新能源汽车动力电池的研究与分析

卢欣欣　曹莹　贾鹏飞　王金星

摘 要：随着近几年我国新能源汽车工业体系的不断创新发展，动力电池的产业化应用和前景也越来越丰富。虽然当前电池技术还不够成熟，但随着科研人员的不断努力，在动力电池领域已取得了很大的成就，推动了我国新能源汽车的飞速发展。但动力电池也存在较大的缺陷与隐患，因此本文针对电池的这些问题进行分析与研究，并提出合理的解决办法，为我国在新能源汽车领域实现弯道超车打下坚实的基础。

关键词：新能源汽车 动力电池 锂电池

1 引言

新能源汽车动力电池发展优势在于其能够很好的贯彻响应我国碳达峰与碳中和发展规划政策，大大降低了有害物质排放对环境造成的不利影响，促进我国社会清洁能源体系的全面健康协调发展。电池技术上的应用也确实可以大大减少环境能量资源损失，由于电动汽车动力电池可以被回收利用，提高资源回收率，减少各种汽车废弃物对周围土壤、水资源和对大气环境带来的污染。因此如何提出与解决现有动力电池出现的问题是当前电池发展的关键问题所在，本文具体的研究思路框架如图1所示。

2 新能源电池的分类

常见新能源汽车动力电池有如下两类：蓄电池和燃料电池。蓄电池又称二次电池，常见的有铅酸电池、镍基电池、二次金属氧化物锂电池类电池等。当前随着技术的额提升蓄电池的整体续航能力明显增强，其为新能源汽车的发展提供了有效技术保障。

氢燃料电池是最常见的燃料电池，是将氢燃料与氧气的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置，是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。随着对新能源汽车续航里程及环保的进一步要求，电池的技术结构水平得到了很大的提升，为我国碳达峰碳中和的实现提供技术支撑。

（1）铅酸电池

铅酸电池电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。由于铅酸蓄电池技术可以快速为新能源汽车各种电子元器件和车载电子设备提供能量，因此铅酸蓄电池在传统汽车电子辅助设备上应用也较为广泛。铅酸蓄电池的生产工艺相对简单，生产成本价格相对国内较国外低，在国内外电动汽车蓄电池领域市场占有率都较高。虽然铅酸蓄电池的电池生产成本也较蓄电池低，但因其连续工作放电性能相对而言也会较差，放电时能量利用效率较电池低。一旦连续使用时间过长或承受过多工作载荷，其性能效率将显著性下降，导致其耐久性较差。

如何快速的提高铅酸蓄电池材料产品的使用安全性能，已渐渐成为研发人员最重要的技术工作之一。在能够满足铅酸电池充放电及工作指标的技术前提下，可以迅有效地提高铅酸蓄电池的使用寿命。选择在化学活性原料配方中增加部分活性添加剂，提高了铅酸电池释放电池能量强度系数和电池剩余放电功率，显著改善了铅酸电池的综合循环使用的性能。

（2）镍氢电池

碱性电池镍的阳极放电主要原理是由碱性溶液阳极与金属镍基电极发生阳极电解反应，然后开始放电。镍氢电池内部含有着许多其他金属成分，比如镍酸和金属锰，这也比一般铅酸电池释放的比能量还更高。镍氢电池也具有一个较高范围的额定工作电压、比功率和比能量。其可以连续多次循环充放电过程，并具有相对较高范围的热性能。由于碱性MH-Ni镍电池镍在整个放电的过程中一般不会同时产生其他有毒及有害化学物质，对电池环境并没有明显不良的影响，因此它可以作为动力电池应用于各类新能源汽车。然而，尽管碱性镍锌酸电池镍不会产生有害腐蚀物质，但鉴于其阳极放电反应时间却相对的较短，因此还不能大面积用于各种电动汽车。研发人员认为可以考虑使用二次充电再生装置来为镍电池额外补充电池能量，或考虑在其电解液成分中重新添加金属缓蚀剂，也因此可以显著延长镍电池的再放电恢复时间和循环使用寿命。

（3）锂离子电池

锂离子电池的构成主要由石墨阳极、有机溶剂溶液和锂离子金属氧化物组成，其主要工作原理是锂离子在正极与负极之间来回移动完成工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。锂离子电池性能较前两者综合性能明显增强，因此被广泛应用于新能源电动汽车市场。

（4）燃料电池

燃料电池实际是一种能量转化装置，工作原理是将储存的燃料与氧化剂经过化学反应转化为电能提供能量，其实际工作过程即为氧化还原反应。燃料电池主要组成有四个部分，分别是阴极、阳极、电解质与外部电路。如氢燃料电池是氢气与氧气分别由燃料电池的阳极与阴极通入，氢气在阳极释放电子，电子由外电路运动到阴极并和氧气结合形成离子。离子在电场作用下，通过电解质运动到阳极，与氢气反应形成回路产生电流。燃料电池是当前研究的热点方向，未来应用前景广阔。

3 动力电池存在的问题

动力电池行业目前存在很多技术及安全问题，如电池容量不足、安全稳定性不够、技术人员素養不够、电池污染性强等，这些问题严重阻碍了新能源汽车的发展，其直接或间接影响驾驶者的行驶安全和驾驶感受，现对以上问题分析如下。

（1）电池容量不足

新能源汽车的续航时间短是当前影响其发展与销售的最重要的原因之一，多数车主因新能源汽车动力电池长途驾驶续航不够以及无法及时充电等因素取消购买新能源汽车，所以当前急需解决动力电池的续航问题。随着科技于经济的发展，多数车主喜欢进行旅行，因此对新能源汽车提出了很高的续航要求；如果电池容量不足，车辆在夜间行驶的过程中可能会容易发生故障，影响车主出行，甚至能对车主往后的实际工作环境和社会生活水平产生一定地影响。

（2）电池安全性得不到保证

当前新能源汽车电池技术研究中，最突出的问题是动力电池制造技术不够成熟，存在一定的安全隐患。电池不安全性因素主要来自于电池材料本身，在日常使用中是否及时进行散热。在新能源汽车正常行驶的过程中，电池会持续升温，好的散热材料可以大大延缓对电池本身的氧化加热固化过程，相应的散热装置设计也都可以用来帮助电池加速散热。动力电池的使用安全性已无法长期得到有效地保证，直接影响汽车的可靠性和保障驾驶员的生命与安全，这也是今后需要解决的一项重大问题，也是影响电池技术长远进步的一大关键因素。

（3）技术人员专业素养不够

企业当前从事的主要电池技术项目研发中，电池材料研究人员自身综合素质与当前动力电池行业的实际发展需求情况相比还存在明显的差异。技术人员中并不缺乏高学历人才，理论技术知识扎实，但其在高等教育阶段大多只能在教学实训或企业实践环节才能将部分理论知识进行运用，没有途径能够将理论知识较好的应用于实际。造成了理论与实际严重脱轨的现象，从而影响了电池技术的研究进展，阻碍了电池领域的生产进步。

（4）电池环保性不够

生态环境保护是现阶段环保最基本的法律概念，也是基本发展国策原则之一。国家高度重视资源环境保护和改善各方面的环境保护。然而，由于废旧电池自身的污染性，新能源汽车报废后仍会持续对周边环境水体造成放射性污染，而且很难被消除。

新能源汽车市场整体发展缓慢的原因之一是旧电池严重缺乏环保性，随着当前经济社会的快速发展，很多家庭拥有新能源汽车，如果动力电池本身的环保性不够，就会产生大量的环境污染，不仅直接影响到国家的生存环境，还会对全球环境质量产生不利影响。因此，电池的环保性不足也是当前新能源汽车电池技术待解决的一大问题。

4 提升动力电池综合性能的策略

（1）扩大电池容量

在新能源汽车电池技术改进技术的同时，电池容量的扩大同样是另外一个关键环节，电池容量的大小能直接的影响新能源汽车动力电池的安全行驶里程。其次，可以考虑选择表面厚度和回弹度较小一些表面材料，因为电池使用一段时间后会出现相应的厚度回弹，这些会影响到锂离子电池材料自身的有效使用和容量。因此，相关企业的锂离子电池技术应用研究的人员应当选择有相对厚度的或反弹较小的锂离子电池材料来进行有效地帮助锂离子电池更好的扩大电池容量。

在我们选择锂电材料类型的过程中，多选择含有大量高富锂元素材料和锂三元材料等组成的高强度可导电型锂离子材料，这些高性能锂材料可满足当前锂离子电池材料良好的高强导电性，能够保证未来扩大锂离子电池领域的电池容量。

（2）合理解决电池污染

第一，减少电池的废弃量。具体来说，从国家层面出台相关政策，保证充电电池的占有比例，减少一次性电池的生产使用，这样废电池量就会减少很多。同时呼吁社会不要生产低档、伪劣电池产品，这些产品不仅使用寿命短废电池产生量大，而且汞含量难以控制，不仅做不到无汞化，连低汞化都做不到。

第二，采用电池电能梯级利用的方式减少废电池的产生量。有一些用电量比较大的电器，里面的电池废弃后还有一些残存的电量，可以再把这些电池用到一些耗电量小的电器里，尽量将里面的电量用到极致。

第三，不要随意丢弃废电池，要将废电池送到指定回收点或指定垃圾箱。电池是属于比较严重的污染源，废旧电池指定点进行回收处理，既减少了对环境的污染，又可以对废旧电池中的部分健康电芯进行重复利用。

（3）提高电池检测分析技术和技术团队素养

电池本身在正常使用过程中都可能会或多或少出现上述各种电池问题，因此都需要经过专门资质的动力电池测试维修人员系统进行检查和定期充电测试。如果这些测试维护人员具备的测试专业水平远远不够，那么用户在整个测试使用过程中会费掉大量宝贵时间，或者完全无法准确发现电池具体失效原因。为了更好地提高新能源汽车锂离子电池关键技术，锂离子电池技术测试部门人员同时还应持续改进锂离子电池的检测维护技术。

企业电池团队综合水平直接影响该企业电池技术人才全面发展的进程和技术水平的提高，进而可能关系整个锂电行业新能源汽车技术的全面发展。企业应当每年定期集中组织锂电相关领域技术人员集体外出学习与调研，必要时可以出国进一步交流学习和深入学习，掌握先进实用的太阳能电池和相关产品技术。

总之，企业管理部门应该真正认识到改进汽车电池安全检测评价技术，提高电池技术团队整体专业能力素养，是进一步提高整车电池技术水平，促进未来新能源汽车持续发展升级的一大关键。

（4）提高电池技术的安全性

新能源汽车电池技术普遍存在安全问题，这也是最重要、最迫切解决研究的重大问题，因为它不仅将影响着汽车电池组的实际使用寿命，而且会对人们健康生命安全构成极大威胁。目前大部分新能源汽车在动力电池使用中，最常见的主要安全质量问题是汽车电池发热导致燃烧引起产生的电弧起火，为此提出如下解决措施。第一，技术人员应通过合理设计电池组件内部结构，同时选择耐热性较高的材料使用；第二，通过加强外部散热和内部冷却能力，有效提高新能源汽车动力电池在持续工作中的散热效率；第三，可安装一套功能独立空调冷却系统，以进一步减缓驾驶过程中动力电池的产热过程，既延长了锂离子电池产品的使用寿命，又切实保证了驾驶员的驾驶感受与安全性。

5 总结

通过以上分析，掌握了电池常见的一些问题，并针对此类问题提出解决办法，为电池的发展提供理论指导，进而推动新能源汽车的发展，减少对传统燃油车的依赖，实现自主汽车品牌的崛起，快速弯道超车。同时新能源汽车能减少对大气环境的污染，为我国碳达峰碳中和目标的实现作出贡献。

基金项目：1.江苏省高职院校青年教师企业实践培训项目（编号：2022QYSJ016）；2.南通市基础科学研究青年创新项目（JC12022090）；3.江苏省大学生创业创业项目（202110958023Y）；4.南通市基础科学研究面上项目（JC22022034）;5.南通市基础科学研究面上项目（JCZ2022061）；6.江苏工程职业技术学院科研项目（GYKY/2021/7）；7.江苏工院2021年高水平产教融合创新平台项目；8.江苏工程职业技术学院科研项目（GYKY/2022/14）。

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