探討新能源汽車電池類型現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

應(yīng)祺煜

摘 要：隨著全球氣候變化和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，新能源汽車已成為未來可持續(xù)交通發(fā)展的重要方向。電池作為新能源汽車的核心組成部分，其性能、安全性、成本及壽命等方面會直接影響到新能源汽車的市場接受度和整體發(fā)展。結(jié)合針對當(dāng)前新能源汽車電池類型現(xiàn)狀的探析，汽車行業(yè)仍需加大研發(fā)與創(chuàng)新力度，從而進(jìn)一步助推新能源汽車可持續(xù)發(fā)展，并創(chuàng)造更大的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 電池類型 現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢

1 引言

當(dāng)前，新能源汽車電池市場呈現(xiàn)出多種類型并存的局面。鋰離子電池因其高能量密度、長壽命和快速充電等優(yōu)點成為主流選擇，固態(tài)電池、鎳氫電池、超級電容器等也存在各自的適用領(lǐng)域。然而，這些電池在技術(shù)成熟度、成本和市場接受度等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)，需隨技術(shù)變革和市場需求的變化持續(xù)進(jìn)行創(chuàng)新與突破，以實現(xiàn)能源更高效的利用。

2 新能源汽車電池類型介紹

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池是最早應(yīng)用于新能源汽車的電池類型，具有成本低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，同時也存在能量密度低、充電次數(shù)少等缺點。鉛酸電池主要由正極、負(fù)極和電解液構(gòu)成，還包括連接線、外殼、端子、電池蓋、電池槽等結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。其中，正極活性物質(zhì)主要成分為二氧化鉛（PbO2），呈棕紅色；負(fù)極活性物質(zhì)主要成份為絨狀（海綿狀）純鉛，呈深灰色[1]，電池內(nèi)部還需要隔板等構(gòu)造將正、負(fù)極板互相絕緣，以防止正負(fù)極接觸短路，保證各個部分能夠正常工作的同時又能相錯工作。

當(dāng)前在新能源汽車上，鉛酸電池主要用于為低壓電器供電和作為輕型車的動力電池。2021年，鉛酸蓄電池在上述功能的合計市場占比超過70%，中國鉛酸蓄電池企業(yè)全球市場份額為42.0%，為全球最主要的消費市場之一，且增速高于全球。2020年，在國內(nèi)電動輕型車鉛蓄動力電池的市場，天能股份行業(yè)市場占有率排名第一，市場占有率已超過40%，行業(yè)前六家企業(yè)的市場份額合計77.5%。此外，2022年中國鉛酸蓄電池出口數(shù)量為2.16億個，同比增長9.09%，出口金額為39.03億美元，同比增長9.08%。

隨著行業(yè)增速放緩、競爭壓力加大，以及愈發(fā)嚴(yán)苛的環(huán)保政策，鉛酸行業(yè)會受到更大的沖擊并進(jìn)入行業(yè)整合期。

2.2 鎳鎘電池和鎳氫電池

鎳鎘電池在能量密度和充電次數(shù)上優(yōu)于鉛酸電池，但含有重金屬，對環(huán)境有一定影響，在新能源汽車中的應(yīng)用情況較少。

相比之下，鎳氫電池具有更好的性能，且更加環(huán)保。鎳氫電池是混合動力汽車所用電池體系中唯一被實際驗證并被商業(yè)化、規(guī)?；碾姵伢w系，現(xiàn)有混合動力電池99%的市場份額為鎳氫動力電池[2]。全球主要的汽車動力電池廠商如日本的PEVE和Sanyo，占據(jù)全球Hybrid動力車用鎳氫電池85%的市場份額。在我國，長安杰勛、奇瑞A5、一汽奔騰、通用君悅等品牌轎車已經(jīng)在示范運行，均采用的鎳氫電池。

2.3 鋰電池

鋰電池是目前應(yīng)用最廣泛的新能源汽車電池類型，具有高能量密度、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點，但成本較高。按照正極材料的不同劃分，包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池；按電解液狀態(tài)不同劃分，包括液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、半固態(tài)鋰離子電池、全固態(tài)鋰離子電池；按照電池的形狀劃分，包括方形鋰電池、圓柱形電池、軟包鋰電池。新能源汽車常見的電池中不僅會包含鋰電池，還會包括電池管理單元、電芯監(jiān)控單元、電池包上蓋、熱管理系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)單元（如圖2所示），這些結(jié)構(gòu)單元雖然拉低了整個電池包的能量密度，但提升了電池包的安全性。

目前，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是新能源汽車中最常用的鋰電池類型。三元鋰電池的單體能量密度在200-300Wh/kg之間，包體能量密度在160-200Wh/kg，具有較高的能量密度和適中的成本，因此被廣泛應(yīng)用于純電動汽車和混合動力汽車中。而磷酸鐵鋰電池的單體能量密度在150-160Wh/kg，雖然能量密度較三元鋰電池低，但其安全性較高，壽命較長，成本較低，因此也被廣泛應(yīng)用于純電動汽車和混合動力汽車中。

三元鋰電池是一種以鎳鈷錳酸鋰為主要成分的鋰電池，具有高能量密度、長壽命、環(huán)保等優(yōu)點，但成本較高。

三元鋰電池在新能源汽車中主要用于乘用車型。在早期的市場中，三元鋰電池的能量密度高、低溫性能好、壽命長，因此具有較高的市場占有率。在2016年之前，中國的新能源汽車市場中，三元鋰電池的市場份額超過50%。然而，隨著新能源汽車市場的快速發(fā)展和技術(shù)的不斷進(jìn)步，三元鋰電池的應(yīng)用情況和市場占有率也在發(fā)生變化。一方面，由于三元鋰電池的原材料鈷、鎳等價格的上漲以及電池回收利用等問題，三元鋰電池的成本逐漸上升，影響了其在市場中的競爭力。另一方面，隨著磷酸鐵鋰電池技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，磷酸鐵鋰電池在新能源汽車市場中的份額逐漸上升。

目前，中國的新能源汽車市場中，三元鋰電池的市場份額已經(jīng)下降到約30%左右。不過，隨著技術(shù)的進(jìn)步和政策的不斷調(diào)整，三元鋰電池的應(yīng)用情況和市場占有率仍將發(fā)生變化。

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和新能源汽車市場的不斷擴大，鋰電池在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。據(jù)統(tǒng)計，2021年全球鋰離子電池市場規(guī)模達(dá)到545GWh，中國占據(jù)了超一半的市場規(guī)模。

同時，中國動力電池產(chǎn)能約占全球的70%，世界前十的鋰電池生產(chǎn)廠家中就有6家中國企業(yè)身影[3]。因此，可以看出鋰電池在新能源汽車市場中占據(jù)相當(dāng)大的份額，并隨著新能源汽車市場的不斷擴大和技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰電池的市場占有率還將繼續(xù)上升。

2.4 燃料電池

燃料電池是一種通過氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生電能的電池類型，具有高能量密度、環(huán)保、充電時間短等優(yōu)點，但其技術(shù)成熟度不夠且成本較高。目前最為成熟的燃料電池之一是質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氫氣在陽極上發(fā)生氧化反應(yīng)，生成質(zhì)子和電子。同時，氧氣在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，接收電子和質(zhì)子，并和電子形成水（如圖3所示）。質(zhì)子交換膜燃料電池具有高能量密度、低溫啟動、無污染等優(yōu)點。

相比其他電池，燃料電池汽車具有高效率和低污染的特點，并且燃料電池汽車加氫時間短，這些優(yōu)勢使得燃料電池汽車在新能源汽車領(lǐng)域具有較大的市場潛力，當(dāng)前在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。全球主要汽車制造商均在積極研發(fā)燃料電池汽車，并建設(shè)加氫站等配套設(shè)施。中國、日本和韓國是全球燃料電池汽車市場的主要推動者，其中日本是全球最早發(fā)展燃料電池汽車的國家之一，而中國和韓國也在近年來加快了燃料電池汽車的研發(fā)和推廣[4]。據(jù)統(tǒng)計，2021年全球燃料電池汽車銷量超過1.6萬輛，同比增長9.0%。其中，中國市場銷量超過3000輛，同比增長28.7%。

當(dāng)前燃料電池汽車的主要市場在公共交通和商業(yè)運輸領(lǐng)域，如公交車、出租車和貨車等。

2.5 石墨烯電池

石墨烯電池是一種利用石墨烯材料制作的新型電池，具有高能量密度、充電速度快、長壽命等優(yōu)點，但其制備難度較高且成本較高。后者導(dǎo)致石墨烯電池在集多類型優(yōu)點的情況下仍然市場占有率不高，其技術(shù)成熟度和產(chǎn)業(yè)化方面仍需進(jìn)一步發(fā)展[5]。

在中國石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中，新能源電池占比最大，達(dá)71.4%。然而，目前鋰電池仍是新能源汽車中最常用的電池類型，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的降低，未來石墨烯電池的市場占有率有望逐步提升。

3 新能源汽車電池的發(fā)展趨勢

3.1 高能量密度

電池的能量密度是指電池的能量與其體積或重量之比。提高電池的能量密度有助于增加電池釋放的能量，從而提升新能源汽車的續(xù)航里程，，減少充電次數(shù)和時間，提高使用便利性，這是新能源汽車技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。

然而，提高電池的能量密度并非易事，其中仍有諸多技術(shù)難題亟待解決。例如，高能量密度電池由于能量大，對包括過熱、過充等安全隱患更加敏感。因此，在追求高能量密度的同時，還要密切關(guān)注電池的安全性能和穩(wěn)定性。除了電池能量密度的因素，新能源汽車的續(xù)航里程還受到其他因素的影響，如：車輛設(shè)計、車身重量、駕駛習(xí)慣、道路狀況等。因此，僅僅依靠提高電池能量密度并不能完全解決新能源汽車?yán)m(xù)航里程的問題，還需同時考慮其他因素，確保新能源汽車的安全性和穩(wěn)定性。

3.2 輕量化

電池的重量對于新能源汽車的性能和續(xù)航里程具有重要影響。在新能源汽車中，電池通常占據(jù)了相當(dāng)一部分的車輛重量。因此，輕量化電池技術(shù)的發(fā)展對于提高新能源汽車的性能和續(xù)航里程具有重要意義。

輕量化電池能減少車輛的整體重量，從而降低能源消耗，提高續(xù)航里程。此外，輕量化電池還能提高車輛的加速性能和制動性能，提升駕駛體驗[6]。目前，一些新型的輕量化電池技術(shù)正在不斷發(fā)展，如：鋰硫電池、固態(tài)電池等。這些新型電池技術(shù)具有更高的能量密度和更輕的重量，可以進(jìn)一步改善新能源汽車的性能和續(xù)航里程。

然而，輕量化電池技術(shù)的發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，輕量化電池的強度和穩(wěn)定性會受到影響，為確保電池的安全性能和使用壽命，必須在降低電池重量的同時不影響電池的強度。此外，輕量化電池的制造成本也需進(jìn)一步降低，以使其更具市場競爭力，保證輕量化電池在行業(yè)未來發(fā)展中得到更廣泛的應(yīng)用。

3.3 快充技術(shù)

快充技術(shù)的發(fā)展是電池技術(shù)發(fā)展中的另一個重要趨勢。對于消費者來說，補能時間也是影響新能源車使用的重要因素，新能源汽車的充電時間越短，使用越便利?？斐浼夹g(shù)可以提升消費者的使用體驗。目前，如高電壓快充、超級快充等快充技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，在更短的時間內(nèi)為新能源汽車補充大部分能量，大大縮短了充電時間。但快充技術(shù)的發(fā)展依舊面臨著諸多挑戰(zhàn)，如高電壓和大電流會產(chǎn)生大量的熱量，進(jìn)而導(dǎo)致能量損失，這部分散熱問題和能效問題都是影響快充向更快發(fā)展的絆腳石；另一方面，快充對電池的壽命和熱安全的影響也需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

工程師們?yōu)榻鉀Q這些問題提出了新型的快充技術(shù)，如：無線充電、激光充電等，這些新技術(shù)能提高充電效率和安全性，進(jìn)一步縮短充電時間。

3.5 智能化管理

通過智能化管理，車輛能更有效地管理和控制電池的充放電過程，提高電池的利用率和安全性，延長電池的使用壽命。

智能化電池管理系統(tǒng)包括對電池的電量、溫度、電流、電壓等參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測和調(diào)控，確保電池在最佳狀態(tài)下工作[7]，也包括預(yù)測電池的性能和壽命，提前維護(hù)、更換，避免電池過充、過放或過熱等問題，提高電池的安全性。

智能化電池管理系統(tǒng)的發(fā)展需要依賴先進(jìn)的傳感器、通信和控制技術(shù)。通過集成這些技術(shù)，工程師可實現(xiàn)對電池的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理，提高電池的管理效率和使用便利性。

3.6 可持續(xù)性

隨著環(huán)保意識的提高，未來電池的發(fā)展將更加注重環(huán)保和可持續(xù)性，使用可再生能源和回收利用廢舊電池等環(huán)保措施將成為電池發(fā)展的重要方向之一。

使用可再生能源能為電池生產(chǎn)可在電池生產(chǎn)的全生命周期中提供更加環(huán)保的能源選擇，減少對化石燃料的依賴，降低碳排放。例如利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源用于生產(chǎn)電池所需的電解液、電極等材料，從而實現(xiàn)更加環(huán)保的生產(chǎn)過程。

回收利用廢舊電池也是未來電池發(fā)展的重要趨勢之一。通過有效的回收利用廢舊電池，電池廠商可減少電池生產(chǎn)過程中對原材料的需求，降低開采和生產(chǎn)過程中的環(huán)境破壞和資源浪費。此外，回收利用廢舊電池還能為新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展提供支持，有助于降低環(huán)境污染，對各類資源高效利用，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

在新能源汽車領(lǐng)域，電池技術(shù)的進(jìn)步是推動整個行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。雖然鋰離子電池是當(dāng)前行業(yè)的主流選擇，但電池仍存在諸多難點，如能量密度、電池壽命、安全性、成本等多個方面的影響。新型電池技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用也將為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入新的活力。未來，隨著電池技術(shù)的不斷創(chuàng)新和突破，以及政府政策、市場需求等多方面因素的推動，新能源汽車電池市場將呈現(xiàn)出更加多元化、智能化的趨勢，結(jié)合我國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷創(chuàng)新與突破，推動我國汽車科技社會的穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯俊.新能源汽車動力電池的維護(hù)與保養(yǎng)[J].汽車與新動力，2022，5（06）：94-96.

[2]曾思慧.基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)視角的新能源汽車動力電池回收利用分析[J].中國資源綜合利用，2022，40（12）：94-96.

[3]黃達(dá).我國新能源汽車動力電池回收現(xiàn)狀及對策[J].綜合運輸，2022，44（12）：20-22.

[4]李紹圓.淺析新能源汽車動力電池統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化運營[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2021，（24）：138-140.

[5]張清郁.新能源汽車動力電池安全問題分析及解決對策[J].科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2021，（12）：73-74+77.

[6]蘇曉楠.基于專利分析的新能源汽車電池發(fā)展研究[J].南方農(nóng)機，2020，51（24）：166-167.

[7]王震坡，袁昌貴，李曉宇.新能源汽車動力電池安全管理技術(shù)挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢分析[J].汽車工程，2020，42（12）：1606-1620.