鋰離子電池在電動汽車中的應用現狀及發展綜述

唐雁雁

（三一汽車起重機械有限公司，長沙 410600）

引言

近年來，隨著全球環境污染問題的日益突出和傳統燃料資源的枯竭，電動汽車正逐漸成為人們日常出行的一種新方式，其主要的動力來源是電池。而鋰離子電池由于具有高功率密度、較高的能量密度、壽命長、循環性能好等特點，逐漸成為電動汽車主要的能量儲存裝置[1,2]。此外，交通行業一直以來都是碳排放主力，以中國、美國、歐盟等為代表的國家和地區出臺了《2030碳達峰行動方案（中國）》、《清潔能源革命和環境正義計劃（美國）》、《可持續與智能交通戰略（歐盟）》等多項新能源政策指引交通行業的減碳行動，大力推動鋰電池、電化學儲能、電動汽車等新能源領域重要技術和基礎裝備的發展，逐步降低對石化能源的依賴，探索出一條可持續能源安全路徑是全球諸多國家的重要戰略方向。

本文主要通過對鋰離子電池在電動汽車中的應用、優缺點及發展方向的分析，探討鋰離子電池在電動汽車領域中的現狀及發展趨勢。

1 鋰離子電池的工作原理和特點

鋰離子電池是一種利用鋰離子在正負極之間的轉移來實現電池充放電工作的二次電池。鋰離子電池中正極材料通常是氧化物，例如LiCoO2、LiMn2O4或者是LiFePO4等，負極材料是碳或者硅合金材料，例如石墨或者SiOx等，電解質是有機物或者無機物，并且其中一種至少含有鋰鹽，例如LiPF6或者LiBF4等。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫嵌，經過隔膜和電解液，嵌入到負極材料中并釋放出電子。放電過程則相反，鋰離子從負極材料中脫嵌，在電解質中移動，嵌入到正極材料中，同時吸收電子。

1.1 鋰離子電池的特點

鋰離子電池的優缺點均非常明顯，如高能量密度、長壽命、低自放電率、快速充電、輕便等，這些優點使它成為現電動車輛等領域的重要能源選擇，并在應用中脫穎而出，成為行業主流。然而，鋰離子電池也存在一些缺點，如成本高、安全隱患、環境敏感性等，這些問題需要通過技術改進和更加環保的處理手段來解決[3]。表1 列舉了鋰離子電池的幾個主要特征。

表1 離子電池的主要優缺點

1.2 幾種電池的比較

圖2 全球鋰離子電池需求量預測圖

圖3 鋰離子電池充放電示意圖

如前文所述，鋰離子電池在目前的電動汽車等領域應用最廣，主要原因之一是它能夠提供更大的能量密度和較長的使用壽命，同時充電時間也相對較短，能夠更快地滿足用戶需求[4]。表2 是幾種常見電池的特點比較。

表2 幾種常見電池的特點比較

從表2 可以得出以下主要結論：①鋰離子電池的能量密度最高，自放電率最低，充電時間最短，壽命最長，但成本也相對較高；②鎳氫電池重量輕，壽命長，對環境無污染，但性能方面比鋰電池差；③鎳鎘電池的能量密度和成本適中，但自放電率較高，壽命較短；④鉛酸電池的成本最低，但能量密度和壽命都比較低，自放電率非常高。

2 國內外鋰離子電池制造企業的現狀

國內層面：隨著政府支持新能源汽車的政策力度持續加大，中國國內的鋰電池企業發展勢頭迅猛。目前，國內的寧德時代、比亞迪、國軒高科、億緯鋰能等公司在鋰電池隊伍中占據著領導地位。國內鋰電池產業規模逐年擴大，產值和出口量均居全球前列。

國外層面：鋰離子電池的發展較早，主要廠家的技術相對成熟，生產的電池品質較為穩定。主要廠家有美國的特斯拉、日本的松下、索尼、松下、三洋，韓國的三星SDI、LG 化學、SK Innovation，德國的BMZ，法國的BLE 等等。其中，特斯拉的動力電池處于領先地位，其鎳鈷鋁和鎳鈷錳系列電池以高的能量密度和動力性能聞名。

總體來講，中國國內的鋰電池行業已經形成了以寧德時代、比亞迪等為代表的龍頭企業，它們在領先技術、生產規模、產品性能等方面均處于世界先進水平。雖然國外的鋰電池行業技術普及率更高，但我國鋰電池市場穩步發展已經快速成為了世界鋰電池市場上不可忽視的存在。

3 鋰離子電池在電動汽車中的應用現狀

當前新能源汽車主要有純電動汽車、混合動力汽車、氫燃料電池汽車等，其中前兩種的發展最為迅速。而在電池技術路線的選擇上，純電動汽車和混合動力電池汽車各有不同。

3.1 純電動汽車的動力電池路線

純電動汽車用鋰離子電池的主要路線有：磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、三元鋰電池等。磷酸鐵鋰電池因其安全性高、長壽命、低成本等特點，成為當前眾多車廠的主要選擇；鈷酸鋰電池則具備高能量密度以及快速充電的優勢，適用于高速純電動車市場，但是鈷酸鋰電池材料中含有昂貴的金屬元素鈷，因此成本相對較高，并且在極端條件下可能存在安全隱患；三元鋰電池相對于鈷酸鋰電池的安全性更高，低溫時電池性能更加穩定，適合北方天氣，但高溫時的安全性仍然比磷酸鐵鋰電池差。表3 是磷酸鐵鋰電池、鈷酸鋰電池、三元鋰電池的主要技術指標對比。

表3 三種純電動汽車用鋰離子電池主要技術指標比較

總體來說，磷酸鐵鋰電池的安全性和成本較為優秀，但能量密度較低；鈷酸鋰電池的能量密度較高，但安全性和成本較差；三元鋰電池在能量密度和循環壽命方面表現較好，但成本較高。綜合安全、成本、使用壽命等因素，當前純電動汽車的動力電池類型主要為磷酸鐵鋰和三元鋰電池兩種，兩者基本上占據了純電動汽車市場動力電池的主要份額。

3.2 混合動力汽車的動力電池路線

混合動力汽車分為非插電式混合動力汽車（HEV）和插電式混合動力汽車（PHEV），為了便于分析，本文將增程式汽車（REEV）也一并歸類為混合動力汽車。三種類型的動力電池路線分別為：HEV 采用的主要是鎳氫電池或錳酸鋰電池；PHEV 和REEV 采用的主要是磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池。

可以看出，PHEV 和REEV 的動力電池與純電動汽車類似，而HEV 的動力電池采用的是鎳氫電池。產生上述差異的主要原因是HEV 車型的特點決定，因為混合動力系統的工作方式，必須不停的對電池進行快速充放電，而鎳氫電池具有良好的快速充放電性能，鋰電池反而不具有這一特點，所以在這種工況下，應用鎳氫電池比鋰電池更有優勢。此外，鎳氫電池的成本也遠低于鋰電池，因此以豐田為代表的主機廠采用了鎳氫電池作為HEV 車型的動力電池。

4 鋰離子電池的測試與回收

安全和環保是新能源汽車永恒的主題，作為電動汽車的主要動力來源，鋰離子電池的測試和回收技術也被廣泛關注。

4.1 測試技術

為了判斷鋰離子電池的性能和健康狀況，確保其能夠正常、可靠地工作，并且安全地應用于電動汽車等應用領域中。電動汽車鋰離子電池的測試內容通常涵蓋容量、充電效率、溫度、壽命、安全等方面[5,6]：

1）電池容量測試：電池容量是電池的重要參數之一，它表示電池能存儲多少能量。通過對鋰離子電池進行容量測試，可以測試電池的實際可用容量，并檢測電池的健康狀態。容量測試方法包括恒流放電、工況放電和深度充放電等方法。

2）能量效率測試：能量效率是指電池完全放電時所釋放的能量與電池充滿電所需的充電能量之比。通過測試鋰離子電池的能量效率，可以評估電池充放電的能量損耗情況。

3）溫度測試：電池的溫度對電池的壽命和安全性有很大的影響。溫度測試可以幫助了解鋰離子電池在不同溫度下的運行狀態及其對電池性能的影響。

4）循環壽命測試：通過連續的充放電循環來測試電池的循環壽命。通常會在最常使用的環境下，對電池進行標準放電和標準充電。通過測試電池的實際循環次數及容量衰減情況來模擬電池的使用壽命。

5）安全性測試：鋰離子電池在使用過程中可能會產生碰撞、擠壓、過充、過放、短路現象，進而導致電池過熱、冒煙甚至爆炸等安全問題。因此，安全性測試對于驗證電池的可靠性和使用安全性非常重要，測試內容包括模擬碰撞、擠壓、火燒、短路、過充、過放和高溫等極端情況下電池的反應情況。

4.2 回收技術

鋰離子電池廢棄物中含有大量的有害物質，如重金屬、有機物等，如果不加以處理，將對環境造成嚴重危害。目前，鋰離子電池的回收技術主要包括物理回收和化學回收兩種方式。物理回收主要是通過機械分離、磁選、浮選等方法將廢舊電池中的有用物質分離出來，如鈷、鎳、鋰等。化學回收則是通過化學反應將廢舊電池中的有用物質提取出來，如鈷、鎳、鋰等。目前，物理回收技術已經比較成熟，但存在回收率低、成本高等問題；化學回收技術則還處于研究階段，需要進一步完善。

目前鋰離子電池回收行業還處于起步階段，回收率較低。主要原因是缺乏相關政策支持、技術水平不高、回收成本高等問題。此外，由于鋰離子電池的種類繁多，回收難度較大，也是制約回收行業發展的一個重要因素。為了促進鋰離子電池回收行業的發展，加強政策支持、提高回收技術水平、降低回收成本是已成為各國政府和鋰離子電池后市場服務企業的當務之急，隨著相關政策的出臺和技術的不斷進步，鋰離子電池回收行業也將得到快速發展。

5 鋰離子電池的技術發展趨勢

鋰離子電池行業仍處在快速發展階段，行業內主要創新方向集中在提高能量密度、延長電池使用壽命、提高安全性能和改善成本效益等方面，主要涉及到材料體系、電池類型、電池結構等。

5.1 材料體系方面

鋰離子電池的正極材料主要以鈷、鎳、錳和鐵為主，負極材料則以石墨為主，但這些材料在循環壽命、耐高溫等方面仍有待提高[7]。因此，需要進一步研究新型材料的開發及其應用。迄今為止在動力電池領域的創新多以結構創新為主，材料體系的創新進展較慢，近年來國內外企業開始加大在新材料應用方面的投入，主要趨勢為從LFP/ 石墨、LFP/ 硅碳復合材料向鋰硫體系、鋰空體系發展，表4 簡述了幾種不同材料體系特點。

表4 不同材料體系的特點

圖4 寧德時代電池形態研究發展歷程圖

圖5 電動汽車鋰離子電池結構發展趨勢圖

5.2 電池形態方面

在電池類型方面，以寧德時代為代表的電池企業開展了全固態鋰離子電池的研究，這是一種新型的鋰離子電池，相較于傳統鋰離子電池具有以下優勢：①安全性更高：全固態鋰離子電池采用固態電解質，相比傳統電池中的液態電解質，不易泄漏，不易破裂，更加安全可靠；②能量密度更高：全固態鋰離子電池采用高能量密度的電極材料，可實現更高的能量密度，使得電池性能更好；③溫度適應性更好：全固態鋰離子電池具有更好的溫度適應性，在高溫和低溫環境下也能正常工作，相比傳統鋰離子電池更加穩定。同時，全固態鋰離子電池也存在制造成本高和電化學性能不穩定等技術瓶頸有待進一步解決，這也是目前制約全固態鋰離子電池規模化應用的原因之一。

5.3 電池結構方面

2019年起，中國企業發揮電芯制造優勢，厚積薄發，在電芯結構上連續退出了電芯直接集成到模組的CTP，刀片電池，J2M 等技術，超越大眾的VDA、MEB 電芯尺寸標準，引領了電池系統結構技術創新[8]。而電池成組的終極方案MIV 和CTV 技術也初步具備應用條件。

6 結語

電動汽車產業的發展需要依靠高能量密度、高安全性、易回收等特性的動力電池技術，與此同時需要不斷加強針對電池的研究和技術創新，提高動力電池耐久性和使用壽命，從而更好的適應社會和市場需求。當前鋰離子電池在純電動、插電式混動、增程系統上表現出色且具備廣泛適用性，相信通過在材料、結構等領域的持續創新，也將為鋰離子電池產業的發展提供更加堅實的基礎。