium ion power battery which is widely used at present. Firstly， it introduces the development process and advantages of lithium ion power battery. Secondly， this paper introduces the working principle， performance characteristics and development status of lithium iron phosphate battery and ternary lithium battery， which are widely used in the electric vehicle market. Finally， the development trend of lithium ion battery is summarized and analyzed.

Keywords：Electric Vehicle; Power battery; Lithium iron phosphate battery; Ternary lithium battery

CLC NO.：U469.7?Document Code： A?Article ID： 1671-7988（2020）09-08-03

引言

由于石油資源的日趨減少以及日趨嚴(yán)重的汽車尾氣、噪聲等污染，國內(nèi)外對(duì)于發(fā)展可代替石油的清潔能源的汽車也愈發(fā)重視，而電動(dòng)汽車作為一種零污染、低噪聲的汽車逐漸走進(jìn)了國內(nèi)外汽車公司的視線^[1]。而鋰離子動(dòng)力電池作為目前市場(chǎng)占有份額最大的動(dòng)力電池，其技術(shù)發(fā)展將直接影響到電動(dòng)汽車未來的發(fā)展，因此，對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池的研究是極其重要的。

根據(jù)我國發(fā)布的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》征求意見稿中提到，2025年新能源汽車年銷售總量應(yīng)該達(dá)到汽車年銷售總量的25%，而2019年新能源汽車銷售量只占到了汽車年銷售總量的4.8%，因此，可以預(yù)見未來五年新能源汽車產(chǎn)銷量增長空間巨大，電動(dòng)汽車作為目前世界上產(chǎn)銷量最大的新能源汽車，其產(chǎn)業(yè)發(fā)展空間巨大，而作為現(xiàn)在最廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車上的鋰離子動(dòng)力電池也將得到更加長遠(yuǎn)的發(fā)展。

1?鋰離子電池概述

鋰離子電池是采用兩個(gè)能夠自由嵌入與脫嵌鋰離子的材料作為正負(fù)極，在電池充電過程中，位于正極材料上的電子通過外接電路進(jìn)入負(fù)極中，而正極材料上的Li⁺則是會(huì)通過電解液與正負(fù)極之間的隔膜材料最終達(dá)到負(fù)極，與電子和負(fù)極材料生成化合物留于負(fù)極之上;與之相反，在放電過程中，負(fù)極材料上的電子通過外接電路進(jìn)入正極材料中，負(fù)極材料上的Li⁺則通過電解液與隔膜材料進(jìn)入正極材料中。

電動(dòng)汽車所常用的動(dòng)力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池以及鋰離子電池，而鋰離子電池之所以成為電動(dòng)汽車商業(yè)電池中最廣泛使用的電池，主要在于其擁有以下三方面的優(yōu)勢(shì)：一是能量密度高，在相同質(zhì)量下，鉛酸蓄電池的比能量密度僅為鋰離子電池的1/4，鎳氫電池僅為其1/2;二是能量轉(zhuǎn)換率高，其轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到96%，是鎳氫電池的1.4-1.7倍;三是自放電率小，在正常保存條件下其自放電率小于2%/月，是鎳氫電池的1/10^[2]。如下表所示，是三種電池的性能指標(biāo)對(duì)比。

2 常用鋰離子動(dòng)力電池的工作原理及性能特點(diǎn)

2.1?磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰（LiFePO₄）電池采用磷酸鐵鋰作為正極材料，采用石墨或碳極作為負(fù)極材料，正負(fù)極之間允許電子自由通過而金屬離子不能通過的隔膜材料，主要采用的的是PP（polypropylene，聚丙烯）/PE（polyethylene，聚乙烯）/PP多層復(fù)合微孔膜，電解液一般采用六氟磷酸鋰為主要材料的混合溶劑^[3]，其充放電過程如下所示：

充電過程：

放電過程：

磷酸鐵鋰電池作為動(dòng)力電池的主要特點(diǎn)有：一是具有良好的高溫性能和安全性，在電池放電過程中，電池內(nèi)部溫度可比外部溫度高出30℃，此時(shí)電池結(jié)構(gòu)依舊完好，而且無論電池內(nèi)外部結(jié)構(gòu)遭到損壞，也不會(huì)發(fā)生燃燒、爆炸的風(fēng)險(xiǎn);二是循環(huán)壽命長，經(jīng)過2000次以0.5C倍率充電、1C倍率放電的充放電循環(huán)之后，其電池容量還有93%;三是無記憶性，相比于鎳氫電池、鎳鎘電池，無論電池處于何種狀態(tài)下，都可以進(jìn)行充電操作，而不會(huì)產(chǎn)生容量低于額定容量值的情況。但磷酸鐵鋰電池也存在能量密度相對(duì)較低的這一劣勢(shì)，在相同質(zhì)量下，其續(xù)駛里程不如三元鋰電池，這也是限制其發(fā)展的一個(gè)重要原因。表2為某磷酸鐵鋰電池的相關(guān)性能指標(biāo)。

2.2 三元鋰電池

三元鋰電池采用三元復(fù)合材料作為正極材料，目前較為常用的兩種正極材料是NCA（LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂，鎳鈷鋁酸鋰）和NCM（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，鎳鈷錳酸鋰），采用碳硅復(fù)合材料作為負(fù)極材料，隔膜材料與磷酸鐵鋰電池的隔膜材料一致，只是在隔膜的通過孔徑大小方面不完全一致，而電解液材料也與磷酸鐵鋰電池差距不大，隨電池型號(hào)和大小不同而存在差異。某型號(hào)NCM電池在充放電過程中的正負(fù)極反應(yīng)方程式^[4]如下所示：

正極反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

總反應(yīng)式：

三元鋰電池之所以作為目前廣泛應(yīng)用于電動(dòng)乘用車的電池，其主要特點(diǎn)有：一是能量密度高，相同質(zhì)量下三元鋰電池的能量密度是磷酸鐵鋰電池的1.7-2.2倍;二是低溫性能良好，在低溫條件下，三元鋰電池容量和能量保持率都比磷酸鐵鋰電池優(yōu)越，在零下30度時(shí)以0.5C倍率放電，其放電電壓為25℃時(shí)以0.5C倍率放電電壓的93.2%，下降幅度比較低^[5];三是體積小，具有相同能量的磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池，后者的體積僅為前者的60%左右。但三元鋰電池的安全性能相對(duì)較差，三元電池材料在200℃就會(huì)發(fā)生分化，由于內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)在高溫下會(huì)更為劇烈，且在過程中會(huì)產(chǎn)生氧分子，會(huì)引起電解液材料的劇烈燃燒，在2019年國內(nèi)發(fā)生了數(shù)起由于三元鋰電池受到撞擊或其他原因?qū)е抡嚢l(fā)生自燃的嚴(yán)重事故，這也讓公眾對(duì)于三元鋰電池的安全性產(chǎn)生了擔(dān)憂。表3所示是某NCM三元鋰電池的性能參數(shù)：

3 鋰離子動(dòng)力電池的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰鋰電池由于其良好的安全性以及循環(huán)壽命長的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于日常經(jīng)常使用的公共交通工具上，如城市運(yùn)行的公交車、出租車等等，目前國內(nèi)以比亞迪汽車公司為主的一部分公司的電動(dòng)乘用車也在采用磷酸鐵鋰電池，其優(yōu)秀的安全性能一直是這些公司所追求的目標(biāo)。

為了改善磷酸鐵鋰電池能量密度較低的劣勢(shì)，目前而言最具應(yīng)用前景的是比亞迪研發(fā)出的“刀片電池”，其質(zhì)量比能量密度達(dá)到了140Wh/kg，相較于傳統(tǒng)磷酸鐵鋰電池的130Wh/kg，提升了約9%，體積比能量密度也能夠提升約50%，而其成本卻相較之前下降了20%-30%，并且據(jù)公布的數(shù)據(jù)來看，搭載“刀片電池”的漢EV車型續(xù)駛里程能夠達(dá)到605km，電池能夠使用8年，累計(jì)行程可達(dá)120萬公里，相比于目前電動(dòng)汽車3年10萬公里而言有著極大的提高。

3.2 三元鋰電池

因其能量密度高、體積小的優(yōu)勢(shì)，三元鋰電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)乘用車上，2019年我國電動(dòng)車動(dòng)力電池總裝機(jī)量為62.37Gwh，其中三元鋰電池裝機(jī)量為38.75Gwh，占總量的62.13%，比2018年增長了26.22%。

三元鋰電池主要有NCA和NCM兩種技術(shù)路線，以特斯拉為代表是走的三元鋰電池（NCA）技術(shù)路線，其目前采用的21700型三元鋰電池，單體單電芯振實(shí)密度高達(dá)773Wh/L，比一般的三元鋰電池高出50%;而以寧德時(shí)代為代表的電池公司則集中于三元鋰電池（NCM）技術(shù)路線，目前寧德時(shí)代NCM 811（鎳、鈷、錳三者成分為8：1：1）三元鋰電池已投入市場(chǎng)使用，其能量密度高達(dá)304Wh/kg、振實(shí)密度為700Wh/L，由于其優(yōu)良的性能，所占市場(chǎng)份額也迅速上升，由去年6月份的4%增長至年末的18%。

4 鋰離子電池發(fā)展趨勢(shì)

4.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池雖高溫性能良好，但因電解液材質(zhì)以及正負(fù)極材料顆粒直徑而使其低溫性能差，在溫度低于零度時(shí)，其放電容量會(huì)下降30%-40%。研究發(fā)現(xiàn)利用納米化技術(shù)和碳包覆技術(shù)可以改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能^[3]，隨著技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展，在低溫地區(qū)的電動(dòng)商用車上具有很大的應(yīng)用潛力。與此同時(shí)，利用CTP（cell to pack）技術(shù)，減少傳統(tǒng)“電芯-模組-電池包”三級(jí)結(jié)構(gòu)中的模組，可以較大程度的提高磷酸鐵鋰電池能量密度，使其在電動(dòng)乘用車上的應(yīng)用前景變得令人期待。

4.2 三元鋰電池

三元鋰電池因其能量密度高而在電動(dòng)乘用車上得到廣泛

應(yīng)用，但最近由于電動(dòng)汽車自燃事件時(shí)有發(fā)生，造成了不小的人身財(cái)產(chǎn)損失，讓人們對(duì)于三元鋰電池的安全性能再次產(chǎn)生質(zhì)疑。為解決這一問題，對(duì)整個(gè)電池包而言在電池包內(nèi)部安裝阻斷結(jié)構(gòu)，并且設(shè)計(jì)出功能更為完善的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)來檢測(cè)電池溫度，對(duì)于單體電池而言則需要在電極材料以及電解液方面進(jìn)行更深入的研究。此外，目前磷酸鐵鋰電池的市場(chǎng)價(jià)為每瓦時(shí)0.65元，而三元鋰電池的市場(chǎng)價(jià)為每瓦時(shí)0.85元，因此為了進(jìn)一步降低成本，減少三元電池中貴重金屬鈷的使用，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，各大電池公司也開始研制高鎳三元鋰電池，特斯拉甚至已經(jīng)著手開始研制無鈷三元鋰電池。

5 總結(jié)

鋰離子動(dòng)力電池是目前占有市場(chǎng)份額最多的動(dòng)力電池，而磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池則是現(xiàn)在最普遍應(yīng)用的兩種鋰離子動(dòng)力電池。磷酸鐵鋰電池以其良好的高溫性能和循環(huán)壽命長的優(yōu)勢(shì)在客車領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用，對(duì)于低溫性能的改善以及能量密度的提升會(huì)使其擁有更為廣闊的應(yīng)用前景;三元鋰電池的能量密度高，因而在乘用車方面得到了廣泛的使用，對(duì)于其熱失控性能的研究以及高鎳三元鋰電池的研制與投入市場(chǎng)，三元鋰電池未來的發(fā)展空間巨大。除此之外，尚處于研發(fā)階段的鋰硫電池、全固態(tài)鋰離子動(dòng)力電池的出現(xiàn)，也為續(xù)駛里程更長、安全性能更好的電動(dòng)汽車的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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