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新能源汽车锂离子动力电池技术发展现状及前景分析

胡佖

江西江铃集团新能源汽车有限公司,江西南昌,330013

摘要: 在我国进入21世纪快速发展的新时期,新能源汽车是汽车发展的重要方向之一,动力电池作为新能源汽车的核心部件,其技术发展水平对于新能源汽车的发展和规模化应用具有重要意义.文中综述了新能源汽车中的锂离子动力电池技术的发展现状,开展了锂离子动力电池的正极材料、负极材料、电解质材料及隔膜材料的发展现状探讨与前景分析.分析表明,为了实现更高的能量密度以及提高安全性,正负极材料的发展重点是基于现有材料的纳米化、结构化;以及寻找能量密度更高的正极材料作为替代。液态电解质的安全性是锂离子电池的研究重点以及未来发展需要重点解决的问题之一,通过对电解质界面研究的深入,可以有效提高电池的安全性和性能。此外固态电解质的发展可以提高电池的安全性,但是目前固态电解质的研究还处于实验阶段.隔膜材料从单一的聚合物发展到到纳米涂层复合结构,重点在于进一步提升离子通过能力,化学稳定性和机械性能。
关键词: 锂离子电池;正极材料;负极材料;电解质;隔膜材料
DOI:10.12721/ccn.2025.157038
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引言

国家发改委对新能源汽车做出的定义为:“新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源(或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置),综合车辆的动力控制和驱动;h-面的先进技术,形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。”由此可知,“新能源汽车”使用的能源包括太阳能、核能、风能、电能等,即除去常规燃油之外的全部新型汽车能源。在全部新型汽车能源中,电能是目前最为合适的汽车能源,以电力作为动力驱动的汽车成为了新能源汽车研发的主流方向。其中,电力新能源汽车的充电问题成为全球关注的研究重点课题,即动力电池技术。

1锂离子动力电池技术升级路线

正是因为电芯能量密度不断地提升要求,我国的新能源汽车动力电池经历从磷酸铁锂占主体地位,到磷酸铁锂与三元锂电池并驾齐驱,最终发展成为三元锂电池占据主要市场的过程。2016年,国家新能源汽车补贴政策提升动力电池能量密度的标准,我国新能源锂电池也由磷酸铁锂占主要地位转向能量密度更高的三元锂电池,这样与国外的电芯锂离子电池的发展路径进行了完全对接。虽然锂离子动力电池的技术发展路径已经明确,但从能量密度提升的技术发展路径上,锂离子电池具有“极限”性。研究表明,三元锂离子电池理论上的能量密度极限是498Wh/kg。实际中如果考虑电解液及额外的结构材料占据的重量比例(取修正系数0.95)以及正极材料中的活性材料不能全部参与反应(取修正系数0.8)等因素进行推算修正,实际锂离子的能量密度极限大致为498*0.95*0.8=378Wh/kg。目前的高镍材料、碳硅负极的锂电池,单体能量密度最高应该在300Wh/kg左右。因此,锂离子动力电池能量密度的提升有一个“极限”,当前满足300Wh/kg的阶段目标还是有可能实现的,但电池系统达到260Wh/kg的能量密度要求还需要进一步努力,未来想要达到350Wh/kg的技术路线规划目标,需要开发新一代锂离子电池或者固态电池,并对电池进行轻量化处理。

2新能源汽车锂离子动力电池技术发展

2.1保持产出优势,培育一批具有自主创新和持续发展的动力电池龙头企业

中国是世界锂离子电池产出大国,市场份额位居全球第二。然而,近十年来,我国锂电行业迅速发展引起的生产规模快速扩张直接导致了我国电池行业产能过剩和产品同质化。反观韩国企业,具有保护锂离子动力电池专利技术的管理体系,使得韩国的锂电行业集中度高,培养了如三星SDI、LG化学和SK等具有全球竞争力的电池企业。同时,这些企业之间良性的市场竞争推动了韩国锂电产业的迅速发展。因此,将动力电池产业集中到龙头企业已成必然趋势。未来,我国应该实行锂电行业优胜劣汰制,淘汰一批低端企业,通过培育具有自主创新和持续发展能力的电池企业“领头羊”、统一电池标准,推动锂电池行业标准形成,从而促进我国锂电行业更高水平的发展。

2.2电池均衡

我国针对新能源汽车电池均衡展开的研究很多,总结起来大体分为两个方向:第一,将动力电池内部的化学反应作为基础实现电池均衡;第二,将动力电池外部的电路连接作为依据实现动力电池的均衡。由于动力电池内部的化学反应机制十分复杂,且可控性比较差,而外部电路相对简便且可控性高,所以现阶段对于第二种均衡的研究相对较多。以外部电路连接作为基础的均衡又可以细分为被动均衡和主动均衡两种。被动均衡,即能量耗散型的均衡,主要通过电阻去直接消耗动力电池系统中存在的不均衡性电量,使得电动汽车电池系统得到均衡运行。这一方法在动力电池组充电的工况下比较适用,当系统发现单体电池已经满足均衡条件的情况下,汽车内部的闭合开关就会自动切断某一个开关,进而实现充电均衡。因为电阻在分流的过程中会释放热量,所以应用该均衡方案的时候需要进行散热,这就导致能量损耗相对较大。但是运行成本比较低,所以目前受到广泛青睐,已经成为新能源汽车市场上的主流均衡电路拓扑。主动均衡,即能量转移型均衡,其将不具备能量消耗的元器件作为媒介,利用开关实现电量在各个电池中的动态转移。所以该均衡方法可以根据均衡器件去细化,如电容均衡、电感均衡、组合均衡等。第一,电容均衡在运行的过程中主要将均衡主体与均衡对象之间的电压差,当电压差相对较大的情况下,电量转移起来就比较容易,然而实际上均衡电池与被均衡电池二者的电压差值往往较低,所以如果不配合其他均衡方法难以实现电量转移。第二,电感均衡将电感上通过的电流作为基础,所以即使均衡主体与均衡对象二者之间的电压差值比较低,也是可以实现电量瞬时转移的,因此其与电容均衡相比,具备的电量转移能力更强,并且在实践应用中均衡电路的连接与控制都比较简单。第三,电压器均衡是将变压器作为物质基础,通过系列操作加大均衡主体与均衡对象之间的电压差值,进而确保电量的快速转移。但是变压器自身存在漏磁问题,且控制的难度系数比较大,所以该均衡方式现阶段并没有广泛应用。第四,组合均衡,其操作与控制相对简单,效率比较高,但是成本很大。

2.3电解质材料

锂离子动力电池的电解质分为液态电解质和固态电解质,其基本要求为高的离子电导率和良好的电化学稳定性,研究重点和热点也是解决这方面的问题.目前主要使用的电解质材料为有机液态电解质.液态电解质的优点在于离子电导率高、制备费用低,因此应用广泛.但是传统的有机液态电解质存在易燃、易挥发的缺点,存在安全隐患.固态电解质最重要的优点是安全性高,其拥有足够的机械强度、可防止锂枝晶的刺穿等。但是实际使用中,由于电解质与电极的界面问题,导致部分全固态锂离子电池容量远低于理论容量,并且功率密度较低及循环性能的不足.凝胶聚合物电解质是一种特殊的电解质,同时具有固态聚合物电解质的良好的力学加工性能和安全性能,又具有传统液态电解质较高的室温离子电导率.化学交联型凝胶聚合物电解质材料可有效改善液态电解质漏液问题,其安全性能大大提高.

结语

人们经常可以看到新型电池的报道,但实际投入市场的新型电池却寥寥无几。其实,这些电池都还处于研发状态,在量产的道路上还有很多问题亟待解决,像是电池性能不稳,安全性不高,工艺不成熟或是原料稀缺造成造价过高,配套设施建设有困难等等,但是,在技术工艺发展迅猛的当下,我们有理由相信,通过科研工作者的孜孜以求,新型的动力电池会很快推向新能源汽车的市场。

参考文献

[1]杨帆,孔方方.国内外新能源汽车动力电池发展及供求现状[J].上海汽车,2014(09).

[2]史利民.我国新能源汽车产业现状及发展趋势[J].电器工业,2011(07).