锂离子电池在电动汽车中的应用现状及发展综述

唐雁雁

（三一汽车起重机械有限公司，长沙 410600）

引言

近年来，随着全球环境污染问题的日益突出和传统燃料资源的枯竭，电动汽车正逐渐成为人们日常出行的一种新方式，其主要的动力来源是电池。而锂离子电池由于具有高功率密度、较高的能量密度、寿命长、循环性能好等特点，逐渐成为电动汽车主要的能量储存装置[1,2]。此外，交通行业一直以来都是碳排放主力，以中国、美国、欧盟等为代表的国家和地区出台了《2030碳达峰行动方案（中国）》、《清洁能源革命和环境正义计划（美国）》、《可持续与智能交通战略（欧盟）》等多项新能源政策指引交通行业的减碳行动，大力推动锂电池、电化学储能、电动汽车等新能源领域重要技术和基础装备的发展，逐步降低对石化能源的依赖，探索出一条可持续能源安全路径是全球诸多国家的重要战略方向。

本文主要通过对锂离子电池在电动汽车中的应用、优缺点及发展方向的分析，探讨锂离子电池在电动汽车领域中的现状及发展趋势。

1 锂离子电池的工作原理和特点

锂离子电池是一种利用锂离子在正负极之间的转移来实现电池充放电工作的二次电池。锂离子电池中正极材料通常是氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4或者是LiFePO4等，负极材料是碳或者硅合金材料，例如石墨或者SiOx等，电解质是有机物或者无机物，并且其中一种至少含有锂盐，例如LiPF6或者LiBF4等。在充电过程中，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中并释放出电子。放电过程则相反，锂离子从负极材料中脱嵌，在电解质中移动，嵌入到正极材料中，同时吸收电子。

1.1 锂离子电池的特点

锂离子电池的优缺点均非常明显，如高能量密度、长寿命、低自放电率、快速充电、轻便等，这些优点使它成为现电动车辆等领域的重要能源选择，并在应用中脱颖而出，成为行业主流。然而，锂离子电池也存在一些缺点，如成本高、安全隐患、环境敏感性等，这些问题需要通过技术改进和更加环保的处理手段来解决[3]。表1 列举了锂离子电池的几个主要特征。

表1 离子电池的主要优缺点

1.2 几种电池的比较

图2 全球锂离子电池需求量预测图

图3 锂离子电池充放电示意图

如前文所述，锂离子电池在目前的电动汽车等领域应用最广，主要原因之一是它能够提供更大的能量密度和较长的使用寿命，同时充电时间也相对较短，能够更快地满足用户需求[4]。表2 是几种常见电池的特点比较。

表2 几种常见电池的特点比较

从表2 可以得出以下主要结论：①锂离子电池的能量密度最高，自放电率最低，充电时间最短，寿命最长，但成本也相对较高；②镍氢电池重量轻，寿命长，对环境无污染，但性能方面比锂电池差；③镍镉电池的能量密度和成本适中，但自放电率较高，寿命较短；④铅酸电池的成本最低，但能量密度和寿命都比较低，自放电率非常高。

2 国内外锂离子电池制造企业的现状

国内层面：随着政府支持新能源汽车的政策力度持续加大，中国国内的锂电池企业发展势头迅猛。目前，国内的宁德时代、比亚迪、国轩高科、亿纬锂能等公司在锂电池队伍中占据着领导地位。国内锂电池产业规模逐年扩大，产值和出口量均居全球前列。

国外层面：锂离子电池的发展较早，主要厂家的技术相对成熟，生产的电池品质较为稳定。主要厂家有美国的特斯拉、日本的松下、索尼、松下、三洋，韩国的三星SDI、LG 化学、SK Innovation，德国的BMZ，法国的BLE 等等。其中，特斯拉的动力电池处于领先地位，其镍钴铝和镍钴锰系列电池以高的能量密度和动力性能闻名。

总体来讲，中国国内的锂电池行业已经形成了以宁德时代、比亚迪等为代表的龙头企业，它们在领先技术、生产规模、产品性能等方面均处于世界先进水平。虽然国外的锂电池行业技术普及率更高，但我国锂电池市场稳步发展已经快速成为了世界锂电池市场上不可忽视的存在。

3 锂离子电池在电动汽车中的应用现状

当前新能源汽车主要有纯电动汽车、混合动力汽车、氢燃料电池汽车等，其中前两种的发展最为迅速。而在电池技术路线的选择上，纯电动汽车和混合动力电池汽车各有不同。

3.1 纯电动汽车的动力电池路线

纯电动汽车用锂离子电池的主要路线有：磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、三元锂电池等。磷酸铁锂电池因其安全性高、长寿命、低成本等特点，成为当前众多车厂的主要选择；钴酸锂电池则具备高能量密度以及快速充电的优势，适用于高速纯电动车市场，但是钴酸锂电池材料中含有昂贵的金属元素钴，因此成本相对较高，并且在极端条件下可能存在安全隐患；三元锂电池相对于钴酸锂电池的安全性更高，低温时电池性能更加稳定，适合北方天气，但高温时的安全性仍然比磷酸铁锂电池差。表3 是磷酸铁锂电池、钴酸锂电池、三元锂电池的主要技术指标对比。

表3 三种纯电动汽车用锂离子电池主要技术指标比较

总体来说，磷酸铁锂电池的安全性和成本较为优秀，但能量密度较低；钴酸锂电池的能量密度较高，但安全性和成本较差；三元锂电池在能量密度和循环寿命方面表现较好，但成本较高。综合安全、成本、使用寿命等因素，当前纯电动汽车的动力电池类型主要为磷酸铁锂和三元锂电池两种，两者基本上占据了纯电动汽车市场动力电池的主要份额。

3.2 混合动力汽车的动力电池路线

混合动力汽车分为非插电式混合动力汽车（HEV）和插电式混合动力汽车（PHEV），为了便于分析，本文将增程式汽车（REEV）也一并归类为混合动力汽车。三种类型的动力电池路线分别为：HEV 采用的主要是镍氢电池或锰酸锂电池；PHEV 和REEV 采用的主要是磷酸铁锂电池和三元锂电池。

可以看出，PHEV 和REEV 的动力电池与纯电动汽车类似，而HEV 的动力电池采用的是镍氢电池。产生上述差异的主要原因是HEV 车型的特点决定，因为混合动力系统的工作方式，必须不停的对电池进行快速充放电，而镍氢电池具有良好的快速充放电性能，锂电池反而不具有这一特点，所以在这种工况下，应用镍氢电池比锂电池更有优势。此外，镍氢电池的成本也远低于锂电池，因此以丰田为代表的主机厂采用了镍氢电池作为HEV 车型的动力电池。

4 锂离子电池的测试与回收

安全和环保是新能源汽车永恒的主题，作为电动汽车的主要动力来源，锂离子电池的测试和回收技术也被广泛关注。

4.1 测试技术

为了判断锂离子电池的性能和健康状况，确保其能够正常、可靠地工作，并且安全地应用于电动汽车等应用领域中。电动汽车锂离子电池的测试内容通常涵盖容量、充电效率、温度、寿命、安全等方面[5,6]：

1）电池容量测试：电池容量是电池的重要参数之一，它表示电池能存储多少能量。通过对锂离子电池进行容量测试，可以测试电池的实际可用容量，并检测电池的健康状态。容量测试方法包括恒流放电、工况放电和深度充放电等方法。

2）能量效率测试：能量效率是指电池完全放电时所释放的能量与电池充满电所需的充电能量之比。通过测试锂离子电池的能量效率，可以评估电池充放电的能量损耗情况。

3）温度测试：电池的温度对电池的寿命和安全性有很大的影响。温度测试可以帮助了解锂离子电池在不同温度下的运行状态及其对电池性能的影响。

4）循环寿命测试：通过连续的充放电循环来测试电池的循环寿命。通常会在最常使用的环境下，对电池进行标准放电和标准充电。通过测试电池的实际循环次数及容量衰减情况来模拟电池的使用寿命。

5）安全性测试：锂离子电池在使用过程中可能会产生碰撞、挤压、过充、过放、短路现象，进而导致电池过热、冒烟甚至爆炸等安全问题。因此，安全性测试对于验证电池的可靠性和使用安全性非常重要，测试内容包括模拟碰撞、挤压、火烧、短路、过充、过放和高温等极端情况下电池的反应情况。

4.2 回收技术

锂离子电池废弃物中含有大量的有害物质，如重金属、有机物等，如果不加以处理，将对环境造成严重危害。目前，锂离子电池的回收技术主要包括物理回收和化学回收两种方式。物理回收主要是通过机械分离、磁选、浮选等方法将废旧电池中的有用物质分离出来，如钴、镍、锂等。化学回收则是通过化学反应将废旧电池中的有用物质提取出来，如钴、镍、锂等。目前，物理回收技术已经比较成熟，但存在回收率低、成本高等问题；化学回收技术则还处于研究阶段，需要进一步完善。

目前锂离子电池回收行业还处于起步阶段，回收率较低。主要原因是缺乏相关政策支持、技术水平不高、回收成本高等问题。此外，由于锂离子电池的种类繁多，回收难度较大，也是制约回收行业发展的一个重要因素。为了促进锂离子电池回收行业的发展，加强政策支持、提高回收技术水平、降低回收成本是已成为各国政府和锂离子电池后市场服务企业的当务之急，随着相关政策的出台和技术的不断进步，锂离子电池回收行业也将得到快速发展。

5 锂离子电池的技术发展趋势

锂离子电池行业仍处在快速发展阶段，行业内主要创新方向集中在提高能量密度、延长电池使用寿命、提高安全性能和改善成本效益等方面，主要涉及到材料体系、电池类型、电池结构等。

5.1 材料体系方面

锂离子电池的正极材料主要以钴、镍、锰和铁为主，负极材料则以石墨为主，但这些材料在循环寿命、耐高温等方面仍有待提高[7]。因此，需要进一步研究新型材料的开发及其应用。迄今为止在动力电池领域的创新多以结构创新为主，材料体系的创新进展较慢，近年来国内外企业开始加大在新材料应用方面的投入，主要趋势为从LFP/ 石墨、LFP/ 硅碳复合材料向锂硫体系、锂空体系发展，表4 简述了几种不同材料体系特点。

表4 不同材料体系的特点

图4 宁德时代电池形态研究发展历程图

图5 电动汽车锂离子电池结构发展趋势图

5.2 电池形态方面

在电池类型方面，以宁德时代为代表的电池企业开展了全固态锂离子电池的研究，这是一种新型的锂离子电池，相较于传统锂离子电池具有以下优势：①安全性更高：全固态锂离子电池采用固态电解质，相比传统电池中的液态电解质，不易泄漏，不易破裂，更加安全可靠；②能量密度更高：全固态锂离子电池采用高能量密度的电极材料，可实现更高的能量密度，使得电池性能更好；③温度适应性更好：全固态锂离子电池具有更好的温度适应性，在高温和低温环境下也能正常工作，相比传统锂离子电池更加稳定。同时，全固态锂离子电池也存在制造成本高和电化学性能不稳定等技术瓶颈有待进一步解决，这也是目前制约全固态锂离子电池规模化应用的原因之一。

5.3 电池结构方面

2019年起，中国企业发挥电芯制造优势，厚积薄发，在电芯结构上连续退出了电芯直接集成到模组的CTP，刀片电池，J2M 等技术，超越大众的VDA、MEB 电芯尺寸标准，引领了电池系统结构技术创新[8]。而电池成组的终极方案MIV 和CTV 技术也初步具备应用条件。

6 结语

电动汽车产业的发展需要依靠高能量密度、高安全性、易回收等特性的动力电池技术，与此同时需要不断加强针对电池的研究和技术创新，提高动力电池耐久性和使用寿命，从而更好的适应社会和市场需求。当前锂离子电池在纯电动、插电式混动、增程系统上表现出色且具备广泛适用性，相信通过在材料、结构等领域的持续创新，也将为锂离子电池产业的发展提供更加坚实的基础。