新能源汽車供能電池技術的應用分析

摘要：隨著全球環(huán)境問題的日益突出，新能源汽車的發(fā)展越來越受到關注。供能電池技術是新能源汽車的關鍵技術之一，其性能和應用領域的不斷擴展將推動新能源汽車的快速發(fā)展。與此同時，智能化技術的不斷創(chuàng)新和應用，也將為電池管理和車聯(lián)網(wǎng)等領域的發(fā)展提供新的機遇和挑戰(zhàn)。據(jù)此，針對新能源汽車供能電池技術的分類、優(yōu)缺點及應用領域進行闡述，探討了智能化技術在電池管理系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng)技術中的應用，同時分析了新能源汽車供能電池技術的環(huán)境和社會影響，提出了相應的解決方案。

關鍵詞：新能源汽車；供能電池；應用

中圖分類號：U469.7? 收稿日期：2023-03-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.020

1 新能源汽車概述

1.1 新能源汽車的定義

新能源汽車是指采用新型動力技術和燃料的汽車，主要包括電動汽車、燃料電池汽車、混合動力汽車等。相較于傳統(tǒng)燃油汽車，新能源汽車具有更高的能量利用效率、更低的污染排放和更少的能源消耗，被認為是未來汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢。同時，新能源汽車也是推動環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的重要手段之一。

1.2 新能源汽車的發(fā)展歷程

在20世紀60～70年代，一些國家開始嘗試開發(fā)電動汽車、太陽能汽車等新型汽車技術，但由于技術水平和市場需求等因素的限制，新能源汽車并未得到廣泛推廣。1990～2000年代，隨著環(huán)境保護意識的增強和能源危機的加劇，各國開始加大對新能源汽車的技術研發(fā)投入。其中，電動汽車成為研究的重點，同時燃料電池汽車和混合動力汽車等新型動力技術也開始得到關注。進入21世紀后，隨著新能源汽車技術的不斷進步和政策的推動，全球范圍內(nèi)新能源汽車市場逐漸迎來快速發(fā)展。2010年代以來，各國政府相繼推出了一系列新能源汽車政策，如購車補貼、免費停車、免費充電等，極大地刺激了新能源汽車市場的發(fā)展。在各國政府和汽車廠商的不斷努力和創(chuàng)新下新能源汽車技術逐漸成熟，并逐步成為汽車產(chǎn)業(yè)轉型升級和綠色發(fā)展的重要方向[1]。

2 鋰離子供能電池技術的優(yōu)點

鋰離子電池技術的優(yōu)點體現(xiàn)如下：

a.相對于其他電池技術，鋰離子電池具有較高的能量密度，可以存儲更多的能量。

b.鋰離子電池的壽命相對較長，可以充放電多次，有較長的使用壽命。

c.不含重金屬等有害物質(zhì)，對環(huán)境比較友好。

d.體積及重量相對輕巧，可以減輕電動汽車等設備的重量負擔，但該電池在使用過程中容易受到高溫、過充等因素的影響，安全性相對較差。

e.鋰離子電池的制造成本相對較高，不利于降低電動汽車等產(chǎn)品的制造成本。

f.存在壽命衰減等問題，使用壽命有限[2]。

3 鋰離子電池的技術進展

3.1 正極材料的研究與發(fā)展

正極材料是鋰離子電池中的關鍵組成部分，直接影響著電池的性能和性質(zhì)。在鋰離子電池的研究與發(fā)展中，鋰鐵磷酸鹽正極材料和鋰鎳錳鈷氧化物正極材料是兩個備受關注的重要領域。鋰鐵磷酸鹽正極材料具有很高的安全性和熱穩(wěn)定性，成為鋰離子電池中一種理想的正極材料，由鋰離子、鐵離子和磷酸根離子組成，具有較高的放電電位和優(yōu)異的循環(huán)壽命。相較于傳統(tǒng)的鋰鈷酸鹽正極材料，鋰鐵磷酸鹽正極材料更加穩(wěn)定和環(huán)保，能夠有效降低電池的熱失控和安全風險，且該種材料價格相對較低，具有良好的市場前景和應用潛力。鋰鎳錳鈷氧化物正極材料是一種多元金屬氧化物，其組成包括鎳、錳和鈷等金屬離子，兼具了鋰鈷酸鹽和鋰鐵磷酸鹽正極材料的優(yōu)勢，具有較高的能量密度和優(yōu)異的電化學性能，不僅能夠提供較高的放電電位，還具有良好的循環(huán)壽命和快速充放電性能。

3.2 負極材料的研究與發(fā)展

鋰離子電池的負極材料對電池的性能和循環(huán)壽命有著重要影響，在鋰離子電池的研究與發(fā)展中，石墨負極材料和硅負極材料是兩個備受關注的研究領域。

石墨負極材料具有良好的導電性、化學穩(wěn)定性和結構穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的充放電效率和循環(huán)壽命，其優(yōu)點包括低成本、良好的電化學性能和較高的比容量，在鋰離子電池領域得到廣泛應用，但其比容量相對較低，限制了電池能量密度的進一步提升。

硅負極材料因其較高的理論比容量而備受關注，相較于石墨負極材料，硅負極材料具有更高的儲鋰能力，理論比容量達到了4 200 mA·h/g，能夠存儲更多的鋰離子，實現(xiàn)更高的能量密度。然而，硅負極材料在充放電循環(huán)過程中容易發(fā)生體積膨脹，導致電極結構的破壞和容量衰減。因此，解決硅負極材料體積膨脹的問題是其應用和發(fā)展的關鍵。

為了克服硅負極材料的體積膨脹問題，研究人員開展了許多創(chuàng)新的設計和改進措施。例如，引入納米結構和多孔結構可以緩解硅負極材料的體積膨脹，并提高電極的穩(wěn)定性，采用復合材料、包覆材料和導電添加劑等方法也可以改善硅負極材料的循環(huán)性能和穩(wěn)定性，為其實現(xiàn)商業(yè)化應用提供了前景。

3.3 電解質(zhì)的研究與發(fā)展

液態(tài)電解質(zhì)是傳統(tǒng)鋰離子電池中最常用的電解質(zhì)類型，通常采用有機溶劑和鋰鹽混合物，具有良好的離子傳導性能和電化學穩(wěn)定性，能夠提供較高的離子遷移率，實現(xiàn)較高的功率密度和循環(huán)壽命。然而，液態(tài)電解質(zhì)存在一些缺點，如揮發(fā)性、易燃性和安全性等方面的隱患。

聚合物電解質(zhì)因其優(yōu)越的離子傳導性能和較高的機械強度而備受關注，采用含鋰的聚合物材料，具有較低的揮發(fā)性和較高的熱穩(wěn)定性，從而提高了鋰離子電池的安全性。聚合物電解質(zhì)具有較高的離子傳導率和良好的機械柔韌性，能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。此外，聚合物電解質(zhì)還具有較好的界面穩(wěn)定性，可以減少電池內(nèi)部的電極界面反應，從而提高電池的循環(huán)壽命。

3.4 電池封裝與管理系統(tǒng)的技術進展

電池封裝技術是將電池單體、電池模組或電池組件進行有效封裝和保護的過程，旨在提供電池的物理保護、熱管理和環(huán)境隔離，以確保電池的安全性和穩(wěn)定性。電池封裝技術包括外殼設計、密封材料、導電和隔離層等方面的工藝和材料創(chuàng)新。通過合理的封裝設計和材料選擇，可以提高電池的結構強度、溫度管理和防護性能，從而增強電池的安全性和可靠性。

電池管理系統(tǒng)通過監(jiān)測電池狀態(tài)、電壓、溫度和電流等參數(shù)，實時掌握電池的工作狀態(tài)，并根據(jù)需要進行電池充放電控制和保護，還能進行電池故障診斷和安全防護，避免過充、過放、過溫和短路等問題。隨著電池管理系統(tǒng)技術的發(fā)展，智能化和自適應控制成為電池管理系統(tǒng)的重要特征。電池管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集、處理和控制算法的優(yōu)化，實現(xiàn)對電池的精確管理和優(yōu)化控制，從而提高電池的性能和壽命。

電池封裝技術和電池管理系統(tǒng)的進展為鋰離子電池的應用提供了更廣闊的空間。通過優(yōu)化封裝設計和材料選擇，可以提高電池的能量密度、循環(huán)壽命和安全性，滿足不同應用場景的需求。同時，電池管理系統(tǒng)的智能化和自適應控制能夠最大程度地發(fā)揮電池的性能，并確保電池在工作過程中的安全可靠性。未來的發(fā)展趨勢包括更高集成度的電池管理系統(tǒng)、更精確的狀態(tài)監(jiān)測和更智能的控制算法，以推動鋰離子電池技術的進一步發(fā)展。

4 新能源鋰離子汽車供能電池技術的應用現(xiàn)狀

鋰離子電池被廣泛應用于汽車制造行業(yè)，如特斯拉公司的電動汽車Model S和Model X等，均采用高能量密度的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)長時間的續(xù)航里程和較高的性能表現(xiàn)。鋰離子電池也是智能手機等移動設備的主要電源之一，如蘋果公司的iPhone系列和三星公司的Galaxy系列等智能手機，均采用鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間的使用壽命。還可以作為筆記本電腦等便攜式電子設備的電源，如蘋果公司的MacBook系列和戴爾公司的XPS系列等筆記本電腦，均采用鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間的使用壽命和較高的性能表現(xiàn)。無人機等無人駕駛飛行器的動力來源也可以依靠鋰離子電池實現(xiàn)，如DJI公司的無人機Phantom和Mavic系列等，均采用高能量密度的鋰離子電池，能夠?qū)崿F(xiàn)較長的飛行時間和較高的性能表現(xiàn)。

隨著環(huán)保意識的提高和電動汽車市場的快速發(fā)展，鋰離子電池市場規(guī)模不斷擴大，市場競爭也愈加激烈。目前，鋰離子電池行業(yè)主要由日本、韓國和我國臺灣等的企業(yè)主導，其中比較知名的企業(yè)包括松下、三星、LG化學、寧德時代等[3]。

5 新能源汽車供能電池技術的未來發(fā)展趨勢

5.1 電池技術創(chuàng)新

電池技術的創(chuàng)新是推動電動汽車、可再生能源等領域發(fā)展的關鍵。當前電池技術創(chuàng)新包括以下幾點：a.固態(tài)電池技術，使用固態(tài)電解質(zhì)代替了傳統(tǒng)的液態(tài)電解質(zhì)，具有高能量密度、安全性高、長壽命等優(yōu)點，固態(tài)電池技術正在不斷發(fā)展，未來有望取代鋰離子電池成為主流電池技術。

b.金屬空氣電池技術，主要通過金屬和氧氣進行反應產(chǎn)生電能，具有高能量密度、無污染、可重復充放電等優(yōu)點，但目前尚存在電極壽命短等問題。

c.多離子電池技術，可以利用多種離子進行電荷傳輸、具有高能量密度、快速充放電、長壽命等優(yōu)點。

d.柔性電池技術可以將電池制成柔性的形態(tài)，具有輕薄柔軟、可彎曲、可穿戴等特點，目前已經(jīng)在智能手表、智能眼鏡等產(chǎn)品中得到應用。

由此可見，現(xiàn)代電池技術仍然處于不斷創(chuàng)新和發(fā)展中，新的電池技術不僅可以提高電池的能量密度、安全性和壽命，還可以適應更多的應用場景[4]。

5.2 智能化技術

智能化技術是指利用計算機、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術手段對生產(chǎn)、服務、管理等過程進行智能化改造的一種技術，其主要特點是通過數(shù)據(jù)的采集、分析和處理，實現(xiàn)對設備、流程和人員的智能化控制，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、提升服務質(zhì)量。智能化技術在新能源汽車供能電池技術中的應用包括以下幾點：

a.電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)﹄姵貭顟B(tài)進行實時監(jiān)測、控制、保護和優(yōu)化，提高電池的性能、壽命和安全性的智能化技術。

b.BMS系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以對電池的電量、電壓、溫度、充放電速率等參數(shù)進行實時監(jiān)測，并通過調(diào)節(jié)充放電速率、控制電池溫度等方式，實現(xiàn)電池性能的優(yōu)化和安全性的保障。BMS系統(tǒng)已廣泛應用于電動汽車、儲能電池等領域，成為保障電池安全性和提高電池壽命的重要手段。

c.車聯(lián)網(wǎng)技術。該技術是通過無線通信技術將車輛與互聯(lián)網(wǎng)連接起來的智能化技術，實現(xiàn)車輛的實時監(jiān)測和遠程控制，包括車輛位置、車速、油耗、故障等信息的實時獲取，以及遠程鎖車、開車、尋車等控制指令的下發(fā)。車聯(lián)網(wǎng)技術不僅提高了車輛的安全性和駕駛舒適性，還為車輛的管理和服務提供了新的手段。目前，車聯(lián)網(wǎng)技術已廣泛應用于汽車、物流等領域，成為智能交通和智能物流的重要組成部分[5]。

6 新能源汽車供能電池技術的影響

6.1 環(huán)境影響

新能源汽車供能電池技術的應用可以減少傳統(tǒng)燃油車的尾氣排放，降低空氣污染和全球溫室氣體排放，對改善環(huán)境質(zhì)量具有積極作用。同時，電池制造、使用和回收過程中產(chǎn)生的廢棄物和污染物，也對環(huán)境造成一定影響。

6.2 資源影響

新能源汽車供能電池技術的發(fā)展需要大量的資源支持，包括稀有金屬、鈷、鋰等材料。這些材料的采集和加工會產(chǎn)生環(huán)境污染和資源浪費，同時也會帶來資源的緊張和價格上漲的問題。

6.3 社會影響

新能源汽車供能電池技術的發(fā)展，將帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，創(chuàng)造就業(yè)機會。同時，電動汽車的普及也將改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞胶蜕罘绞?，促進城市可持續(xù)發(fā)展。但是，電動汽車的價格較高，普及程度受到一定限制，需要政府和企業(yè)的支持和推動。

7 結語

新能源汽車供能電池技術是推動新能源汽車發(fā)展的關鍵技術之一，其應用領域和性能不斷拓展和提高，將為環(huán)境保護和經(jīng)濟發(fā)展做出貢獻。與此同時，智能化技術的應用也將為電池管理和車聯(lián)網(wǎng)等領域的發(fā)展帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。但是，新能源汽車供能電池技術的應用還存在一系列的環(huán)境和社會問題，需要各方共同努力，加強技術研發(fā)和管理，實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境和社會的協(xié)同發(fā)展。

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作者簡介：

陳碧雯，女，1989年生，講師，研究方向為汽車機械與動力職業(yè)教育。