新能源汽車動力電池的研究與分析

盧欣欣　曹瑩　賈鵬飛　王金星

摘 要：隨著近幾年我國新能源汽車工業(yè)體系的不斷創(chuàng)新發(fā)展，動力電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用和前景也越來越豐富。雖然當(dāng)前電池技術(shù)還不夠成熟，但隨著科研人員的不斷努力，在動力電池領(lǐng)域已取得了很大的成就，推動了我國新能源汽車的飛速發(fā)展。但動力電池也存在較大的缺陷與隱患，因此本文針對電池的這些問題進(jìn)行分析與研究，并提出合理的解決辦法，為我國在新能源汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動力電池 鋰電池

1 引言

新能源汽車動力電池發(fā)展優(yōu)勢在于其能夠很好的貫徹響應(yīng)我國碳達(dá)峰與碳中和發(fā)展規(guī)劃政策，大大降低了有害物質(zhì)排放對環(huán)境造成的不利影響，促進(jìn)我國社會清潔能源體系的全面健康協(xié)調(diào)發(fā)展。電池技術(shù)上的應(yīng)用也確實(shí)可以大大減少環(huán)境能量資源損失，由于電動汽車動力電池可以被回收利用，提高資源回收率，減少各種汽車廢棄物對周圍土壤、水資源和對大氣環(huán)境帶來的污染。因此如何提出與解決現(xiàn)有動力電池出現(xiàn)的問題是當(dāng)前電池發(fā)展的關(guān)鍵問題所在，本文具體的研究思路框架如圖1所示。

2 新能源電池的分類

常見新能源汽車動力電池有如下兩類：蓄電池和燃料電池。蓄電池又稱二次電池，常見的有鉛酸電池、鎳基電池、二次金屬氧化物鋰電池類電池等。當(dāng)前隨著技術(shù)的額提升蓄電池的整體續(xù)航能力明顯增強(qiáng)，其為新能源汽車的發(fā)展提供了有效技術(shù)保障。

氫燃料電池是最常見的燃料電池，是將氫燃料與氧氣的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。隨著對新能源汽車?yán)m(xù)航里程及環(huán)保的進(jìn)一步要求，電池的技術(shù)結(jié)構(gòu)水平得到了很大的提升，為我國碳達(dá)峰碳中和的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

（1）鉛酸電池

鉛酸電池電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；充電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。由于鉛酸蓄電池技術(shù)可以快速為新能源汽車各種電子元器件和車載電子設(shè)備提供能量，因此鉛酸蓄電池在傳統(tǒng)汽車電子輔助設(shè)備上應(yīng)用也較為廣泛。鉛酸蓄電池的生產(chǎn)工藝相對簡單，生產(chǎn)成本價(jià)格相對國內(nèi)較國外低，在國內(nèi)外電動汽車蓄電池領(lǐng)域市場占有率都較高。雖然鉛酸蓄電池的電池生產(chǎn)成本也較蓄電池低，但因其連續(xù)工作放電性能相對而言也會較差，放電時(shí)能量利用效率較電池低。一旦連續(xù)使用時(shí)間過長或承受過多工作載荷，其性能效率將顯著性下降，導(dǎo)致其耐久性較差。

如何快速的提高鉛酸蓄電池材料產(chǎn)品的使用安全性能，已漸漸成為研發(fā)人員最重要的技術(shù)工作之一。在能夠滿足鉛酸電池充放電及工作指標(biāo)的技術(shù)前提下，可以迅有效地提高鉛酸蓄電池的使用壽命。選擇在化學(xué)活性原料配方中增加部分活性添加劑，提高了鉛酸電池釋放電池能量強(qiáng)度系數(shù)和電池剩余放電功率，顯著改善了鉛酸電池的綜合循環(huán)使用的性能。

（2）鎳氫電池

堿性電池鎳的陽極放電主要原理是由堿性溶液陽極與金屬鎳基電極發(fā)生陽極電解反應(yīng)，然后開始放電。鎳氫電池內(nèi)部含有著許多其他金屬成分，比如鎳酸和金屬錳，這也比一般鉛酸電池釋放的比能量還更高。鎳氫電池也具有一個(gè)較高范圍的額定工作電壓、比功率和比能量。其可以連續(xù)多次循環(huán)充放電過程，并具有相對較高范圍的熱性能。由于堿性MH-Ni鎳電池鎳在整個(gè)放電的過程中一般不會同時(shí)產(chǎn)生其他有毒及有害化學(xué)物質(zhì)，對電池環(huán)境并沒有明顯不良的影響，因此它可以作為動力電池應(yīng)用于各類新能源汽車。然而，盡管堿性鎳鋅酸電池鎳不會產(chǎn)生有害腐蝕物質(zhì)，但鑒于其陽極放電反應(yīng)時(shí)間卻相對的較短，因此還不能大面積用于各種電動汽車。研發(fā)人員認(rèn)為可以考慮使用二次充電再生裝置來為鎳電池額外補(bǔ)充電池能量，或考慮在其電解液成分中重新添加金屬緩蝕劑，也因此可以顯著延長鎳電池的再放電恢復(fù)時(shí)間和循環(huán)使用壽命。

（3）鋰離子電池

鋰離子電池的構(gòu)成主要由石墨陽極、有機(jī)溶劑溶液和鋰離子金屬氧化物組成，其主要工作原理是鋰離子在正極與負(fù)極之間來回移動完成工作。在充放電過程中，Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。鋰離子電池性能較前兩者綜合性能明顯增強(qiáng)，因此被廣泛應(yīng)用于新能源電動汽車市場。

（4）燃料電池

燃料電池實(shí)際是一種能量轉(zhuǎn)化裝置，工作原理是將儲存的燃料與氧化劑經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能提供能量，其實(shí)際工作過程即為氧化還原反應(yīng)。燃料電池主要組成有四個(gè)部分，分別是陰極、陽極、電解質(zhì)與外部電路。如氫燃料電池是氫氣與氧氣分別由燃料電池的陽極與陰極通入，氫氣在陽極釋放電子，電子由外電路運(yùn)動到陰極并和氧氣結(jié)合形成離子。離子在電場作用下，通過電解質(zhì)運(yùn)動到陽極，與氫氣反應(yīng)形成回路產(chǎn)生電流。燃料電池是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向，未來應(yīng)用前景廣闊。

3 動力電池存在的問題

動力電池行業(yè)目前存在很多技術(shù)及安全問題，如電池容量不足、安全穩(wěn)定性不夠、技術(shù)人員素養(yǎng)不夠、電池污染性強(qiáng)等，這些問題嚴(yán)重阻礙了新能源汽車的發(fā)展，其直接或間接影響駕駛者的行駛安全和駕駛感受，現(xiàn)對以上問題分析如下。

（1）電池容量不足

新能源汽車的續(xù)航時(shí)間短是當(dāng)前影響其發(fā)展與銷售的最重要的原因之一，多數(shù)車主因新能源汽車動力電池長途駕駛續(xù)航不夠以及無法及時(shí)充電等因素取消購買新能源汽車，所以當(dāng)前急需解決動力電池的續(xù)航問題。隨著科技于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，多數(shù)車主喜歡進(jìn)行旅行，因此對新能源汽車提出了很高的續(xù)航要求；如果電池容量不足，車輛在夜間行駛的過程中可能會容易發(fā)生故障，影響車主出行，甚至能對車主往后的實(shí)際工作環(huán)境和社會生活水平產(chǎn)生一定地影響。

（2）電池安全性得不到保證

當(dāng)前新能源汽車電池技術(shù)研究中，最突出的問題是動力電池制造技術(shù)不夠成熟，存在一定的安全隱患。電池不安全性因素主要來自于電池材料本身，在日常使用中是否及時(shí)進(jìn)行散熱。在新能源汽車正常行駛的過程中，電池會持續(xù)升溫，好的散熱材料可以大大延緩對電池本身的氧化加熱固化過程，相應(yīng)的散熱裝置設(shè)計(jì)也都可以用來幫助電池加速散熱。動力電池的使用安全性已無法長期得到有效地保證，直接影響汽車的可靠性和保障駕駛員的生命與安全，這也是今后需要解決的一項(xiàng)重大問題，也是影響電池技術(shù)長遠(yuǎn)進(jìn)步的一大關(guān)鍵因素。

（3）技術(shù)人員專業(yè)素養(yǎng)不夠

企業(yè)當(dāng)前從事的主要電池技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)中，電池材料研究人員自身綜合素質(zhì)與當(dāng)前動力電池行業(yè)的實(shí)際發(fā)展需求情況相比還存在明顯的差異。技術(shù)人員中并不缺乏高學(xué)歷人才，理論技術(shù)知識扎實(shí)，但其在高等教育階段大多只能在教學(xué)實(shí)訓(xùn)或企業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)才能將部分理論知識進(jìn)行運(yùn)用，沒有途徑能夠?qū)⒗碚撝R較好的應(yīng)用于實(shí)際。造成了理論與實(shí)際嚴(yán)重脫軌的現(xiàn)象，從而影響了電池技術(shù)的研究進(jìn)展，阻礙了電池領(lǐng)域的生產(chǎn)進(jìn)步。

（4）電池環(huán)保性不夠

生態(tài)環(huán)境保護(hù)是現(xiàn)階段環(huán)保最基本的法律概念，也是基本發(fā)展國策原則之一。國家高度重視資源環(huán)境保護(hù)和改善各方面的環(huán)境保護(hù)。然而，由于廢舊電池自身的污染性，新能源汽車報(bào)廢后仍會持續(xù)對周邊環(huán)境水體造成放射性污染，而且很難被消除。

新能源汽車市場整體發(fā)展緩慢的原因之一是舊電池嚴(yán)重缺乏環(huán)保性，隨著當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，很多家庭擁有新能源汽車，如果動力電池本身的環(huán)保性不夠，就會產(chǎn)生大量的環(huán)境污染，不僅直接影響到國家的生存環(huán)境，還會對全球環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。因此，電池的環(huán)保性不足也是當(dāng)前新能源汽車電池技術(shù)待解決的一大問題。

4 提升動力電池綜合性能的策略

（1）擴(kuò)大電池容量

在新能源汽車電池技術(shù)改進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，電池容量的擴(kuò)大同樣是另外一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，電池容量的大小能直接的影響新能源汽車動力電池的安全行駛里程。其次，可以考慮選擇表面厚度和回彈度較小一些表面材料，因?yàn)殡姵厥褂靡欢螘r(shí)間后會出現(xiàn)相應(yīng)的厚度回彈，這些會影響到鋰離子電池材料自身的有效使用和容量。因此，相關(guān)企業(yè)的鋰離子電池技術(shù)應(yīng)用研究的人員應(yīng)當(dāng)選擇有相對厚度的或反彈較小的鋰離子電池材料來進(jìn)行有效地幫助鋰離子電池更好的擴(kuò)大電池容量。

在我們選擇鋰電材料類型的過程中，多選擇含有大量高富鋰元素材料和鋰三元材料等組成的高強(qiáng)度可導(dǎo)電型鋰離子材料，這些高性能鋰材料可滿足當(dāng)前鋰離子電池材料良好的高強(qiáng)導(dǎo)電性，能夠保證未來擴(kuò)大鋰離子電池領(lǐng)域的電池容量。

（2）合理解決電池污染

第一，減少電池的廢棄量。具體來說，從國家層面出臺相關(guān)政策，保證充電電池的占有比例，減少一次性電池的生產(chǎn)使用，這樣廢電池量就會減少很多。同時(shí)呼吁社會不要生產(chǎn)低檔、偽劣電池產(chǎn)品，這些產(chǎn)品不僅使用壽命短廢電池產(chǎn)生量大，而且汞含量難以控制，不僅做不到無汞化，連低汞化都做不到。

第二，采用電池電能梯級利用的方式減少廢電池的產(chǎn)生量。有一些用電量比較大的電器，里面的電池廢棄后還有一些殘存的電量，可以再把這些電池用到一些耗電量小的電器里，盡量將里面的電量用到極致。

第三，不要隨意丟棄廢電池，要將廢電池送到指定回收點(diǎn)或指定垃圾箱。電池是屬于比較嚴(yán)重的污染源，廢舊電池指定點(diǎn)進(jìn)行回收處理，既減少了對環(huán)境的污染，又可以對廢舊電池中的部分健康電芯進(jìn)行重復(fù)利用。

（3）提高電池檢測分析技術(shù)和技術(shù)團(tuán)隊(duì)素養(yǎng)

電池本身在正常使用過程中都可能會或多或少出現(xiàn)上述各種電池問題，因此都需要經(jīng)過專門資質(zhì)的動力電池測試維修人員系統(tǒng)進(jìn)行檢查和定期充電測試。如果這些測試維護(hù)人員具備的測試專業(yè)水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，那么用戶在整個(gè)測試使用過程中會費(fèi)掉大量寶貴時(shí)間，或者完全無法準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電池具體失效原因。為了更好地提高新能源汽車鋰離子電池關(guān)鍵技術(shù)，鋰離子電池技術(shù)測試部門人員同時(shí)還應(yīng)持續(xù)改進(jìn)鋰離子電池的檢測維護(hù)技術(shù)。

企業(yè)電池團(tuán)隊(duì)綜合水平直接影響該企業(yè)電池技術(shù)人才全面發(fā)展的進(jìn)程和技術(shù)水平的提高，進(jìn)而可能關(guān)系整個(gè)鋰電行業(yè)新能源汽車技術(shù)的全面發(fā)展。企業(yè)應(yīng)當(dāng)每年定期集中組織鋰電相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員集體外出學(xué)習(xí)與調(diào)研，必要時(shí)可以出國進(jìn)一步交流學(xué)習(xí)和深入學(xué)習(xí)，掌握先進(jìn)實(shí)用的太陽能電池和相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)。

總之，企業(yè)管理部門應(yīng)該真正認(rèn)識到改進(jìn)汽車電池安全檢測評價(jià)技術(shù)，提高電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)整體專業(yè)能力素養(yǎng)，是進(jìn)一步提高整車電池技術(shù)水平，促進(jìn)未來新能源汽車持續(xù)發(fā)展升級的一大關(guān)鍵。

（4）提高電池技術(shù)的安全性

新能源汽車電池技術(shù)普遍存在安全問題，這也是最重要、最迫切解決研究的重大問題，因?yàn)樗粌H將影響著汽車電池組的實(shí)際使用壽命，而且會對人們健康生命安全構(gòu)成極大威脅。目前大部分新能源汽車在動力電池使用中，最常見的主要安全質(zhì)量問題是汽車電池發(fā)熱導(dǎo)致燃燒引起產(chǎn)生的電弧起火，為此提出如下解決措施。第一，技術(shù)人員應(yīng)通過合理設(shè)計(jì)電池組件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)選擇耐熱性較高的材料使用；第二，通過加強(qiáng)外部散熱和內(nèi)部冷卻能力，有效提高新能源汽車動力電池在持續(xù)工作中的散熱效率；第三，可安裝一套功能獨(dú)立空調(diào)冷卻系統(tǒng)，以進(jìn)一步減緩駕駛過程中動力電池的產(chǎn)熱過程，既延長了鋰離子電池產(chǎn)品的使用壽命，又切實(shí)保證了駕駛員的駕駛感受與安全性。

5 總結(jié)

通過以上分析，掌握了電池常見的一些問題，并針對此類問題提出解決辦法，為電池的發(fā)展提供理論指導(dǎo)，進(jìn)而推動新能源汽車的發(fā)展，減少對傳統(tǒng)燃油車的依賴，實(shí)現(xiàn)自主汽車品牌的崛起，快速彎道超車。同時(shí)新能源汽車能減少對大氣環(huán)境的污染，為我國碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)作出貢獻(xiàn)。

基金項(xiàng)目：1.江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項(xiàng)目（編號：2022QYSJ016）；2.南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究青年創(chuàng)新項(xiàng)目（JC12022090）；3.江蘇省大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（202110958023Y）；4.南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究面上項(xiàng)目（JC22022034）;5.南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究面上項(xiàng)目（JCZ2022061）；6.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（GYKY/2021/7）；7.江蘇工院2021年高水平產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺項(xiàng)目；8.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（GYKY/2022/14）。

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