新能源汽車電池技術(shù)存在的問題與對(duì)策

劉海鵬

(煙臺(tái)船舶工業(yè)學(xué)校，山東煙臺(tái) 264006)

0 前言

根據(jù)我國(guó)的相關(guān)規(guī)定，新能源汽車電池的質(zhì)保周期至少需要滿足8年的使用壽命或者12萬公里及以上的行駛里程。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的提升，新能源電池的研發(fā)和使用也出現(xiàn)了全新的變革，電池的使用壽命已大幅超過了國(guó)家規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。近年來，我國(guó)正加緊研發(fā)更具性價(jià)比的電池，并取得顯著成效，進(jìn)一步提升了新能源汽車的發(fā)展速度。

1 新能源汽車電池技術(shù)研究背景

新能源汽車的主要?jiǎng)恿碓词请姵?。目前，按電池原理劃分，可分為化學(xué)電池、物理電池及生物電池3種類型。按電池的主要化學(xué)材料可劃分為以下3種：①磷酸鐵鋰電池。這類電池的生產(chǎn)成本較低，使用時(shí)間較長(zhǎng)，目前在售的許多新能源汽車中均使用了該電池，但是該電池的耐低溫性能較弱，受區(qū)域、季節(jié)的影響較大。②三元鋰電池。與磷酸鐵鋰電池相比，這類電池的能量密度較高，電池性能更優(yōu)，但在高溫環(huán)境下該電池經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熱穩(wěn)定性較差的情況，當(dāng)電池溫度達(dá)到200 ℃以上時(shí)，電解液會(huì)在短時(shí)間內(nèi)燃燒，甚至?xí)霈F(xiàn)爆燃的可能，容易出現(xiàn)安全隱患。③石墨烯電池。這類電池材料的堅(jiān)固性較好，對(duì)使用環(huán)境溫度的要求并不嚴(yán)格，但是該電池的生產(chǎn)成本極高，目前并非所有種類的新能源汽車都能夠使用。總之，隨著我國(guó)新能源汽車電池技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)電池技術(shù)也隨之呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)[1]。

近年來，新能源汽車在汽車與能源領(lǐng)域受到了重點(diǎn)關(guān)注，新能源汽車的出現(xiàn)逐步改變了消費(fèi)者選購(gòu)汽車的標(biāo)準(zhǔn)和消費(fèi)觀念。隨著新能源汽車的上市，市場(chǎng)上出現(xiàn)了不同的評(píng)價(jià)。一部分消費(fèi)者認(rèn)為新能源汽車是世界各國(guó)保護(hù)生態(tài)環(huán)境、節(jié)約資源的產(chǎn)物，能夠有效改善城市環(huán)境，提升環(huán)保力度。還有部分消費(fèi)者則認(rèn)為新能源汽車現(xiàn)有的動(dòng)力水平較低，其運(yùn)行穩(wěn)定性較差，且新能源汽車充電時(shí)間較長(zhǎng)、續(xù)航能力較差，使用過程中的養(yǎng)護(hù)工作較為復(fù)雜，總體駕駛體驗(yàn)不理想；此外，消費(fèi)者還必須到配裝有充電樁的指定地點(diǎn)為新能源汽車充電，但是充電樁在我國(guó)一些城市尚未完全普及，這些客觀存在的因素都嚴(yán)重影響了新能源汽車電池的推廣和使用。在理論上，新能源汽車電池的使用年限為5～7年，但新能源汽車電池的成本約占車輛總成本的80%，因此，消費(fèi)者更換電池的成本與更換汽車并無較大差異，這也導(dǎo)致了消費(fèi)者購(gòu)買新能源汽車的欲望不強(qiáng)。為了進(jìn)一步推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要對(duì)電池的性能、使用壽命、續(xù)航能力等進(jìn)行深入研究，提升新能源汽車的性價(jià)比。

2 新能源汽車電池技術(shù)存在的問題

2.1 安全性

結(jié)合新能源汽車的配置，對(duì)車輛的駕駛性能進(jìn)行分析。新能源汽車運(yùn)行的關(guān)鍵因素是行駛能力，其次是運(yùn)行階段的穩(wěn)定性和安全性。在傳統(tǒng)新能源汽車的研發(fā)與使用階段，電池是影響其穩(wěn)定性和安全性的主要因素，也是導(dǎo)致新能源汽車在市場(chǎng)營(yíng)銷中是否可以取得良好市場(chǎng)份額的主要因素。例如，三元鋰電池的出現(xiàn)和應(yīng)用能夠有效解決電池潛在的危險(xiǎn)，并延長(zhǎng)了電池的使用時(shí)間，曾受到眾多生產(chǎn)企業(yè)和技術(shù)人員的青睞。雖然該電池具有續(xù)航能力強(qiáng)的特點(diǎn)，但其穩(wěn)定性較弱，在早期上市的搭載了該電池的新能源汽車經(jīng)常出現(xiàn)安全問題，影響了車輛的正常使用，從而導(dǎo)致眾多消費(fèi)者放棄對(duì)電動(dòng)汽車的選購(gòu)。因此，新能源汽車的生產(chǎn)企業(yè)和技術(shù)人員需要進(jìn)一步加大對(duì)新能源電池的研發(fā)工作，降低電池在使用過程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 續(xù)航能力

在新能源汽車電池研發(fā)過程中，汽車的續(xù)航能力始終是重點(diǎn)研究課題之一。寧德時(shí)代公司是全球領(lǐng)先的電池供應(yīng)商之一，該公司研發(fā)的“超級(jí)電池”具有自我修復(fù)功能，且使用壽命較長(zhǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)15年以上的“超長(zhǎng)待機(jī)”，或者能夠滿足車輛運(yùn)行2 000 000 km的行駛里程。結(jié)合該企業(yè)發(fā)布的相關(guān)信息可知，“超級(jí)電池”通過抑制鋰電池充放電環(huán)節(jié)的副反應(yīng)，延長(zhǎng)了電池的使用壽命，并且可與其他的三元鋰電池及磷酸鐵鋰電池通用[2]。這種電池在行業(yè)內(nèi)頗受關(guān)注的主要原因是該電池具有自休眠鈍化膜技術(shù)，在存儲(chǔ)階段電池的活性不斷降低；若電池處于休眠狀態(tài)，其自身的消耗水平將處于極低的狀態(tài)；而在使用階段，又可將其激活，進(jìn)一步加強(qiáng)了正極材料循環(huán)和存儲(chǔ)階段的消極反應(yīng)。該公司在電池研發(fā)階段還采用了低鋰耗技術(shù)，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)電池內(nèi)部的負(fù)極材料活性與表面穩(wěn)定性之間的協(xié)同關(guān)系，減少電池內(nèi)部運(yùn)行中活性鋰消耗，有效延長(zhǎng)了電池使用壽命。寧德時(shí)代公司運(yùn)用了負(fù)極防電解技術(shù)，結(jié)合電池的運(yùn)行方式，對(duì)不同生命周期的電池內(nèi)成膜需求進(jìn)行計(jì)算，增強(qiáng)了電池內(nèi)部的循環(huán)性與存儲(chǔ)的功能?？梢酝ㄟ^研究寧德時(shí)代生產(chǎn)的“超級(jí)電池”，對(duì)電池的正極、負(fù)極、電解液等進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步加強(qiáng)電池的穩(wěn)定性。

2.3 充電速度

現(xiàn)階段，純電動(dòng)新能源汽車的續(xù)航能力、總行駛里程問題基本上得到了解決。但是在新能源汽車領(lǐng)域的跨越式發(fā)展中，需要將新能源汽車的性能與燃油車進(jìn)行對(duì)比。新能源汽車發(fā)展的“痛點(diǎn)”是電池的充電速度。新能源汽車在行駛一段時(shí)間后，往往需要花費(fèi)1～4 h進(jìn)行充電，與燃油車加滿燃油僅消耗3～5 min的時(shí)間相比，新能源汽車的劣勢(shì)較為明顯。2019年，中國(guó)新能源汽車行業(yè)用戶滿意度指數(shù)測(cè)評(píng)結(jié)果顯示，純電動(dòng)汽車電池故障發(fā)生次數(shù)約為120次，同比增加了8%[3]。此外，消費(fèi)者對(duì)新能源汽車電池的損耗狀況也較為關(guān)注，這也是影響消費(fèi)者評(píng)判和選擇新能源汽車的主要因素。為解決上述問題，各生產(chǎn)企業(yè)在聚焦電池原材料的同時(shí)，也積極解決充電時(shí)間過長(zhǎng)的問題，并加大了“超級(jí)快充電池”的研發(fā)力度 。例如，廣汽新能源汽車公司研發(fā)的石墨烯電池，就是基于廣汽三維結(jié)構(gòu)石墨烯(3DG)材料的“超級(jí)快充電池”。目前該電池已順利完成了電芯、模組，以及電池包樣件的測(cè)試，并完成了構(gòu)建裝車大功率工作狀態(tài)的測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，此類電池已達(dá)到了國(guó)家要求的標(biāo)準(zhǔn)，耗時(shí)8 min便能夠完成80%的電池充電量，與燃油汽車加注燃油的時(shí)間差距逐漸縮短。若石墨烯電池可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，則將促使新能源汽車動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)的巨大變革。

隨著新能源汽車技術(shù)的不斷提升，新能源汽車電池能夠滿足行駛需求，并能夠降低汽車在運(yùn)行階段的廢氣排放。新能源汽車還可以使用清潔能源作為電力來源，為環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約作出貢獻(xiàn)。

3 新能源汽車電池技術(shù)的發(fā)展方向

3.1 改善電池容量性能，提高續(xù)航里程

結(jié)合目前新能源汽車的使用與銷售狀況，由于動(dòng)力電池自身壽命較短，汽車在使用過程中動(dòng)力水平會(huì)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而新能源汽車因電機(jī)種類不同，所展現(xiàn)出來的動(dòng)力水平也各有所不同，這也是新能源汽車在市場(chǎng)中銷售業(yè)績(jī)不佳的主要原因。國(guó)內(nèi)外加大了對(duì)新能源汽車電池的研發(fā)力度，以促進(jìn)新能源電池存儲(chǔ)能力和續(xù)航能力的提升，進(jìn)一步縮短了與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能差距。目前，電池壽命的研發(fā)工作逐步趨向商業(yè)化，如果該項(xiàng)工作能夠取得較好的成果，將為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。新研發(fā)的新能源汽車電池產(chǎn)品投入實(shí)際運(yùn)用后，可以進(jìn)一步延長(zhǎng)電池的使用周期，降低用戶的使用成本，為新能源汽車的發(fā)展?fàn)I造良好的口碑。

針對(duì)新能源汽車的電池能量存儲(chǔ)、續(xù)航里程等問題，需要通過發(fā)熱材料的熱能傳遞，改變電池的容量進(jìn)行優(yōu)化。相關(guān)文獻(xiàn)指出，當(dāng)電池的溫度較低時(shí)，電池的續(xù)航能力、穩(wěn)定性經(jīng)常出現(xiàn)較大的波動(dòng)。因此，應(yīng)當(dāng)選擇耐低溫，且具有良好穩(wěn)定性能的電池材料，確保電池在使用過程中具有較好的安全性[4]。

企業(yè)還可以通過廢舊電池的循環(huán)利用技術(shù)，進(jìn)一步提高動(dòng)力電池的回收率，增強(qiáng)新能源汽車的保值率，使新能源汽車在市場(chǎng)營(yíng)銷和發(fā)展中獲得良好的口碑，實(shí)現(xiàn)新能源汽車的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

3.2 優(yōu)化電池裝配技術(shù)，提高電池生產(chǎn)質(zhì)量

在新能源汽車電池研發(fā)和使用的過程中，優(yōu)化裝配技術(shù)是增強(qiáng)電池穩(wěn)定性的關(guān)鍵?，F(xiàn)階段，需要對(duì)傳統(tǒng)的工藝形式進(jìn)行優(yōu)化，以確保電池裝配技術(shù)能夠穩(wěn)定和規(guī)范發(fā)展。例如，我國(guó)新能源電池生產(chǎn)企業(yè)需要加強(qiáng)與汽車整車生產(chǎn)企業(yè)的聯(lián)系，互相協(xié)調(diào)、互相完善，強(qiáng)化電池組件的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)技術(shù)。新能源電池生產(chǎn)企業(yè)也需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)電池質(zhì)量的監(jiān)管，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)分析電池在運(yùn)轉(zhuǎn)階段散熱風(fēng)扇出現(xiàn)的振動(dòng)等問題，確保電池在使用階段能夠展現(xiàn)出穩(wěn)定性及流暢性的特征。在新技術(shù)運(yùn)用的過程中，我國(guó)企業(yè)也應(yīng)積極與國(guó)外企業(yè)合作，學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的生產(chǎn)加工技術(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為具有中國(guó)特色的技術(shù)形式，為我國(guó)新能源汽車生產(chǎn)和加工提供技術(shù)支持。

3.3 加強(qiáng)技術(shù)推廣，確保電池安全

新能源汽車在我國(guó)的發(fā)展勢(shì)頭良好。進(jìn)一步提升電池的性能和質(zhì)量，加大對(duì)新能源汽車電池技術(shù)的推廣和應(yīng)用，也將促進(jìn)我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與升級(jí)。新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)在電池研發(fā)過程中相互合作，開放一部分電池業(yè)務(wù)，并借助資源共享的平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，能夠降低企業(yè)在研發(fā)和生產(chǎn)階段的壓力[5]，助力行業(yè)健康穩(wěn)定發(fā)展，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)集群化與規(guī)模化的理想效應(yīng)。例如，傳統(tǒng)電池生產(chǎn)的工序有滾壓和分切2個(gè)部分，在技術(shù)升級(jí)之后，企業(yè)可整合這2個(gè)部分的工藝，形成統(tǒng)一的生產(chǎn)模式。在技術(shù)創(chuàng)新的大環(huán)境下，企業(yè)之間互相合作和交流，動(dòng)力電池的集約化程度不斷提高，加快新能源汽車的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，促進(jìn)新能源汽車領(lǐng)域的常態(tài)化、長(zhǎng)效化發(fā)展。

4 結(jié)語

新能源汽車在一定程度上代表了汽車領(lǐng)域的先進(jìn)水平，汽車電池對(duì)汽車的性能、質(zhì)量具有十分深遠(yuǎn)的影響。本文分析了新能源汽車電池技術(shù)在現(xiàn)階段存在的問題，提出了針對(duì)性的對(duì)策，提供給技術(shù)人員進(jìn)行進(jìn)一步深化研究。同時(shí)，對(duì)電池性能加以優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)良好的使用效果，將助力我國(guó)新能源汽車領(lǐng)域的快速發(fā)展。