汽車電動(dòng)化的重要發(fā)展方向
——鋰電池技術(shù)

付文婧 汪熙媛 柯偉 丁超凡

深圳市南山外國(guó)語(yǔ)學(xué)校（集團(tuán)）高級(jí)中學(xué) 廣東省深圳市 518000

1 研究背景

碳中和已經(jīng)逐漸成為了我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)期目標(biāo)，因此我們認(rèn)為碳中和有成為了中國(guó)新能源汽車轉(zhuǎn)型的重要力量的潛質(zhì)。[1]基于碳中和在中國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展低位，我們預(yù)計(jì)促進(jìn)新能源持續(xù)發(fā)展和降低環(huán)境污染將成為大部分車企的發(fā)展目標(biāo)，具體可以通過(guò)提高研發(fā)水平和能源品質(zhì)實(shí)現(xiàn)。目前，我們注意到主機(jī)廠對(duì)于電池和儲(chǔ)能技術(shù)的研發(fā)投入逐漸提升，這些投入目前也轉(zhuǎn)化成了具體的技術(shù)成效，為電動(dòng)汽車的電池技術(shù)的發(fā)展奠定了穩(wěn)固的基礎(chǔ)，也間接促進(jìn)的新能源汽車的普及。

2 主流電池的特點(diǎn)

我們注意到鋰鎳氫電池主要應(yīng)用在移動(dòng)通訊和便攜式家電等領(lǐng)域，但基于環(huán)保問(wèn)題和能耗的巨大壓力，以及鎳氫電池材料能效比的優(yōu)勢(shì)，我們預(yù)計(jì)鎳氫電池未來(lái)會(huì)成為新能源汽車的重要?jiǎng)恿υ碵2]基于鋰屬于金屬元素，其性質(zhì)也相對(duì)特殊，特別是其電負(fù)性特別明顯。而鋰原子存在的這一性質(zhì)，導(dǎo)致了鋰電池的單體電流將大大超過(guò)鎳氫電池。當(dāng)然，鎳氫動(dòng)力電池也具備了輸入輸出電量密集程度高、無(wú)記憶效應(yīng)、電容器的充過(guò)放電性更高效、自放電成本小、可循環(huán)化的特點(diǎn)，根據(jù)鎳氫動(dòng)力電池的上述特點(diǎn)，在純電動(dòng)汽車中，鎳氫動(dòng)力電池有著十分明顯的使用效益。不僅如此，我們還發(fā)現(xiàn)鎳氫電池中并不存在汞、鎘等重金屬單質(zhì)，因此環(huán)保污染源也相對(duì)較小，但是，我們需要避免電池中正負(fù)極材料和一些強(qiáng)酸性電解質(zhì)溶液的泄露，這些物質(zhì)將會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的污染。[3]

3 研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)內(nèi)鋰電池技術(shù)現(xiàn)狀

在我們回顧了中國(guó)鋰電池行業(yè)的發(fā)展歷史后，我們注意到中國(guó)鋰電池行業(yè)雖然已建立了完善的產(chǎn)業(yè)鏈，但是，就目前中國(guó)動(dòng)力電池行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)說(shuō)，對(duì)比發(fā)達(dá)國(guó)家，我們還有很多問(wèn)題亟待解決，例如行業(yè)資源不集中。雖然我們國(guó)家在鋰電池行業(yè)取得了一定的成功，但我們?cè)谘邪l(fā)投入力度上我們還是與發(fā)達(dá)國(guó)家有一定差距。在觀察了中國(guó)在該行業(yè)的龍頭企業(yè)比亞迪后，我們發(fā)現(xiàn)即便比亞迪擴(kuò)大了對(duì)鋰電池行業(yè)的投資，但和全球一流廠商三星等公司存在顯著差距。同時(shí)我們還注意到其另外一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題，就是產(chǎn)品效益相對(duì)低，雖然比亞迪的產(chǎn)品價(jià)格較低，不過(guò)，隨著世界鋰電池技術(shù)的發(fā)展，這些問(wèn)題也會(huì)得到解決。最后，我們認(rèn)為比亞迪公司增大的投資量，不僅能提高電池技術(shù)的水平，也能大幅提高公司的降本能力。

圖1 車用鋰電池

另外，我們注意到中國(guó)還有一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，就是高端技術(shù)的缺乏，這使得國(guó)內(nèi)行業(yè)水平滯后于發(fā)達(dá)國(guó)家。二零一九年，中國(guó)新能源汽車銷量已達(dá)到了三十三萬(wàn)臺(tái)，占據(jù)了世界五分之一的市場(chǎng)，提升了四倍。但與世界先進(jìn)的新能源汽車相比，我國(guó)的新能源汽車在技術(shù)領(lǐng)域還存在一定的不足。例如，特斯拉的新型號(hào)電池可使汽車?yán)m(xù)航里程達(dá)到480 千米，最大速度為二百五十千米/小時(shí)，電池貯備容量為八十五千瓦時(shí)，目前國(guó)內(nèi)汽車達(dá)到這一程度還需要很大的努力。

鋰離子電池的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為電源材質(zhì)、負(fù)極材質(zhì)、電解液和薄膜。科學(xué)家指出，鋰離子脫嵌能力決定了決定動(dòng)力電池的性能。目前，我國(guó)在新能源汽車和動(dòng)力電池的研發(fā)與使用上加強(qiáng)了技術(shù)支持，根據(jù)重點(diǎn)市場(chǎng)發(fā)展與技術(shù)導(dǎo)向，在電動(dòng)汽車技術(shù)的研究與實(shí)踐上制定了一系列方案，其研究已步入關(guān)鍵時(shí)期。

3.2 國(guó)外鋰電池技術(shù)現(xiàn)狀

展望全球市場(chǎng)，我們發(fā)現(xiàn)全球各國(guó)都將新能源汽車視為其重要工業(yè)目標(biāo)。在我們分析全球市場(chǎng)之后，日本公司的研發(fā)單位擁有發(fā)明專利的規(guī)模居于全球首位，產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已遙遙領(lǐng)先于其他發(fā)達(dá)國(guó)家。日本全固態(tài)動(dòng)力電池的研究與發(fā)展已經(jīng)由原來(lái)的新型電解質(zhì)結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)為在動(dòng)力電池測(cè)試、生產(chǎn)工藝開(kāi)發(fā)、充放電循環(huán)壽命等方面。研發(fā)的重點(diǎn)也已進(jìn)入了嘗試把水平方位材和太陽(yáng)極材融合一起，并設(shè)計(jì)了不同的生產(chǎn)工藝，以適用于不同的生產(chǎn)狀況。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)美國(guó)通過(guò)各種手段支持該行業(yè)的發(fā)展，這些支持使得美國(guó)在固體電池領(lǐng)域取得了階段性的成功，大批初創(chuàng)公司如雨后春筍般在市場(chǎng)中出現(xiàn)，使美國(guó)在該領(lǐng)域成為了一線車企和風(fēng)投公司的關(guān)注焦點(diǎn)。基于資金支持和美國(guó)本身的科研優(yōu)勢(shì)，這些初創(chuàng)公司也產(chǎn)出了大量成功，使美國(guó)成為固態(tài)電池領(lǐng)域中的佼佼者。

4 我國(guó)在鋰電池技術(shù)領(lǐng)域中存在的問(wèn)題及原因分析

4.1 結(jié)構(gòu)性整合創(chuàng)新存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)我們對(duì)新能源行業(yè)的了解，我們認(rèn)為新能源的產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，同時(shí)，新能源行業(yè)的中游需要各種零部件的輔助支持，以及各種各樣不同的材料工藝，然后才能夠進(jìn)行新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。隨著清潔燃料車和傳統(tǒng)汽車行業(yè)出現(xiàn)本質(zhì)的變化，并且原有的生產(chǎn)方式不能滿足于新能源的生產(chǎn)，因此制約著整個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

4.2 核心技術(shù)嚴(yán)重缺失

我們發(fā)現(xiàn)該行業(yè)另一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題就是核心技術(shù)嚴(yán)重缺失，受傳統(tǒng)工業(yè)沖擊，當(dāng)下大部分企業(yè)的工藝層面也仍不很完善，平日中很難發(fā)現(xiàn)，但一旦和優(yōu)勢(shì)突出的企業(yè)比較便會(huì)比較明顯。同時(shí)，國(guó)內(nèi)公司在人才引進(jìn)的制度上存在缺陷，國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)自己的科技鏈條與創(chuàng)新技術(shù)也存在著嚴(yán)重落后，不僅如此，國(guó)內(nèi)企業(yè)的人才培養(yǎng)制度也并沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，這些不利因素限制著國(guó)內(nèi)企業(yè)的成長(zhǎng)。

5 車用動(dòng)力鋰電池技術(shù)發(fā)展分析

在閱讀完諸多文獻(xiàn)后，我們總結(jié)出鋰離子脫嵌式電池需要滿足這些條件才可正常運(yùn)作：高電位、高電化學(xué)性質(zhì)比容量、高能量穩(wěn)定性、強(qiáng)電子導(dǎo)電性、超高的電離固相擴(kuò)散速率、在電解質(zhì)中溶解穩(wěn)定等等條件。目前，清潔燃料及工業(yè)的高速發(fā)展中，行業(yè)中已經(jīng)認(rèn)可了鎳鈷錳鋰、磷酸鐵鋰等材料，現(xiàn)代新能源汽車對(duì)功率和電子比能量的要求這些材料也已經(jīng)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，并能夠發(fā)展成為理想的高水平方位活性材料。據(jù)相關(guān)資料表明，在2017 年，磷酸鐵鋰材料的總產(chǎn)出量已經(jīng)達(dá)到了70000t，盡管比2016 年磷酸鐵鋰的產(chǎn)量有所下降，但基于新能源汽車的快速發(fā)展，我們認(rèn)為該材料未來(lái)有巨大的市場(chǎng)前景。基于新能源汽車對(duì)電池的需求更加多元，我們總結(jié)電池的未來(lái)發(fā)展發(fā)向可以有以下幾點(diǎn)：納米制備技術(shù)、摻雜技術(shù)等的應(yīng)用，以及客服磷酸鐵鋰在高溫狀態(tài)下電容量減少的特性[4]。其次，我們注意到從近期開(kāi)始，全球的復(fù)合材料廠商都在不斷拓展三元材料的研發(fā)范圍，其中，在這些復(fù)合材料之中，配比往往是高鎳低鈷，例如特斯拉的燃料電池中鈷的使用率甚至不到百分之三。負(fù)極材料根據(jù)品種的不同，大多以碳類和金屬材料居多，在碳類材料中，我們發(fā)現(xiàn)相碳微球、人造石墨、天然石墨較為普及，其中天然石墨由于其出色的性價(jià)比，是這些材料中使用的最為廣泛的，但是，天然石墨在比容量的數(shù)據(jù)上并不能滿足較高標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)要求，所以行業(yè)中也不斷的對(duì)該材料進(jìn)行改造[5]。但由于石墨負(fù)極本身性質(zhì)較為穩(wěn)定，容量比就很難再有突破，因此許多企業(yè)都逐漸轉(zhuǎn)入了新型復(fù)合材料的研發(fā)中，鐵金屬氧化物和鋰金屬合金材料也就為了克服這些困難應(yīng)運(yùn)而生。

圖2 新能源汽車生產(chǎn)線

5.1 鋰電池技術(shù)中短期發(fā)展展望

我們認(rèn)為在當(dāng)前的汽車使用鎳氫電池工業(yè)的發(fā)展進(jìn)程中電池材料的研發(fā)已經(jīng)較為成熟，例如，使用磷酸鐵鋰作電源材質(zhì)、多層石墨用作負(fù)極材質(zhì)等，而薄膜材質(zhì)則使用了PP 和PE，并部分使用涂層膜等，雖然已進(jìn)行了商品化，但在未來(lái)發(fā)展仍具有著很大的潛力，但如果在此階段中所使用的都是硅碳做負(fù)極材質(zhì)的，則仍處在研究階段，尚未獲得突出的開(kāi)發(fā)結(jié)果。就當(dāng)前的市場(chǎng)發(fā)展情況來(lái)說(shuō)，新能源汽車未來(lái)仍有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ虼宋覀兛偨Y(jié)隨著三元電池的技術(shù)不斷成熟，將能滿足消費(fèi)者對(duì)續(xù)航能力需求的提高，在輔以國(guó)家政策的大力支持，三元電池將會(huì)出現(xiàn)新一輪的增長(zhǎng)。

圖3 新能源汽車

5.2 鋰電池技術(shù)長(zhǎng)期發(fā)展展望

現(xiàn)階段，盡管中國(guó)汽車用鎳氫電池工業(yè)的進(jìn)展很快，但我們認(rèn)為未來(lái)發(fā)展方向主要仍然會(huì)朝著固體材料發(fā)展，在該領(lǐng)域，美國(guó)和加拿大具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，因此我國(guó)在發(fā)展該行業(yè)時(shí)無(wú)可避免會(huì)遇到一些困難。同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，磷酸鐵鋰電池因?yàn)槟偷蜏氐男阅懿缓茫牧洗嬖谝恢滦陨系牟蛔愕热秉c(diǎn)，導(dǎo)致由此材料制作的電池會(huì)有比能低的缺點(diǎn)，導(dǎo)致該材料做成的電池難以滿足未來(lái)新能源車高速發(fā)展的需要。

鋰空氣電池的比能有做到3500Wh/千克以上的潛力，其最重要的原因是鋰空氣電池在實(shí)際應(yīng)用中，正極利用壓縮空氣中的氧氣用作活性物料，達(dá)到擴(kuò)大容積的目的。和其余種類的動(dòng)力電池比較，鋰空氣電池的比電量高、價(jià)格便宜、且具備環(huán)保安全特點(diǎn)。在全球范圍內(nèi)，空氣電極、電解液、反應(yīng)催化劑的研究都在高速的開(kāi)展。不過(guò)，此類動(dòng)力電池的熱放電特性不良、能源利用率不足仍是短期內(nèi)無(wú)法克服的問(wèn)題。

6 結(jié)語(yǔ)

最后，我們認(rèn)為導(dǎo)致我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新落后的原因有技術(shù)創(chuàng)新差、創(chuàng)新意識(shí)低、創(chuàng)新質(zhì)量差、創(chuàng)新效率低。為了提高公司的創(chuàng)新水平，有必要對(duì)內(nèi)部管理加以革新。這樣，公司才能建立完善的考核制度，鼓勵(lì)創(chuàng)新。而公司通過(guò)制定的技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)，加強(qiáng)激勵(lì)措施，鼓勵(lì)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，從而形成了創(chuàng)新合力，公司的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)也才能取得更大的創(chuàng)新效果。而此外，僅僅憑借個(gè)別公司的技術(shù)力量也是難以實(shí)現(xiàn)的，要想加快中國(guó)鋰電池的發(fā)展，我們必須整合國(guó)內(nèi)一切可以運(yùn)用的力量，在整個(gè)行業(yè)中形成合力。