純電動(dòng)汽車鋰離子電池性能分析及維護(hù)保養(yǎng)

劉吉仁

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

近年來(lái)，我國(guó)的新能源汽車發(fā)展迅猛，從原來(lái)依靠國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)進(jìn)入了市場(chǎng)需求拉動(dòng)的快速發(fā)展階段，展現(xiàn)出了從市場(chǎng)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量雙提高的喜人局面。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年年底國(guó)內(nèi)的新能源汽車保有量為784萬(wàn)輛，占國(guó)內(nèi)汽車保有總量的2.6%，占據(jù)了全球新能源汽車保有總量的“半壁江山”。2021年國(guó)內(nèi)新注冊(cè)登記的新能源汽車為295萬(wàn)輛，已經(jīng)占到新注冊(cè)登記汽車全部總量的11.25%，與2020年相比增長(zhǎng)了近1.5倍，呈現(xiàn)出高速增長(zhǎng)的良好態(tài)勢(shì)。

1 我國(guó)純電動(dòng)汽車電池的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國(guó)生產(chǎn)的純電動(dòng)汽車使用的電池有三種類型，包括氫鎳電池、鉛酸電池和鋰離子電池。鋰離子電池也被叫作鋰電池，它作為一種新研究發(fā)展的儲(chǔ)能型電池，本身就具有諸多優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)開始大面積代替常用的鉛酸電池等傳統(tǒng)類電池。從清潔能源的角度來(lái)看，鋰電池當(dāng)前正處于純電動(dòng)汽車大面積裝配的快速擴(kuò)充期，尤其在我國(guó)，得益于國(guó)家將純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展作為我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的重要國(guó)策，在各方面都給予了重點(diǎn)扶持，借助純電動(dòng)汽車行業(yè)彎道超車的良好機(jī)遇，鋰電池生產(chǎn)企業(yè)也迎來(lái)了發(fā)展的春天，預(yù)計(jì)未來(lái)10年至20年是其發(fā)展數(shù)量和容量呈現(xiàn)暴發(fā)式增長(zhǎng)的黃金周期[1]。

鋰電池的分類標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)電池制造過(guò)程中所使用的正極材料類型進(jìn)行劃分的，由于鋰離子電池的負(fù)極使用材料對(duì)電池的性能指標(biāo)能量密度的作用較小，所以鋰電池生產(chǎn)企業(yè)提升電池性能的手段就是不斷創(chuàng)新和改進(jìn)電池正極材料來(lái)最大限度地提高電池性能。目前純電動(dòng)汽車的鋰離子電池主要使用六種材料，其中的鈦酸鋰主要被用來(lái)制作負(fù)極材料，因材料本身性能不足，導(dǎo)致其能量密度較低，正逐漸被市場(chǎng)所淘汰。能量密度相對(duì)較高的鈷酸鋰材料，其使用壽命和耐高溫特性又比較弱，只能在手機(jī)等數(shù)碼類產(chǎn)品中使用。生產(chǎn)成本比較低、穩(wěn)定性較好的錳酸鋰材料，其能量密度又相對(duì)比較低。所以，在純電動(dòng)汽車生產(chǎn)的初期，因?yàn)椴牧霞夹g(shù)的限制，部分汽車生產(chǎn)廠商把鈷酸鋰和錳酸鋰這兩種鋰電池作為主流電池使用[2]。

根據(jù)純電動(dòng)汽車電池行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，各項(xiàng)性能指標(biāo)更好的磷酸鐵鋰和三元鋰電池，代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋰電池的趨勢(shì)已經(jīng)很明顯。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年上半年我國(guó)使用三元鋰電池的電動(dòng)汽車合計(jì)裝車5.9 GWh，同比上漲了98.3%，環(huán)比上漲了13.8%；而磷酸鐵鋰電池合計(jì)裝車5.1 GWh，同比上漲了206.4%，環(huán)比上漲了13.2%。綜合來(lái)看，目前我國(guó)純電動(dòng)汽車行業(yè)大面積裝配的鋰電池類型基本包括兩種：磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

2 磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的性能對(duì)比

2.1 磷酸鐵鋰電池

使用磷酸鐵鋰作為電池正極制造材料的鋰電池被稱為磷酸鐵鋰電池，它的負(fù)極制造材料主要采用石墨，其電解質(zhì)主要選用六氟磷酸鋰。磷酸鐵鋰電池最大的優(yōu)勢(shì)之一就是車輛在任何狀態(tài)下，它都可以隨時(shí)充電放電，不必像以前那樣先放完電后再進(jìn)行充電，它是目前純電動(dòng)汽車使用最安全的鋰電池，尤其是在它內(nèi)部或外部受到破壞時(shí)，電池發(fā)生燃燒和爆炸的可能性很小，所以相較于其他鋰電池，它的安全性是最好的。磷酸鐵鋰電池在制造過(guò)程中沒(méi)有重金屬和稀有金屬的參與，也沒(méi)有任何毒性，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，完全符合歐盟RoHS標(biāo)準(zhǔn)的要求，是標(biāo)準(zhǔn)的綠色環(huán)保電池[3]。

2.2 三元鋰電池

把鎳鹽、鈷鹽以及錳鹽/鋁酸鋰三種元素作為電池正極制造材料的鋰電池也被稱為三元鋰電池，其負(fù)極制造材料和磷酸鐵鋰電池相同，其電解質(zhì)同樣也主要采用了六氟磷酸鋰。三元鋰電池的能量密度比較高，安全穩(wěn)定性能和高倍率放電性能好，成本價(jià)格相對(duì)來(lái)說(shuō)比較合理。三元鋰電池目前在智能機(jī)器人、無(wú)人機(jī)和純電動(dòng)汽車等領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.3 磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池的性能對(duì)比

1）電池能量密度：三元鋰電池＞磷酸鐵鋰電池。純電動(dòng)汽車的動(dòng)力主要是通過(guò)電池的充放電功能實(shí)現(xiàn)的，能量密度是衡量電池性能優(yōu)劣的主要參數(shù)，能量密度主要是指單位電池質(zhì)量里面儲(chǔ)存能量的多少。若一輛純電動(dòng)汽車裝配了較高的能量密度電池，則說(shuō)明該電池能為車輛提供充沛的動(dòng)力。目前因?yàn)榛瘜W(xué)特性的制約，磷酸鐵鋰電池本身的電壓較低，其能量密度約為140瓦時(shí)/千克。相比于磷酸鐵鋰電池的電壓，三元鋰電池本身的電壓較高，能量密度約為240瓦時(shí)/千克。在電池重量相同的情況下，三元鋰電池可以達(dá)到磷酸鐵鋰電池能量密度的1.7倍之多[4]。

2）安全性：磷酸鐵鋰電池＞三元鋰電池。基于磷酸鐵鋰電池的材料性能，它的化學(xué)鍵是相對(duì)比較穩(wěn)固的，電熱峰值處于350 ℃以上，所以在高溫下不易變形，因其受到的影響相對(duì)比較小，安全性能相比較好。相對(duì)來(lái)說(shuō)三元鋰電池的熱穩(wěn)定性能就要差一些，在高溫下很容易發(fā)生損壞，導(dǎo)致汽車出現(xiàn)安全隱患。在高溫運(yùn)行環(huán)境下，磷酸鐵鋰的安全性要超過(guò)三元鋰電池，在實(shí)際的汽車制造過(guò)程中，裝備了三元鋰電池的純電動(dòng)汽車必須加裝電池管理系統(tǒng)，并對(duì)電池加裝防過(guò)溫保護(hù)裝置，以此來(lái)保護(hù)電池的安全[5]。

3）使用壽命：磷酸鐵鋰電池＞三元鋰電池。衡量電池壽命的主要方法就是測(cè)試電池在重復(fù)完全充放電之后的電量衰減程度，從純電動(dòng)汽車的電池電量處于100%的狀態(tài)開始，不斷循環(huán)充放電，當(dāng)電池電量逐漸衰減到原有電量的80%以下，就說(shuō)明該車的電池需要更換了。參考日常實(shí)際使用情況，如果對(duì)純電動(dòng)汽車每天進(jìn)行一次充放電操作，裝配磷酸鐵鋰電池的汽車循環(huán)3 500次以后，也就是大概使用10年以上時(shí)間才會(huì)出現(xiàn)明顯的電量衰減。而三元鋰電池的使用壽命就比磷酸鐵鋰電池的相對(duì)短一些，在完全充放電循環(huán)測(cè)試次數(shù)超過(guò)2 000次時(shí)，就會(huì)不斷開始衰減，推算下來(lái)也就大概6年的使用時(shí)間[6]。

4）低溫性能：三元鋰電池＞磷酸鐵鋰電池。我國(guó)幅員遼闊，不同地方、不同季節(jié)溫差較大，不同鋰電池的制造材料化學(xué)性能各不相同，所以純電動(dòng)車在低溫環(huán)境下的行駛里程減少是影響純電動(dòng)車大面積普及的最大難題。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前世界上基本所有的純電動(dòng)汽車在低溫環(huán)境下都會(huì)不同程度地表現(xiàn)出行駛里程的減少。使用磷酸鐵鋰電池的純電動(dòng)汽車在低溫下的使用下限為-20 ℃，而且電池的放電性能會(huì)隨著溫度的不斷下降而降低，低溫時(shí)的行駛里程減少達(dá)40%左右。裝配三元鋰電池的純電動(dòng)汽車在低溫下的使用下限為-30 ℃，而且低溫放電性能要比磷酸鐵鋰電池優(yōu)越，低溫時(shí)的行駛里程衰減在15%以內(nèi)，其低溫下的各項(xiàng)性能要明顯高于磷酸鐵鋰電池。

5）成本：三元鋰＞磷酸鐵鋰。根據(jù)磷酸鐵鋰電池的設(shè)計(jì)原理，它在生產(chǎn)制造過(guò)程中沒(méi)有采用貴重金屬材料（主要是鎳鈷元素），并且對(duì)電池加工的生產(chǎn)環(huán)境要求不高，因此生產(chǎn)電池的材料成本較低。而三元鋰電池則更多地加入了鎳鈷錳等多種貴重金屬元素，尤其是在高鎳電池的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)電池制造加工的工藝環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)要求相當(dāng)嚴(yán)格，綜合成本相對(duì)較高。

通過(guò)對(duì)比磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池的各項(xiàng)特征，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池在性能上各有所長(zhǎng)。按照實(shí)際使用情況，三元鋰電池比較適合裝配于對(duì)動(dòng)力性能要求較高的日常乘用車，但為了提高其電池安全性，對(duì)電控系統(tǒng)的管理上需要下更多的功夫。而磷酸鐵鋰電池在對(duì)電池的結(jié)構(gòu)布局要求不高的場(chǎng)景下應(yīng)用更廣泛，大量普及在對(duì)使用壽命要求長(zhǎng)的公共通勤和社會(huì)用車上。

3 純電動(dòng)汽車鋰電池的維護(hù)與保養(yǎng)策略

3.1 定期檢查

在純電動(dòng)汽車的使用過(guò)程中，要定期在4S店進(jìn)行檢查，一些問(wèn)題以及隱患通過(guò)檢測(cè)才能夠及時(shí)地被發(fā)現(xiàn)，相關(guān)工作人員才能根據(jù)具體情況對(duì)電池存在的各種問(wèn)題對(duì)癥下藥，維護(hù)良好的汽車也會(huì)相應(yīng)減少因?yàn)殡姵卮嬖诘膯?wèn)題而導(dǎo)致的交通事故[7]。純電動(dòng)汽車車主在日常使用過(guò)程中，要時(shí)刻注意汽車的車況，根據(jù)保養(yǎng)要求的時(shí)限和電池的實(shí)際應(yīng)用情況定期檢查車輛，如果發(fā)現(xiàn)純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程在短時(shí)間內(nèi)驟然降低，就要注意到可能是由于鋰電池出現(xiàn)電池?cái)喔?、極板脫粉軟化、極板活性物質(zhì)變形脫落等現(xiàn)象引起的，就要及時(shí)升級(jí)與修復(fù)鋰電池，真正做到“防患于未然”。

3.2 正確掌握充電時(shí)間

純電動(dòng)汽車電池的使用壽命長(zhǎng)短與充電時(shí)間密切相關(guān)，車主要根據(jù)實(shí)際的使用情況估算充電時(shí)間，主要需要考慮車輛使用的頻率、汽車行駛里程、配備電池的容量大小、適應(yīng)充電樁的性能和充電電流大小等因素，目前我國(guó)大部分純電動(dòng)汽車平均的充電時(shí)間保持在8小時(shí)左右，當(dāng)電池達(dá)到放電深度的50%～80%時(shí)充電效果最佳，從而避免充電時(shí)間控制不好影響電池性能。當(dāng)前我國(guó)汽車市場(chǎng)還是以傳統(tǒng)的燃油汽車為主，在純電動(dòng)汽車還未普遍普及的情況下，廣大群眾對(duì)純電動(dòng)汽車的認(rèn)識(shí)和使用還不足，往往因?yàn)椴粔蚴炀毝鴮?dǎo)致出現(xiàn)各種事故，所以一定要正確掌握充電時(shí)間[8]。

3.3 保持良好的駕駛習(xí)慣

保持良好的駕駛習(xí)慣，可以最大限度避免電池過(guò)度放電的情況發(fā)生。因此，在平時(shí)開車行駛過(guò)程中，盡量不要急加速和急減速，因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車在啟動(dòng)、載人過(guò)程中，突然進(jìn)行緊急加速，就會(huì)導(dǎo)致電池大量放電而出現(xiàn)硫酸鉛結(jié)晶的現(xiàn)象，從而對(duì)電池的物理性能造成嚴(yán)重破壞。同時(shí)，也要盡可能避免汽車在凹凸不平的路面駕駛，路面顛簸勢(shì)必會(huì)造成電池不斷地振動(dòng)和擠壓，造成電池的破損和變形，所以一定要培養(yǎng)良好的駕駛習(xí)慣。

3.4 盡量避免陽(yáng)光暴曬

較高的溫度會(huì)導(dǎo)致純電動(dòng)汽車內(nèi)部的電池溫度也不斷升高，在高溫環(huán)境下行駛會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力增加，在高壓狀態(tài)下就會(huì)觸發(fā)電池的限壓閥自動(dòng)打開，就會(huì)增加鋰電池的失水量，導(dǎo)致加劇電池的老化不斷加劇，鋰電池的使用壽命就會(huì)大打折扣。因此，周圍環(huán)境溫度較高時(shí)要防止汽車在陽(yáng)光下暴曬，平時(shí)在對(duì)車輛進(jìn)行停放時(shí)，要選擇陰涼的地方停放車輛。近年來(lái)，我國(guó)加大了建設(shè)純電動(dòng)汽車停車場(chǎng)的規(guī)劃投資力度，很多停車場(chǎng)加裝了遮陽(yáng)棚，盡可能減少太陽(yáng)對(duì)汽車的暴曬[9]。

3.5 避免深度饋電發(fā)生

純電動(dòng)汽車長(zhǎng)時(shí)間閑置停放，就有必要定期對(duì)電池進(jìn)行充電補(bǔ)電，即使在平時(shí)正常使用過(guò)程中，也要提前確定好行車路線，避免汽車長(zhǎng)期在深度饋電的狀態(tài)下工作，長(zhǎng)期工作在深度饋電狀態(tài)下，特別容易堵塞電離子通道，導(dǎo)致后期充電量不足，電池的容量大幅下降，饋電時(shí)間拖得越長(zhǎng)，電池的破壞就越嚴(yán)重。因此，當(dāng)純電動(dòng)汽車的車主在長(zhǎng)時(shí)間不開車時(shí)，要盡早將車內(nèi)的電池電量充滿，保持在一個(gè)滿電狀態(tài)，從而降低對(duì)電池性能的損耗。如果純電動(dòng)汽車需要更長(zhǎng)時(shí)間停放，也要定期給電池進(jìn)行充電補(bǔ)電[10]。

3.6 保護(hù)好汽車充電器

對(duì)汽車充電器的保護(hù)工作，很大程度上直接影響著電池的維護(hù)與保養(yǎng)效果。車主在平時(shí)為汽車充電時(shí)，一定要確保充電器安全。通常情況下，純電動(dòng)汽車市場(chǎng)上選配的充電器基本不具備高耐振動(dòng)處理的功能，從而在后續(xù)的使用和維修過(guò)程中都會(huì)檢查出很多安全問(wèn)題。所以車主在使用汽車前要充分學(xué)習(xí)汽車使用說(shuō)明書，在平時(shí)的充電工作中要選擇與其充電功率相適應(yīng)的插座，充電過(guò)程中要保證充電器常處于散熱通風(fēng)的工作環(huán)境，避免因通風(fēng)不暢導(dǎo)致散熱困難，最終影響充電效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我國(guó)鋰電池產(chǎn)業(yè)只有將品質(zhì)性能和安全性能放到第一位置，不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新改革，進(jìn)一步加大鋰電池的新材料研究和制造工藝創(chuàng)新的力度，才能不斷提高鋰電池本身的科學(xué)技術(shù)含量，從而使鋰電池在電池行業(yè)里的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)更加明顯，也為我國(guó)純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的百花齊放奠定良好的基礎(chǔ)。