電動汽車鋰離子動力電池發展現狀及趨勢

胡敏 王恒 陳琪

摘 要：隨著電動汽車的快速發展，對于動力電池的需求也就越來越高，而鋰離子動力電池是目前應用最多的動力電池。文章就現在電動汽車上廣泛應用的鋰離子動力電池進行研究，首先介紹了鋰離子動力電池的發展過程以及優勢。其次就目前電動汽車市場上應用最普遍的磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池工作原理、性能特點以及發展現狀進行介紹。最后就鋰離子電池的發展趨勢進行總結與分析。

關鍵詞：電動汽車;動力電池;磷酸鐵鋰電池;三元鋰電池

中圖分類號：U469.7 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-08-03

Development Status And Trend Of Lithium-ion Power Batteries For Electric Vehicles

Hu Min， Wang Heng， Chen Qi

（?College of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064?）

Abstract：With the rapid development of electric vehicles， there is a growing demand for power batteries， and lithium-ion power batteries are the most widely used power batteries. This paper studies the lithium ion power battery which is widely used at present. Firstly， it introduces the development process and advantages of lithium ion power battery. Secondly， this paper introduces the working principle， performance characteristics and development status of lithium iron phosphate battery and ternary lithium battery， which are widely used in the electric vehicle market. Finally， the development trend of lithium ion battery is summarized and analyzed.

Keywords：Electric Vehicle; Power battery; Lithium iron phosphate battery; Ternary lithium battery

CLC NO.：U469.7?Document Code： A?Article ID： 1671-7988（2020）09-08-03

引言

由于石油資源的日趨減少以及日趨嚴重的汽車尾氣、噪聲等污染，國內外對于發展可代替石油的清潔能源的汽車也愈發重視，而電動汽車作為一種零污染、低噪聲的汽車逐漸走進了國內外汽車公司的視線^[1]。而鋰離子動力電池作為目前市場占有份額最大的動力電池，其技術發展將直接影響到電動汽車未來的發展，因此，對于鋰離子動力電池的研究是極其重要的。

根據我國發布的《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》征求意見稿中提到，2025年新能源汽車年銷售總量應該達到汽車年銷售總量的25%，而2019年新能源汽車銷售量只占到了汽車年銷售總量的4.8%，因此，可以預見未來五年新能源汽車產銷量增長空間巨大，電動汽車作為目前世界上產銷量最大的新能源汽車，其產業發展空間巨大，而作為現在最廣泛應用于電動汽車上的鋰離子動力電池也將得到更加長遠的發展。

1?鋰離子電池概述

鋰離子電池是采用兩個能夠自由嵌入與脫嵌鋰離子的材料作為正負極，在電池充電過程中，位于正極材料上的電子通過外接電路進入負極中，而正極材料上的Li⁺則是會通過電解液與正負極之間的隔膜材料最終達到負極，與電子和負極材料生成化合物留于負極之上;與之相反，在放電過程中，負極材料上的電子通過外接電路進入正極材料中，負極材料上的Li⁺則通過電解液與隔膜材料進入正極材料中。

電動汽車所常用的動力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池以及鋰離子電池，而鋰離子電池之所以成為電動汽車商業電池中最廣泛使用的電池，主要在于其擁有以下三方面的優勢：一是能量密度高，在相同質量下，鉛酸蓄電池的比能量密度僅為鋰離子電池的1/4，鎳氫電池僅為其1/2;二是能量轉換率高，其轉換率可以達到96%，是鎳氫電池的1.4-1.7倍;三是自放電率小，在正常保存條件下其自放電率小于2%/月，是鎳氫電池的1/10^[2]。如下表所示，是三種電池的性能指標對比。

2 常用鋰離子動力電池的工作原理及性能特點

2.1?磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰（LiFePO₄）電池采用磷酸鐵鋰作為正極材料，采用石墨或碳極作為負極材料，正負極之間允許電子自由通過而金屬離子不能通過的隔膜材料，主要采用的的是PP（polypropylene，聚丙烯）/PE（polyethylene，聚乙烯）/PP多層復合微孔膜，電解液一般采用六氟磷酸鋰為主要材料的混合溶劑^[3]，其充放電過程如下所示：

充電過程：

放電過程：

磷酸鐵鋰電池作為動力電池的主要特點有：一是具有良好的高溫性能和安全性，在電池放電過程中，電池內部溫度可比外部溫度高出30℃，此時電池結構依舊完好，而且無論電池內外部結構遭到損壞，也不會發生燃燒、爆炸的風險;二是循環壽命長，經過2000次以0.5C倍率充電、1C倍率放電的充放電循環之后，其電池容量還有93%;三是無記憶性，相比于鎳氫電池、鎳鎘電池，無論電池處于何種狀態下，都可以進行充電操作，而不會產生容量低于額定容量值的情況。但磷酸鐵鋰電池也存在能量密度相對較低的這一劣勢，在相同質量下，其續駛里程不如三元鋰電池，這也是限制其發展的一個重要原因。表2為某磷酸鐵鋰電池的相關性能指標。

2.2 三元鋰電池

三元鋰電池采用三元復合材料作為正極材料，目前較為常用的兩種正極材料是NCA（LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂，鎳鈷鋁酸鋰）和NCM（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，鎳鈷錳酸鋰），采用碳硅復合材料作為負極材料，隔膜材料與磷酸鐵鋰電池的隔膜材料一致，只是在隔膜的通過孔徑大小方面不完全一致，而電解液材料也與磷酸鐵鋰電池差距不大，隨電池型號和大小不同而存在差異。某型號NCM電池在充放電過程中的正負極反應方程式^[4]如下所示：

正極反應：

負極反應：

總反應式：

三元鋰電池之所以作為目前廣泛應用于電動乘用車的電池，其主要特點有：一是能量密度高，相同質量下三元鋰電池的能量密度是磷酸鐵鋰電池的1.7-2.2倍;二是低溫性能良好，在低溫條件下，三元鋰電池容量和能量保持率都比磷酸鐵鋰電池優越，在零下30度時以0.5C倍率放電，其放電電壓為25℃時以0.5C倍率放電電壓的93.2%，下降幅度比較低^[5];三是體積小，具有相同能量的磷酸鐵鋰電池與三元鋰電池，后者的體積僅為前者的60%左右。但三元鋰電池的安全性能相對較差，三元電池材料在200℃就會發生分化，由于內部的化學反應在高溫下會更為劇烈，且在過程中會產生氧分子，會引起電解液材料的劇烈燃燒，在2019年國內發生了數起由于三元鋰電池受到撞擊或其他原因導致整車發生自燃的嚴重事故，這也讓公眾對于三元鋰電池的安全性產生了擔憂。表3所示是某NCM三元鋰電池的性能參數：

3 鋰離子動力電池的發展現狀

3.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰鋰電池由于其良好的安全性以及循環壽命長的優勢，被廣泛應用于日常經常使用的公共交通工具上，如城市運行的公交車、出租車等等，目前國內以比亞迪汽車公司為主的一部分公司的電動乘用車也在采用磷酸鐵鋰電池，其優秀的安全性能一直是這些公司所追求的目標。

為了改善磷酸鐵鋰電池能量密度較低的劣勢，目前而言最具應用前景的是比亞迪研發出的“刀片電池”，其質量比能量密度達到了140Wh/kg，相較于傳統磷酸鐵鋰電池的130Wh/kg，提升了約9%，體積比能量密度也能夠提升約50%，而其成本卻相較之前下降了20%-30%，并且據公布的數據來看，搭載“刀片電池”的漢EV車型續駛里程能夠達到605km，電池能夠使用8年，累計行程可達120萬公里，相比于目前電動汽車3年10萬公里而言有著極大的提高。

3.2 三元鋰電池

因其能量密度高、體積小的優勢，三元鋰電池廣泛應用于電動乘用車上，2019年我國電動車動力電池總裝機量為62.37Gwh，其中三元鋰電池裝機量為38.75Gwh，占總量的62.13%，比2018年增長了26.22%。

三元鋰電池主要有NCA和NCM兩種技術路線，以特斯拉為代表是走的三元鋰電池（NCA）技術路線，其目前采用的21700型三元鋰電池，單體單電芯振實密度高達773Wh/L，比一般的三元鋰電池高出50%;而以寧德時代為代表的電池公司則集中于三元鋰電池（NCM）技術路線，目前寧德時代NCM 811（鎳、鈷、錳三者成分為8：1：1）三元鋰電池已投入市場使用，其能量密度高達304Wh/kg、振實密度為700Wh/L，由于其優良的性能，所占市場份額也迅速上升，由去年6月份的4%增長至年末的18%。

4 鋰離子電池發展趨勢

4.1 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池雖高溫性能良好，但因電解液材質以及正負極材料顆粒直徑而使其低溫性能差，在溫度低于零度時，其放電容量會下降30%-40%。研究發現利用納米化技術和碳包覆技術可以改善磷酸鐵鋰電池的低溫性能^[3]，隨著技術進一步的發展，在低溫地區的電動商用車上具有很大的應用潛力。與此同時，利用CTP（cell to pack）技術，減少傳統“電芯-模組-電池包”三級結構中的模組，可以較大程度的提高磷酸鐵鋰電池能量密度，使其在電動乘用車上的應用前景變得令人期待。

4.2 三元鋰電池

三元鋰電池因其能量密度高而在電動乘用車上得到廣泛

應用，但最近由于電動汽車自燃事件時有發生，造成了不小的人身財產損失，讓人們對于三元鋰電池的安全性能再次產生質疑。為解決這一問題，對整個電池包而言在電池包內部安裝阻斷結構，并且設計出功能更為完善的電池熱管理系統來檢測電池溫度，對于單體電池而言則需要在電極材料以及電解液方面進行更深入的研究。此外，目前磷酸鐵鋰電池的市場價為每瓦時0.65元，而三元鋰電池的市場價為每瓦時0.85元，因此為了進一步降低成本，減少三元電池中貴重金屬鈷的使用，增加市場競爭力，各大電池公司也開始研制高鎳三元鋰電池，特斯拉甚至已經著手開始研制無鈷三元鋰電池。

5 總結

鋰離子動力電池是目前占有市場份額最多的動力電池，而磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池則是現在最普遍應用的兩種鋰離子動力電池。磷酸鐵鋰電池以其良好的高溫性能和循環壽命長的優勢在客車領域得到普遍應用，對于低溫性能的改善以及能量密度的提升會使其擁有更為廣闊的應用前景;三元鋰電池的能量密度高，因而在乘用車方面得到了廣泛的使用，對于其熱失控性能的研究以及高鎳三元鋰電池的研制與投入市場，三元鋰電池未來的發展空間巨大。除此之外，尚處于研發階段的鋰硫電池、全固態鋰離子動力電池的出現，也為續駛里程更長、安全性能更好的電動汽車的發展奠定了堅實的基礎。

參考文獻

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[2] 張紅妮，張雅麗，王虹霞.電動汽車動力電池現狀與發展[J].汽車實用技術，2019（06）：16-17+44.

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