新能源汽车电池类型现状及发展趋势研究

薛媛媛　陈清晨

摘 要：近几年新能源汽车快速发展受到了大众的关注，新能源汽车的重要技术问题一直是社会热点讨论的话题，而其中关于汽车的续航问题涉及到汽车的电池技术。目前，市场中新能源汽车的电池分为了不同的类型，不同类型的电池都有著独特的优势和特点，如何选择相应的电池技术，如何推动新能源汽车行业的稳定发展，需要了解这些常见电池的类型以及特点，了解电池的发展现状，了解电池未来的发展趋势，这样才能从本质上了解目前新能源汽车的综合发展情况。

关键词：新能源汽车 电池类型 现状 发展趋势

1 引言

电池作为新能源汽车的核心部件之一，是目前阻碍新能源汽车技术发展的重要原因，也是汽车发展必然经历的重要阶段。新能源汽车消费者需要了解新能源电池的充电问题，放电问题，技术人员需要做好电池的技术研发工作，这样才能进一步推动新能源汽车行业的稳定发展。从电池的性能、类别、价格、充电等不同角度进行电池的盘点整理和分析，这也是文章主要论述的关于新能源电池发展现状以及发展趋势的重要内容。

2 新能源汽车电池的种类分析

2.1 铅酸电池

铅酸电池虽然已经很成熟了，但由于它的成本低廉，并且可以进行高功率的放电，所以它仍然是目前国内仅有的一种可以大规模量产的电池。北京奥运期间，共有20台电动车为奥运运输服务，其中包括铅酸蓄电池。然而，由于铅酸电池的能量、比功率、能量密度等因素，使得电动车的速度和续航能力都不高。

2.2 镍镉电池和镍氢电

镍镉电池和镍氢电池尽管比铅酸电池要好，但是它也含有大量的重金属，一旦丢弃，就会对环境产生污染。镍氢电池已经步入成熟阶段，是目前经过验证并商业化的混合动力电池系统，占到了99%的市场份额，丰田公司的普锐斯就是其中的代表。世界上最大的汽车动力电池制造商是日本的PEVE和Sanyo，PEVE在世界范围内占有85%的Hybrid动力车用镍氢燃料电池，丰田公司的Prius，Alphard，Estima，本田公司的Civic，Insight等都是使用PEVE镍氢动力电池。在我国，长安杰勋、奇瑞A5、一汽奔腾、通用君悦等品牌的轿车，都在试驾，虽然都是使用镍氢电池，但大部分都是从国外进口的，而国产的镍氢电池，则还在研发中。

2.3 锂离子电池

常规的铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池等电池，其技术已相当成熟，但用于汽车电池的使用却是一个很大的问题。在新能源汽车上，很多厂商都将其用作动力电池。由于锂离子电池具有较高的工作电压（比氢-镍电池高3倍）；比能量高（高达165WH/kg，为氢镍电池的3倍），体积较小，重量较轻，使用寿命较长，自放电率较低，不会产生内存和环境污染。当前制约锂离子电池发展的主要障碍是：安全性、电池管理体系等。在安全性能上，锂离子电池能量密度高，工作温度高，工作环境恶劣，使得电池的安全性越来越高。在车辆动力电池的管理系统中，由于电动汽车的工作电压为12V或24V，而单一的动力锂离子电池为3.7V，所以需要多个电池串联起来才能增加电压，但是由于电池很难进行均匀的充放电，所以会造成多个电池组的电池充放电不平衡，造成电池的充放电问题，比如充电不足，放电过多等。

2.4 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂也属于锂离子电池，它的能量比值只有钴酸锂的一半，但它具有很高的安全性，可重复使用2000次，放电稳定，价格低廉，因此成为汽车动力的新选择。

2.5 燃料电池

燃料电池是一种利用燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的能源。燃料和空气被分别送入燃料电池，从而产生电力。表面上看起来像是一个电池，但实际上，它并不是用来储存电能的，而是用来发电的。燃料电池最有希望应用到车辆上的是质子交换膜燃料电池。其工作原理是：向负电极输送氢气，通过催化剂（铂），使氢中的两个电子被分离，由正电极吸引，由外部电路形成电流，而失去电子的氢（质子）可以通过质子交换膜（即固态电解质），在正电极上再次与氧和电子结合成水。因为氧气是从空气中获取的，所以只要持续向负极供给氢气，并且及时地将水分（蒸气）抽走，那么燃料电池就会持续地为其供电。由于燃料电池是通过直接将化学能转换成电能，在此过程中不需要通过燃烧过程，所以它不会受到卡诺周期的约束。当前燃料电池的能源转化效率为45%-60%，而核能和燃煤的30%-40%。

3 电动车新能源电池发展现状分析

目前，新能源电池的种类越来越多，电池种类也越来越多，电池应用过程中出现问题的概率也比较高。在新能源汽车中，电池是必不可少的设备。而在混合动力汽车中，常规的发电机和蓄电池都可以作为车辆的动力，在这个结构中，蓄电池是主要的动力。在汽车低速行驶或者汽车启动的过程中，蓄电池是驱动系统产生动能的关键，在汽车重要的加速阶段，蓄电池的作用下降到辅助形式，或者在汽车运输减速阶段，蓄电池就需要持续的存储能量。

3.1 型镍氢电池

碱性电池是用镍和碱溶液进行点解而成，其中镍氢电池是三种类型的电池。这是因为在使用过程中，镍氢电池不会对环境造成任何的污染，同时还会产生更多的能源。而镍锌电池却不能长时间的使用，因为它的能量会随着时间的推移而消耗殆尽。目前，人们已采取了一些有效的方法来解决这个问题，比如利用充电器来恢复电能、在电解质中添加缓蚀剂等。目前，我国电力工业使用的主要能源技术是镍氢电池。镍氢电池是一种由多种元素组成的合金，其中也包含了镍、锰等元素。镍氢电池和铅酸电池相比，镍氢电池的能量要比铅酸电池高得多，而且在功率上也要高出许多。镍氢电池技术的发明有：工作电压、比能量、比功率、过充、放电、热等优点。

3.2 锂离子电池

该类型的电池采用常规结构，由石墨阳极、金属锂离子、有机溶剂溶解溶液构成。在日常生活中，我们最常用的就是碳作为阳极，而电解质则是碳酸乙烯和碳酸二甲酯。该方法的正极是以二氧化锰酸锂为负极。这是由于这种锂离子电池具有更轻的重量、更高的压力和更多的存储能量。

3.3 铅酸电池

该电池采用单质铅作为负极，二氧化铅阳极，并在浓硫酸中进行充放电。整个充电、放电全靠正极和负极电极与电解质之间的化学反应而实现。铅酸电池是目前电动车行业中最常用的一种，因为这种电池的技术比较早，技术比较成熟，而且这种电池的生产工艺比较先进，成本也比較低，但最大的问题是，它的污染很严重，而且体积也很大，这就制约了这种电池的进一步使用。

3.4 汽车电池发展现状

新能源汽车的销售也在不断增长，从2011年的0.35GW到2020年的63.6GW。在中国，宁德时代，比亚迪，LG化学，中航锂电，国轩高科，松下，亿纬锂能，瑞浦能源，力神电池，孚能科技，都排在了前十位。宁德时代在2020年的全年装机量达到31.79吉瓦小时，在全国范围内占据了50%的市场；比亚迪汽车全年装机9.48吉瓦，在全国范围内占据了14.9%的份额。据国家能源局统计，目前中国电力车辆的动力电池装机中，三元锂和磷酸铁锂占54%，占总装机的40%。

磷酸铁锂电池最大的优点就是它的内部分子在750～800摄氏度的高温下分解，从而大大减少了遇到碰撞、短路等恶劣环境时起火甚至爆炸的可能性。但其最大的缺陷在于其具有显著的热损耗，且在较低的温度下，其充放电性能和电池本身的容量都会大大下降。而三元锂电池，其能量密度高，可达280Wh/kg；但由于三元锂电池的耐热性较差，当温度超过200℃时，电池的内部物质就会迅速地解体，因此当汽车发生碰撞时，三元锂电池很容易造成二次损伤，如起火、爆炸。这两种类型的电池都有其固有的缺陷，从而使其在使用过程中出现了许多问题。

3.5 电池能量密度小

能量密度小，续航时间短，成为了制约动力电池甚至电动车发展的最大障碍。据工信部统计，2020年我国汽车动力电池总装机的能量密度将达到350Wh/kg，大大降低了12000Wh/kg的能耗。所以，必须提高电动车的续航里程；从最初的30kWh的电池，到目前为止，已经有100kWh的电动汽车投放市场。比如吉利最新的纯电动车“极氪001”，以及蔚来蔚来ET7，它们的NEDC总里程都超过了700公里。

但是，当电池容量增大时，不仅会使汽车的造价提高，也会使整车的重量增大，从而对汽车的性能产生不利的影响。就拿2021款比亚迪唐来说吧，EV四驱高性能版本的总重量是2455公斤，而燃油版仅为1895公斤。

3.6 SOC参数的计算精度不高

“SOC”的全名为“State of Charge”，表示蓄电池的充电状况，也称为“剩余电量”，表示蓄电池在放电后的剩余电量与其充分充电时的电量之比。由于电池在工作中的非线性特性，使得SOC的精确计算变得非常困难。尽管几十年来，电动车技术发展迅速，但是目前的各种电池SOC计算方法的准确性还不能满足汽车的需求。同时，由于车辆运行状态的复杂性，使其剩余续驶里程的计算变得越来越不精确，这也是很多消费者在使用电动汽车时所担心的问题。

3.7 电池循环回收利用系统不健全

由于电池充电和放电次数增多，其损耗特性决定了其使用寿命远远小于汽车，因此，其报废率远远高于电动车。当前，我国的电池剩余价值评价体系和完善的回收机制，无论是在国家和企业层面，都没有形成一套行之有效的评价机制。在今后几百万个废旧动力电池中，从当前的情况来看，要实现彻底的无害化是很困难的。废弃的动力电池如果处理不好，不但会造成环境污染，还会造成资源的浪费，这与我国发展电动车的初衷背道而驰。

4 新能源汽车理想电池的特性与展望

目前，锂离子电池已经成为了世界上最先进的电池技术代表之一，它的性能也在不断提高。一种理想的汽车动力电池应该具有：充电器功能齐全、充电周期短、体积小、重量轻、蓄能长、使用寿命长、电池性能稳定、安全性好、维修简单、原材料充足、价格低廉。以上的预期并非是幻想，在技术层面上，这些都是可以实现的。

4.1 大批量的制造生产

随着人们的生活水平和环境保护意识的不断提高，对绿色交通的认识和坚持越来越多，汽车排放的污染越来越受到关注。新能源汽车市场前景广阔，而新能源汽车的核心技术是动力电池，它的应用领域更加广泛，再加上相应的技术支撑，可以实现大规模的量产。随着生产技术的不断智能化，将智能制造技术运用到电力电池生产企业，已成为电力行业的重要发展趋势。研究开发、生产、试验流程的优化，是改善生产效率、改善产品品质的关键，并对生产流程进行分析，发现生产流程与生产流程的关系，从而达到生产规模，降低人力物力成本，增加经济效益。

4.2 公司之间的合作选择

在全球经济快速发展的今天，国有企业与民营企业的合作已成为必然，新能源汽车的动力电池也必须顺应时代的发展，与其进行商业上的合作。在国家有关政策的指引下，汽车制造研发企业应加强与国内外企业的沟通、加强沟通、优化资源配置、交流经验、分享资源、分享信息等，将会大大加快电池技术的研发进度、产品品质、推动新能源汽车的发展与进步，同时还可以在充电设施、电池原材料、电池性能维护等领域进行商业合作，也可以全面推进新能源汽车动力电池应用和发展。

4.3 电池技术开发为重点

当前，新能源汽车的动力电池正处于快速发展的阶段，但是由于其存在的不足，对其产生了一定的冲击与争论。为了确保新能源汽车的平稳、快速发展，汽车厂商应加强对电池技术的研发和应用，使电池在性能、储能、适用性、安全性等方面得到有效的应用。重视对新能源汽车的市场调查，掌握其使用、销售、消费的需要，力求在实现零排放、环保的基础上，不断地提升汽车的使用寿命，以满足客户的需要。

4.4 电池使用安全问题

由于现如今人们的物质水平逐渐提升，电车使用的成本本身比较低，安全问题一直是电车使用者的重点关注内容。在未来电车电池的技术研发和推广过程中，安全是电车电池技术研发的基本前提。在这一点上，磷酸铁锂的优势显而易见。所以在此之前，我们看到了不少新能源汽车自燃，大部分都是三元锂电池车，但却没有一个人受到伤害，因为它的正极耐受温度高达800摄氏度，着火的条件也比较苛刻，而且持续的时间也比较长，所以司机有足够的时间逃跑。

从化学性质上来说，三元锂电池的充电速度要快得多，因为三元锂电池的充电速度要比三元锂电池快得多，但如果电压太低，三元锂电池的充电效率也会下降。这也是为什么很多汽车厂商都选择了磷酸铁锂作为燃料电池的原因，因为磷酸铁锂电池不仅可以满足这些要求，还可以降低成本，而且还不是稀有的稀有金属，不会被西方国家和其他国家的垄断，而且还能满足国家的能源战略转型，用不了多久，磷酸铁锂就会占据很大的优势。

5 结语

综上所述，在我国保护环境的大背景之下，我国的汽车行业迎来了新的变革和转型。越来越多新能源汽车走入到大众的生活中，也体现了全新的汽车发展模式，而新能源汽车的发展依赖于全新的电池技术研发和推广，了解新能源电池的常见类型以及电池使用中可能存在的问题，进一步了解新能源汽车未来的发展趋势和特点，为人们的生活带来全新的转变。而这些有关于新能源汽车电池的相关内容和信息，也值得新能源汽车从业者的重点关注和了解，这些都关乎到未来我国汽车科技社会的发展。

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