韋增欣 黃海東 袁功林
摘 要:全球不斷增長(zhǎng)的能源需求和環(huán)境污染問(wèn)題形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),使新能源汽車備受社會(huì)矚目。新能源汽車關(guān)鍵三要素(動(dòng)力電池、電驅(qū)、電控)等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的研究和發(fā)展是該領(lǐng)域的中心課題,特別是動(dòng)力電池在高密度、續(xù)航能力、循環(huán)壽命等方面的進(jìn)展和突破急需亟待解決?,F(xiàn)以新能源汽車電池為切入點(diǎn),深入剖析了電池的現(xiàn)狀,進(jìn)一步研究了電池新型材料的創(chuàng)新趨勢(shì),包括鈉離子電池替代鋰、四元以上電池以及負(fù)極材料的突破,為新能源汽車的不斷創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展提供了積極助力。
關(guān)鍵詞:新能源汽車 動(dòng)力電池 新型材料 可持續(xù)發(fā)展
1 引言
在全球不斷增長(zhǎng)的能源需求和加劇的環(huán)境污染問(wèn)題下,新能源汽車成為國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的焦點(diǎn)。新能源汽車以其環(huán)保、高效、可持續(xù)的特性,成為解決方案的重要組成部分。然而,新能源汽車的興起不僅依賴于非傳統(tǒng)能源的利用,更關(guān)鍵的是創(chuàng)新的動(dòng)力裝置技術(shù)。
電池技術(shù)作為新能源汽車的核心,關(guān)鍵性能如能量密度、充電速度、壽命和穩(wěn)定性、成本、安全性、資源供應(yīng)以及環(huán)境影響等方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。其中,電池能量密度直接關(guān)系到新能源汽車的續(xù)航里程,因此提高電池的能量密度成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。同樣,快速充電技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。
電池的壽命和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整車的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,解決電池組件在不同環(huán)境下的性能穩(wěn)定性成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。而電池成本一直是新能源汽車普及的制約因素,需要提高電池的制造效率、降低原材料成本,尋找更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工藝。
電池安全問(wèn)題是關(guān)注的焦點(diǎn),包括防止過(guò)熱、過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題以及電池在交通事故中的安全性能。此外,電池生產(chǎn)所需的稀有金屬和材料的供應(yīng)問(wèn)題,特別是鈷、鋰等元素的資源稀缺性,對(duì)電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。
電池的生產(chǎn)、使用和廢棄對(duì)環(huán)境都有一定的影響,因此實(shí)現(xiàn)電池生產(chǎn)和回收的環(huán)?;?,減少對(duì)環(huán)境的不良影響是未來(lái)努力的方向。
本文著眼于新能源汽車電池的現(xiàn)狀,對(duì)電池的正負(fù)極材料進(jìn)行深入探討,并研究了其發(fā)展?jié)摿臀磥?lái)趨勢(shì),為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的方案,為新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。
2 動(dòng)力電池系統(tǒng)
新能源汽車動(dòng)力電池的核心材料主要包括正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)等。本文主要研究在正、負(fù)極材料。
2.1 正極材料迭代創(chuàng)新
正極是電池的關(guān)鍵部分,其性能直接影響到電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等參數(shù)。根據(jù)正極材料中金屬元素的種類數(shù)量,可以將正極分為一元、二元、三元、四元以上(含四元)等多種類型。
2.1.1 一元電池
一元電池是指具備單一電化學(xué)反應(yīng)的電池系統(tǒng)。其工作特點(diǎn)在于在整個(gè)工作過(guò)程中只涉及一種電化學(xué)反應(yīng)來(lái)釋放能量以供應(yīng)電流。在放電時(shí),電子從負(fù)極(陽(yáng)極)向正極(陰極)移動(dòng),產(chǎn)生電能;而在充電時(shí),電子沿反向路徑移動(dòng),將電能存儲(chǔ)回電池。
鉛酸電池和鎳氫電池是一元電池的常見類型。鉛酸電池的正極主要由二氧化鉛(PbO2)構(gòu)成,而鎳氫電池的活性物質(zhì)包括NIOOH、Ni(OH)2等,正極都只含有一種金屬元素或其氧化物。
盡管一元電池具有技術(shù)簡(jiǎn)單、安全性高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),但其能量密度相對(duì)較低。此外,一元電池還存在容量衰減、溫度依賴性強(qiáng)等問(wèn)題,因此需要進(jìn)行改進(jìn)以提高性能。
2.1.2 二元電池
二元電池是指具備兩種電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生和儲(chǔ)存能量的電池系統(tǒng)。鋰離子電池是典型的二元電池,其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)涉及到鋰離子在負(fù)極(陽(yáng)極)和正極(陰極)之間的移動(dòng)。在充電時(shí),鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極,儲(chǔ)存能量;而在放電時(shí),鋰離子從負(fù)極移回正極,釋放能量以供應(yīng)電力。鋰離子電池包括氧化錳鋰(LiMO2)、氧化鈷鋰(LiCoO2)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)、氧化鎳鋰(LiNiO2)等,還有硫化物鋰硫電池(Li-S)。其中磷酸鐵鋰電池在新能源汽車領(lǐng)域展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。其耐高溫性和安全性出色,不燃燒且循環(huán)壽命較長(zhǎng),適用于對(duì)電源穩(wěn)定性和人員安全要求較高的場(chǎng)景。然而,磷酸鐵鋰電池的能量密度相對(duì)較低,可能在輕量化和高能量密度要求較高的應(yīng)用中顯現(xiàn)劣勢(shì)。此外,其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,制造和維護(hù)難度較大[4-5]。
二元電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、便攜設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域,具有良好的能量密度和相對(duì)較長(zhǎng)的使用壽命。然而,這類電池仍面臨一些挑戰(zhàn),包括成本、安全性和循環(huán)壽命等問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步,這些挑戰(zhàn)有望在未來(lái)得到解決,使得二元電池的技術(shù)更加成熟和可靠。
未來(lái)的研究和發(fā)展可能集中在提高二元電池的能量密度、降低生產(chǎn)成本、提高安全性、延長(zhǎng)循環(huán)壽命等方面。這將有助于推動(dòng)電動(dòng)交通、便攜設(shè)備和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,為可持續(xù)能源應(yīng)用提供更加可靠的能源存儲(chǔ)解決方案。
2.1.3 三元電池
三元電池通常指的是具有三種活性材料的電池,其中較為典型的是鎳錳鈷(NMC)電池。在NMC電池中,鎳(Ni)、錳(Mn)和鈷(Co)按特定比例混合,例如Li(Ni1/3Mn1/3CO1/3)O2、(Ni2/5Mn2/5CO1/5)O2、(Ni1/2Mn3/10CO1/5)O2等,被用于電池的正極。其中三元鋰電池作為新能源汽車的主流電池之一,具有較高的能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低自放電率等優(yōu)勢(shì),使其成為電動(dòng)汽車領(lǐng)域的首選。然而,三元鋰電池在高溫下可能出現(xiàn)安全隱患,且相對(duì)較高的成本也是其劣勢(shì)之一。盡管不斷的研發(fā)努力正在改善其高溫性能和成本問(wèn)題,但在實(shí)際應(yīng)用中仍需綜合考慮這些因素[5-7]。
NMC電池的優(yōu)勢(shì)在于其在鎳、錳和鈷的比例靈活可調(diào),可以根據(jù)需要優(yōu)化電池性能,包括提高容量和充放電速度,并同時(shí)保持較高的穩(wěn)定性。NMC電池不僅在提供卓越性能方面有所幫助,同時(shí)也有助于降低電池的成本。然而,安全性、溫度管理以及資源短缺等問(wèn)題仍需不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。
三元電池代表了電池技術(shù)的一步進(jìn)步,其高能量密度和靈活性使其成為電動(dòng)汽車、便攜設(shè)備等領(lǐng)域的重要選擇。隨著科技的不斷發(fā)展,對(duì)三元電池的研究將有望進(jìn)一步解決其存在的挑戰(zhàn),推動(dòng)電池技術(shù)的不斷演進(jìn)。
2.1.4 四元以上電池探究
元素周期表中相鄰元素具有相近的半徑和價(jià)態(tài)特性,因此通過(guò)更換正極或負(fù)極材料,可以發(fā)掘新的電池結(jié)構(gòu)和正極材料。例如鈉、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、錳、鈦、釩、鉻等元素具有巨大的潛力,比如一種名為“Fe-Ni-Co-Mo”的多元金屬氧正級(jí)材料,具有較高的容量和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),可以有效地抑制副反應(yīng)的發(fā)生,從而提高電池的安全性和穩(wěn)定性。不斷優(yōu)化新元素的重組和配比,迭代開發(fā)新的電池類型,為電池行業(yè)帶來(lái)更大的可能性。
盡管這些新型正級(jí)材料在實(shí)驗(yàn)研究階段顯示出潛力,但尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用,需不斷優(yōu)化新元素的重組和配比,迭代開發(fā)新的電池類型,將為電池行業(yè)帶來(lái)更大的可能性,代表了電池技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、更安全可靠的能源存?chǔ)解決方案的追求。實(shí)際應(yīng)用中,這些元素可能會(huì)用于正極或負(fù)極的材料,具體取決于其化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)景。
2.1.4.1 鈉(Na)
鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似,將工作中的鉀離子替換為鈉離子。由于鈉元素儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉,具有較高的能量密度,有望成為替代鋰的理想元素,因此可能降低電池制造成本,提高電池性能,為電動(dòng)汽車提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的能源解決方案。
2.1.4.2 鎂(Mg)
鎂被研究用于電池,可作為正極或負(fù)極材料,應(yīng)用于鎂離子電池。鎂離子電池的研究目標(biāo)是提高電池的能量密度,并尋找可再生且成本較低的材料。
2.1.4.3 鋁(Al)
鋁被視為一種有潛力的正極材料,特別是在鋁離子電池中。鋁離子電池具有較高的能量密度和相對(duì)較低的制造成本,有望成為新型能源存儲(chǔ)解決方案。
2.1.4.4 鋅(Zn)
鋅通常用于鋅空氣電池等,作為負(fù)極材料。鋅空氣電池以鋅作為負(fù)極具有一定優(yōu)勢(shì),是一種有望應(yīng)用于能源存儲(chǔ)的技術(shù)。鋅液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用可能為能源存儲(chǔ)提供一種可行的技術(shù)。
2.1.4.5 鈣(Ca)
鈣目前在一些電池中被考慮作為正極材料,盡管應(yīng)用較為有限。鈣離子電池的研究處于研究階段,未來(lái)可能解決某些問(wèn)題后應(yīng)用范圍擴(kuò)大。
2.1.4.6 鐵(Fe)
鐵儲(chǔ)量豐富,無(wú)毒性,氧化物價(jià)廉,在市場(chǎng)上用磷酸鐵鋰(LifePO4)用做正極材料,市場(chǎng)占有率較高,提供一種相對(duì)成熟的正極材料,已經(jīng)在市場(chǎng)上取得成功。
2.1.4.7 釩(V)
釩比鉻和錳價(jià)格低廉,是多價(jià)金屬元素,可生成多種氧化物,是鋰離子正極材料的發(fā)展前景之一。釩液流電池有望提高電池性能,延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。
2.1.4.8 鉻(Cr)
鉻的氧化物(Cr2O5、Cr3O8、Cr6O15等)具有高價(jià)態(tài),可以考慮將其做成正極。鐵鉻液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用可能為電動(dòng)汽車提供一種可行的能源存儲(chǔ)解決方案。
現(xiàn)在三元系電池在新能源汽車市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位,而磷酸鐵鋁電池則在其后迅速發(fā)展。同時(shí),其他正極材料正經(jīng)歷著加速的研究和商業(yè)化應(yīng)用推廣。然而,新能源汽車電池在技術(shù)發(fā)展的同時(shí),依然面臨一系列挑戰(zhàn),包括提高能量密度、延長(zhǎng)循環(huán)壽命以及確保可持續(xù)資源供應(yīng)等問(wèn)題。
為解決這些挑戰(zhàn),正積極投入深入研究,致力于推動(dòng)電池技術(shù)的進(jìn)步。在提高電池能量密度方面,著重追求高比能,通過(guò)正極材料的不斷創(chuàng)新,從高電壓鎳基材料到高鎳、超高鎳和富鋰錳基材料的逐步演進(jìn),為電池提供更高容量和更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
另一方面,降低電池成本仍然是電池技術(shù)研究的重要方向。在這個(gè)領(lǐng)域,磷酸鐵鋰正極材料成為研究的焦點(diǎn),作為磷酸鐵鋰材料的迭代升級(jí)產(chǎn)品,旨在提供更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面,各種新穎的電池設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn),包括刀片電池、大圓柱電池以及電池到系統(tǒng)(CTP)、電池到底盤(CTC)、電池到車身(CTB)等結(jié)構(gòu)的嘗試,旨在提高電池及其系統(tǒng)的能量密度和安全性。
新材料的引入和應(yīng)用也為電池技術(shù)的不斷發(fā)展提供了新的動(dòng)力。富鋰錳基正極材料和磷酸錳鐵鋰材料等新材料的使用,進(jìn)一步增強(qiáng)了磷酸鐵鋰類電池的能量密度。
2.2 負(fù)極材料替換升級(jí)
負(fù)極材料在新能源電池中扮演關(guān)鍵角色,直接影響能量密度、循環(huán)壽命和整體穩(wěn)定性。以下是對(duì)負(fù)極材料研究的主要方向:
2.2.1 石墨材料
石墨作為傳統(tǒng)負(fù)極材料,因其優(yōu)越導(dǎo)電性和可逆容量而備受推崇。近年來(lái),通過(guò)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和表面進(jìn)行改良,旨在提高性能。引入氮摻雜石墨烯等新型材料,具有高比表面積和卓越電子導(dǎo)電性,以提高電池能量密度和充放電效率。
2.2.2 硅基材料
硅基材料因其高比容量備受關(guān)注,但體積膨脹一直是商業(yè)應(yīng)用的制約因素。研究方向包括通過(guò)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合材料應(yīng)用解決硅材料的膨脹問(wèn)題,以提高循環(huán)壽命。
2.2.3 錫基合金材料
錫基合金由于高理論容量和低成本備受期待,但溶解問(wèn)題限制了實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前研究集中在尋找涂層和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),改善錫基合金的循環(huán)穩(wěn)定性。
2.2.4 鈦酸鋰的安全性
鈦酸鋰因其卓越安全性備受矚目。未來(lái)研究可能包括通過(guò)合成方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,提高電化學(xué)性能,以更廣泛應(yīng)用于電池系統(tǒng)。
2.2.5 其他新型負(fù)極材料
碳纖維、鎂基合金等新材料的涌現(xiàn)豐富了負(fù)極材料的選擇。它們不僅提高比容量,還為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景和性能需求提供更多可能性。
負(fù)極材料的研究致力于平衡能量密度、循環(huán)壽命和安全性,通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和材料選擇推動(dòng)新能源電池技術(shù)不斷進(jìn)步,為電動(dòng)汽車提供更先進(jìn)的動(dòng)力電池技術(shù)支持,從而推動(dòng)清潔、可持續(xù)的能源選擇。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文系統(tǒng)梳理了新能源汽車的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及主要障礙,旨在揭示新能源電池的發(fā)展?jié)摿臀磥?lái)趨勢(shì)。電池技術(shù)的創(chuàng)新是推動(dòng)新能源汽車發(fā)展的核心,主要集中在提高電池能量密度和性能穩(wěn)定性的方向。正極材料方面,高電壓鎳基材料逐步演進(jìn)至超高鎳和富鋰錳基材料,提供了更高容量和更穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的可能性。同時(shí),新型正極材料的探索致力于降低電池成本。鈉離子電池作為鋰離子電池的替代方案,具備資源豐富、成本低和安全性高的優(yōu)勢(shì),雖仍需克服挑戰(zhàn),但有望在更廣泛范圍內(nèi)應(yīng)用。負(fù)極材料方面,從傳統(tǒng)石墨到硅基負(fù)極和鋰金屬負(fù)極的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變旨在提高電池能量密度和解決循環(huán)過(guò)程中的挑戰(zhàn)。新材料的引入,如氮摻雜石墨烯、錫基合金等,為負(fù)極材料性能提升提供了新可能性。通過(guò)這些創(chuàng)新將為電動(dòng)汽車提供更先進(jìn)的動(dòng)力電池技術(shù)支持,助力未來(lái)出行實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)、清潔的能源選擇。
注:本文由廣西科技基地和人才專項(xiàng)基金支持(編號(hào):AD22080047)。
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