电动汽车电池的使用现状和发展趋势

2022-11-25李镢贵韩民义

农机使用与维修 2022年10期

李镢贵，韩民义

(济南工程职业技术学院，济南 250200)

0 引言

目前，环境污染和能源危机已成为世界范围的关注焦点和亟待解决的问题。随着新旧动能转换政策的出台，各行各业都在紧锣密鼓地研究开发新的清洁能源，电动汽车这一新型汽车应运而生。由于电动汽车绿色环保的独特优势迎合了时代的发展，得到了广泛的推广应用。众所周知，当前电池性能是制约电动汽车发展和普及推广的“瓶颈”，由于技术、材料、工艺等多方面客观因素的限制，电动汽车电池在应用过程中存在续航里程短、充电时间过长等不足，难以完全满足人们的使用需求，延缓了电动汽车发展和普及的步伐。因此，电动汽车生产企业应当重视电池应用的现存问题，切实提高电动汽车电池性能，为电动汽车的快速发展提供必要的技术保障。

1 电动汽车的发展过程

电动汽车最早诞生于19世纪初叶，由于当时技术不够成熟，没有引起人们的重视。美国通用汽车公司在1996年利用铅酸电池技术研发电动汽车，1999年着手电动汽车电池的生产，但也因很多技术问题，没有得到行业的认可[1]。21世纪初, 电动汽车得到进一步发展, 此时的汽车主要动力电池升级为镍氢电池，该电池显著提高了电动汽车的续航里程。同一时期，日本丰田公司也利用镍氢电池技术开发了新一代电动汽车,该电动汽车是把电动机与内燃机相结合, 称为混合动力汽车[2], HEV电动车能根据汽车运行的实际情况, 利用转换动力能源而达到减少燃油消耗的目的。2006年锂离子电池出现，使电动汽车电池技术得到了丰富和进一步提升；锂离子电池的最大优势是提高了电动汽车电池的安全性，成为了镍氢电池的有力竞争对手，镍氢电池失去了部分优势[1]。锂离子电池因其良好的安全性能，被广泛应用在纯电动或者混合动力车中。

2 电动汽车电池的使用现状

电池是电动汽车的关键部件，高性能电池是电动汽车稳定运行的前提和基础。电动汽车电池存在续航历程较短、单次充电所需时间较长、易发生自燃甚至爆炸的安全隐患等问题，难以满足长途出行的需要。

电动汽车是以电能作为动力源的机械，电能仅通过汽车的蓄电池供给，电池占整车成本的30%左右，电池和芯片是电动汽车两项最关键技术，而电池性能将直接影响车辆续航里程。面对2020年北方地区40年难遇的极寒天气考验，电动汽车续航里程的表现着实让车主们大跌眼镜，交出了一份不合格的“答卷”。

目前，电动汽车可用的电池中，应用最广泛的是化学电池。化学电池可分为蓄电池和燃料电池两类[3]。

在电动汽车技术发展的过程中，车企曾经尝试采用多种不同类型的蓄电池，但出于对成本，技术和可靠性的考虑，目前绝大多数蓄电池已经被市场淘汰，如铅酸蓄电池、锰酸锂电池等。目前，市场上主流的蓄电池主要以锂离子电池为主，少数车企采用镍氢电池，如丰田公司。

2.1 锂离子电池

锂离子电池的发展史并不算长，但40多年前诞生之初，就具有能量密度高、循环使用寿命长的优势，成为了目前电动汽车上最常用的电池。现在，电动汽车领域普遍配备的锂电池主要有磷酸铁锂电池、三元锂电池镍氢电池等，不同车用电池的特点也各不相同。

2.1.1 磷酸铁锂电池

目前，磷酸铁锂电池已在国内电动汽车中普遍使用，其优势是安全可靠、循环充电次数多，标准充电条件下循环寿命达到1 800次以上，并且使用成本低。良好的安全性可使其在390 ℃的高温下保持稳定；现已经过严格的安全测试，不易因过充、温度过高、短路或在恶劣的交通事故中产生爆炸或燃烧。

其中比较典型的就是比亚迪和戴姆勒集团共同生产的腾势500电动车，用等供电性能下，磷酸铁锂的数量相对于锂电池更少。例如腾势汽车采用了144节磷酸铁锂电池，比起锂电池来说，电池的数量上少了很多，对于BMS电池管理系统负担要小一些。

2.1.2 刀片电池

刀片电池又称为超级磷酸铁锂电池，由于它的排布方式就像刀片一样插入电池包内，所以称为刀片电池。该电池将动力电池的电芯加长，使单个电芯形状扁平、窄小，可通过多个“刀片”捆扎形成模组，通过技术改进，与磷酸铁锂电池相比，显著提高电池能量密度。但刀片电池的难点在于生产环节，要求在制造过程中保持极高的精度和速度，对极片的涂布和辊压工艺提出了很高要求。

刀片电池利用电芯直接组成电池包，减少了模组结构和单体连接线束，提升了封装效率，进一步实现集成化。此外，由于刀片电池形状的特殊性和材料的稳定性，密集排布的刀片电池可以充当简单的结构件，进一步提升空间利用率。通过该技术，刀片电池的空间利用率由原来传统电池的40%提升到60%，其续航达到600 km，而且同时具备高安全、长寿命的优势。

2.1.3 三元锂电池

与磷酸铁锂电池相比，很多电动汽车普遍使用了三元锂电池，主要是因为三元锂电池具有能量密度较高、体重轻、低温充电性能好和续航里程更长的优势；其能量密度为200 Wh·kg-1,即在相同条件下，三元锂电池的续航里程要比磷酸铁锂电池更长。同时三元锂电池还具有低温性能好、放电倍率高的特点。但三元锂电池的不足之处是稳定性较差。

2.1.4 镍氢电池

采用镍氢电池的车型往往为混合动力汽车，其中典型的代表为丰田凯美瑞混动。镍氢电池的一大优势是稳定性比三元锂电池更高，其能量密度大约为70～100 Wh·kg-1，电池单体电压通常为1.2 V，仅为锂电池的1/3左右。因此在系统电压一定的情况下，其电池组的体积要比锂电池大很多。而且镍氢电池在循环充放电过程中容量会出现衰减，所以镍氢电池在控制系统设定上应主动避免过度充放电。

2.2 燃料电池

燃料电池是未来理想的清洁能源之一。该类电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置。其原理是将燃料和空气分别送进燃料电池，通过化学反应，产生电能，驱动车辆。而且，燃料电池用燃料和氧气作为原料进行反应的过程，尾气排放中的有害气体极少。

但在实际应用中，燃料电池汽车很多技术亟待解决，目前，燃料电池汽车主要集中在商用车领域。该电池存在的缺点是燃料电池在与化学电池同样能量下，体积要大出几倍，即使像丰田公司，作为燃料电池技术走在行业尖端的车企，其量产出的乘用车Mirai的功率也仅为115 kW，国内的燃料电池堆如果做到115 kW，体积将会非常大，普通乘用车的空间难以容纳下。所以局限于我国目前的燃料电池技术，还是主要应用于商用车。

3 电动汽车电池的未来发展趋势

人类社会的发展离不开创新，汽车工业更是在不断创新和超越中快速发展的，新能源汽车就已成为汽车工业的发展新趋势。近几年，在国家政策的大力扶持和推动下，我国新能源汽车行业发展迅猛。新能源汽车保有量从2011年的不到1万辆增长到了2021年的603万辆。目前，大多数汽车企业也纷纷向新能源汽车转型，并尽力为消费者打造优于燃油车的新能源产品。作为新能源汽车最重要的零部件，动力电池的市场需求也在急速扩张。而目前，充电时间长、电池能量密度小、续航里程短、低温续航衰减快，仍然是用户使用电动车担心和焦虑的问题。

如何突破制约电动汽车电池发展的“瓶颈”，已成为业界不断开发和研究的重点。电池制造商也在着力让电池在不减少电能储备的情况下变得更轻小。

3.1 超级电容器

超级电容器是一种新型的存储装置, 也称为双电层电容器。该电容器可以实现电场能与电能的相互自由转换[3]。其基本原理是利用活性炭材料制作成的多孔电极，两个电极之间填充电解质溶液,当在电极两端施加电压, 可以使电解质溶液形成集电层, 相当于串联的两个电容器。另外, 活性炭表面积比较大, 电解质之间的距离小, 致使超级电容器产生很大的电容量。该装置具有功率密度高、循环寿命长、工作温限宽、免维护、绿色环保等优势，展示出良好的发展前景。

3.2 石墨烯电池

石墨烯电池被业界普遍认为最有可能取代三元锂电池的未来主力电池，是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间的活动特征，研发出的新一代电池。石墨烯这种材料的特点是导电性能好、重量轻、强度和韧性好，是非常好的特种新材料。在充电效率方面，石墨烯电池比传统电池提高了几十倍以上；使用寿命是锂电池的两倍，氢化电池的四倍；重量仅有传统电池的50%左右。华为在这个领域宣布过一项电池快充的技术，仅仅5 min就能将3 000 mAh的石墨烯电池充满。由于其使用成本过高，目前难以推广使用。

3.3 叠片工艺提升性能

汽车动力电池将朝着长电芯、大模组的方向发展，传统的卷绕方式电芯已经不能满足车规级动力电芯的形态要求，取而代之的是叠片工艺特征的电芯，由于叠片电芯尺寸灵活，不受卷绕卷针结构的限制，层叠使极片的界面平整度更高。叠片电池相比同类型卷绕工艺电池，能量密度能提升5%，循环寿命提升10%，成本降低15%，适合在动力电芯领域得到广泛应用。