汽车电动化的重要发展方向——锂电池技术

付文婧 汪熙媛 柯伟 丁超凡

深圳市南山外国语学校（集团）高级中学 广东省深圳市 518000

1 研究背景

碳中和已经逐渐成为了我国经济发展的长期目标，因此我们认为碳中和有成为了中国新能源汽车转型的重要力量的潜质。[1]基于碳中和在中国的经济的发展低位，我们预计促进新能源持续发展和降低环境污染将成为大部分车企的发展目标，具体可以通过提高研发水平和能源品质实现。目前，我们注意到主机厂对于电池和储能技术的研发投入逐渐提升，这些投入目前也转化成了具体的技术成效，为电动汽车的电池技术的发展奠定了稳固的基础，也间接促进的新能源汽车的普及。

2 主流电池的特点

我们注意到锂镍氢电池主要应用在移动通讯和便携式家电等领域，但基于环保问题和能耗的巨大压力，以及镍氢电池材料能效比的优势，我们预计镍氢电池未来会成为新能源汽车的重要动力源[2]基于锂属于金属元素，其性质也相对特殊，特别是其电负性特别明显。而锂原子存在的这一性质，导致了锂电池的单体电流将大大超过镍氢电池。当然，镍氢动力电池也具备了输入输出电量密集程度高、无记忆效应、电容器的充过放电性更高效、自放电成本小、可循环化的特点，根据镍氢动力电池的上述特点，在纯电动汽车中，镍氢动力电池有着十分明显的使用效益。不仅如此，我们还发现镍氢电池中并不存在汞、镉等重金属单质，因此环保污染源也相对较小，但是，我们需要避免电池中正负极材料和一些强酸性电解质溶液的泄露，这些物质将会对环境产生较大的污染。[3]

3 研究现状

3.1 国内锂电池技术现状

在我们回顾了中国锂电池行业的发展历史后，我们注意到中国锂电池行业虽然已建立了完善的产业链，但是，就目前中国动力电池行业的发展趋势来说，对比发达国家，我们还有很多问题亟待解决，例如行业资源不集中。虽然我们国家在锂电池行业取得了一定的成功，但我们在研发投入力度上我们还是与发达国家有一定差距。在观察了中国在该行业的龙头企业比亚迪后，我们发现即便比亚迪扩大了对锂电池行业的投资，但和全球一流厂商三星等公司存在显著差距。同时我们还注意到其另外一个严重问题，就是产品效益相对低，虽然比亚迪的产品价格较低，不过，随着世界锂电池技术的发展，这些问题也会得到解决。最后，我们认为比亚迪公司增大的投资量，不仅能提高电池技术的水平，也能大幅提高公司的降本能力。

图1 车用锂电池

另外，我们注意到中国还有一个严重的问题，就是高端技术的缺乏，这使得国内行业水平滞后于发达国家。二零一九年，中国新能源汽车销量已达到了三十三万台，占据了世界五分之一的市场，提升了四倍。但与世界先进的新能源汽车相比，我国的新能源汽车在技术领域还存在一定的不足。例如，特斯拉的新型号电池可使汽车续航里程达到480 千米，最大速度为二百五十千米/小时，电池贮备容量为八十五千瓦时，目前国内汽车达到这一程度还需要很大的努力。

锂离子电池的基础结构分为电源材质、负极材质、电解液和薄膜。科学家指出，锂离子脱嵌能力决定了决定动力电池的性能。目前，我国在新能源汽车和动力电池的研发与使用上加强了技术支持，根据重点市场发展与技术导向，在电动汽车技术的研究与实践上制定了一系列方案，其研究已步入关键时期。

3.2 国外锂电池技术现状

展望全球市场，我们发现全球各国都将新能源汽车视为其重要工业目标。在我们分析全球市场之后，日本公司的研发单位拥有发明专利的规模居于全球首位，产业化发展已遥遥领先于其他发达国家。日本全固态动力电池的研究与发展已经由原来的新型电解质结构研究转为在动力电池测试、生产工艺开发、充放电循环寿命等方面。研发的重点也已进入了尝试把水平方位材和太阳极材融合一起，并设计了不同的生产工艺，以适用于不同的生产状况。同时，我们发现美国通过各种手段支持该行业的发展，这些支持使得美国在固体电池领域取得了阶段性的成功，大批初创公司如雨后春笋般在市场中出现，使美国在该领域成为了一线车企和风投公司的关注焦点。基于资金支持和美国本身的科研优势，这些初创公司也产出了大量成功，使美国成为固态电池领域中的佼佼者。

4 我国在锂电池技术领域中存在的问题及原因分析

4.1 结构性整合创新存在问题

经过我们对新能源行业的了解，我们认为新能源的产业链结构相对复杂，同时，新能源行业的中游需要各种零部件的辅助支持，以及各种各样不同的材料工艺，然后才能够进行新产品的开发。随着清洁燃料车和传统汽车行业出现本质的变化，并且原有的生产方式不能满足于新能源的生产，因此制约着整个行业的创新发展。

4.2 核心技术严重缺失

我们发现该行业另一个严重问题就是核心技术严重缺失，受传统工业冲击，当下大部分企业的工艺层面也仍不很完善，平日中很难发现，但一旦和优势突出的企业比较便会比较明显。同时，国内公司在人才引进的制度上存在缺陷，国内企业对自己的科技链条与创新技术也存在着严重落后，不仅如此，国内企业的人才培养制度也并没有优势，这些不利因素限制着国内企业的成长。

5 车用动力锂电池技术发展分析

在阅读完诸多文献后，我们总结出锂离子脱嵌式电池需要满足这些条件才可正常运作：高电位、高电化学性质比容量、高能量稳定性、强电子导电性、超高的电离固相扩散速率、在电解质中溶解稳定等等条件。目前，清洁燃料及工业的高速发展中，行业中已经认可了镍钴锰锂、磷酸铁锂等材料，现代新能源汽车对功率和电子比能量的要求这些材料也已经达到标准，并能够发展成为理想的高水平方位活性材料。据相关资料表明，在2017 年，磷酸铁锂材料的总产出量已经达到了70000t，尽管比2016 年磷酸铁锂的产量有所下降，但基于新能源汽车的快速发展，我们认为该材料未来有巨大的市场前景。基于新能源汽车对电池的需求更加多元，我们总结电池的未来发展发向可以有以下几点：纳米制备技术、掺杂技术等的应用，以及客服磷酸铁锂在高温状态下电容量减少的特性[4]。其次，我们注意到从近期开始，全球的复合材料厂商都在不断拓展三元材料的研发范围，其中，在这些复合材料之中，配比往往是高镍低钴，例如特斯拉的燃料电池中钴的使用率甚至不到百分之三。负极材料根据品种的不同，大多以碳类和金属材料居多，在碳类材料中，我们发现相碳微球、人造石墨、天然石墨较为普及，其中天然石墨由于其出色的性价比，是这些材料中使用的最为广泛的，但是，天然石墨在比容量的数据上并不能满足较高标准行业要求，所以行业中也不断的对该材料进行改造[5]。但由于石墨负极本身性质较为稳定，容量比就很难再有突破，因此许多企业都逐渐转入了新型复合材料的研发中，铁金属氧化物和锂金属合金材料也就为了克服这些困难应运而生。

图2 新能源汽车生产线

5.1 锂电池技术中短期发展展望

我们认为在当前的汽车使用镍氢电池工业的发展进程中电池材料的研发已经较为成熟，例如，使用磷酸铁锂作电源材质、多层石墨用作负极材质等，而薄膜材质则使用了PP 和PE，并部分使用涂层膜等，虽然已进行了商品化，但在未来发展仍具有着很大的潜力，但如果在此阶段中所使用的都是硅碳做负极材质的，则仍处在研究阶段，尚未获得突出的开发结果。就当前的市场发展情况来说，新能源汽车未来仍有巨大的发展潜力，因此我们总结随着三元电池的技术不断成熟，将能满足消费者对续航能力需求的提高，在辅以国家政策的大力支持，三元电池将会出现新一轮的增长。

图3 新能源汽车

5.2 锂电池技术长期发展展望

现阶段，尽管中国汽车用镍氢电池工业的进展很快，但我们认为未来发展方向主要仍然会朝着固体材料发展，在该领域，美国和加拿大具有相当的优势，因此我国在发展该行业时无可避免会遇到一些困难。同时在实际应用中，磷酸铁锂电池因为耐低温的性能不好，材料存在一致性上的不足等缺点，导致由此材料制作的电池会有比能低的缺点，导致该材料做成的电池难以满足未来新能源车高速发展的需要。

锂空气电池的比能有做到3500Wh/千克以上的潜力，其最重要的原因是锂空气电池在实际应用中，正极利用压缩空气中的氧气用作活性物料，达到扩大容积的目的。和其余种类的动力电池比较，锂空气电池的比电量高、价格便宜、且具备环保安全特点。在全球范围内，空气电极、电解液、反应催化剂的研究都在高速的开展。不过，此类动力电池的热放电特性不良、能源利用率不足仍是短期内无法克服的问题。

6 结语

最后，我们认为导致我国新能源汽车产业创新落后的原因有技术创新差、创新意识低、创新质量差、创新效率低。为了提高公司的创新水平，有必要对内部管理加以革新。这样，公司才能建立完善的考核制度，鼓励创新。而公司通过制定的技术创新奖，加强激励措施，鼓励企业技术创新，从而形成了创新合力，公司的项目团队也才能取得更大的创新效果。而此外，仅仅凭借个别公司的技术力量也是难以实现的，要想加快中国锂电池的发展，我们必须整合国内一切可以运用的力量，在整个行业中形成合力。