新能源汽車電池類型現狀及發展趨勢研究

薛媛媛　陳清晨

摘 要：近幾年新能源汽車快速發展受到了大眾的關注，新能源汽車的重要技術問題一直是社會熱點討論的話題，而其中關于汽車的續航問題涉及到汽車的電池技術。目前，市場中新能源汽車的電池分為了不同的類型，不同類型的電池都有著獨特的優勢和特點，如何選擇相應的電池技術，如何推動新能源汽車行業的穩定發展，需要了解這些常見電池的類型以及特點，了解電池的發展現狀，了解電池未來的發展趨勢，這樣才能從本質上了解目前新能源汽車的綜合發展情況。

關鍵詞：新能源汽車 電池類型 現狀 發展趨勢

1 引言

電池作為新能源汽車的核心部件之一，是目前阻礙新能源汽車技術發展的重要原因，也是汽車發展必然經歷的重要階段。新能源汽車消費者需要了解新能源電池的充電問題，放電問題，技術人員需要做好電池的技術研發工作，這樣才能進一步推動新能源汽車行業的穩定發展。從電池的性能、類別、價格、充電等不同角度進行電池的盤點整理和分析，這也是文章主要論述的關于新能源電池發展現狀以及發展趨勢的重要內容。

2 新能源汽車電池的種類分析

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池雖然已經很成熟了，但由于它的成本低廉，并且可以進行高功率的放電，所以它仍然是目前國內僅有的一種可以大規模量產的電池。北京奧運期間，共有20臺電動車為奧運運輸服務，其中包括鉛酸蓄電池。然而，由于鉛酸電池的能量、比功率、能量密度等因素，使得電動車的速度和續航能力都不高。

2.2 鎳鎘電池和鎳氫電

鎳鎘電池和鎳氫電池盡管比鉛酸電池要好，但是它也含有大量的重金屬，一旦丟棄，就會對環境產生污染。鎳氫電池已經步入成熟階段，是目前經過驗證并商業化的混合動力電池系統，占到了99%的市場份額，豐田公司的普銳斯就是其中的代表。世界上最大的汽車動力電池制造商是日本的PEVE和Sanyo，PEVE在世界范圍內占有85%的Hybrid動力車用鎳氫燃料電池，豐田公司的Prius，Alphard，Estima，本田公司的Civic，Insight等都是使用PEVE鎳氫動力電池。在我國，長安杰勛、奇瑞A5、一汽奔騰、通用君悅等品牌的轎車，都在試駕，雖然都是使用鎳氫電池，但大部分都是從國外進口的，而國產的鎳氫電池，則還在研發中。

2.3 鋰離子電池

常規的鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池等電池，其技術已相當成熟，但用于汽車電池的使用卻是一個很大的問題。在新能源汽車上，很多廠商都將其用作動力電池。由于鋰離子電池具有較高的工作電壓（比氫-鎳電池高3倍）；比能量高（高達165WH/kg，為氫鎳電池的3倍），體積較小，重量較輕，使用壽命較長，自放電率較低，不會產生內存和環境污染。當前制約鋰離子電池發展的主要障礙是：安全性、電池管理體系等。在安全性能上，鋰離子電池能量密度高，工作溫度高，工作環境惡劣，使得電池的安全性越來越高。在車輛動力電池的管理系統中，由于電動汽車的工作電壓為12V或24V，而單一的動力鋰離子電池為3.7V，所以需要多個電池串聯起來才能增加電壓，但是由于電池很難進行均勻的充放電，所以會造成多個電池組的電池充放電不平衡，造成電池的充放電問題，比如充電不足，放電過多等。

2.4 磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰也屬于鋰離子電池，它的能量比值只有鈷酸鋰的一半，但它具有很高的安全性，可重復使用2000次，放電穩定，價格低廉，因此成為汽車動力的新選擇。

2.5 燃料電池

燃料電池是一種利用燃料和氧化劑中的化學能直接轉換成電能的能源。燃料和空氣被分別送入燃料電池，從而產生電力。表面上看起來像是一個電池，但實際上，它并不是用來儲存電能的，而是用來發電的。燃料電池最有希望應用到車輛上的是質子交換膜燃料電池。其工作原理是：向負電極輸送氫氣，通過催化劑（鉑），使氫中的兩個電子被分離，由正電極吸引，由外部電路形成電流，而失去電子的氫（質子）可以通過質子交換膜（即固態電解質），在正電極上再次與氧和電子結合成水。因為氧氣是從空氣中獲取的，所以只要持續向負極供給氫氣，并且及時地將水分（蒸氣）抽走，那么燃料電池就會持續地為其供電。由于燃料電池是通過直接將化學能轉換成電能，在此過程中不需要通過燃燒過程，所以它不會受到卡諾周期的約束。當前燃料電池的能源轉化效率為45%-60%，而核能和燃煤的30%-40%。

3 電動車新能源電池發展現狀分析

目前，新能源電池的種類越來越多，電池種類也越來越多，電池應用過程中出現問題的概率也比較高。在新能源汽車中，電池是必不可少的設備。而在混合動力汽車中，常規的發電機和蓄電池都可以作為車輛的動力，在這個結構中，蓄電池是主要的動力。在汽車低速行駛或者汽車啟動的過程中，蓄電池是驅動系統產生動能的關鍵，在汽車重要的加速階段，蓄電池的作用下降到輔助形式，或者在汽車運輸減速階段，蓄電池就需要持續的存儲能量。

3.1 型鎳氫電池

堿性電池是用鎳和堿溶液進行點解而成，其中鎳氫電池是三種類型的電池。這是因為在使用過程中，鎳氫電池不會對環境造成任何的污染，同時還會產生更多的能源。而鎳鋅電池卻不能長時間的使用，因為它的能量會隨著時間的推移而消耗殆盡。目前，人們已采取了一些有效的方法來解決這個問題，比如利用充電器來恢復電能、在電解質中添加緩蝕劑等。目前，我國電力工業使用的主要能源技術是鎳氫電池。鎳氫電池是一種由多種元素組成的合金，其中也包含了鎳、錳等元素。鎳氫電池和鉛酸電池相比，鎳氫電池的能量要比鉛酸電池高得多，而且在功率上也要高出許多。鎳氫電池技術的發明有：工作電壓、比能量、比功率、過充、放電、熱等優點。

3.2 鋰離子電池

該類型的電池采用常規結構，由石墨陽極、金屬鋰離子、有機溶劑溶解溶液構成。在日常生活中，我們最常用的就是碳作為陽極，而電解質則是碳酸乙烯和碳酸二甲酯。該方法的正極是以二氧化錳酸鋰為負極。這是由于這種鋰離子電池具有更輕的重量、更高的壓力和更多的存儲能量。

3.3 鉛酸電池

該電池采用單質鉛作為負極，二氧化鉛陽極，并在濃硫酸中進行充放電。整個充電、放電全靠正極和負極電極與電解質之間的化學反應而實現。鉛酸電池是目前電動車行業中最常用的一種，因為這種電池的技術比較早，技術比較成熟，而且這種電池的生產工藝比較先進，成本也比較低，但最大的問題是，它的污染很嚴重，而且體積也很大，這就制約了這種電池的進一步使用。

3.4 汽車電池發展現狀

新能源汽車的銷售也在不斷增長，從2011年的0.35GW到2020年的63.6GW。在中國，寧德時代，比亞迪，LG化學，中航鋰電，國軒高科，松下，億緯鋰能，瑞浦能源，力神電池，孚能科技，都排在了前十位。寧德時代在2020年的全年裝機量達到31.79吉瓦小時，在全國范圍內占據了50%的市場；比亞迪汽車全年裝機9.48吉瓦，在全國范圍內占據了14.9%的份額。據國家能源局統計，目前中國電力車輛的動力電池裝機中，三元鋰和磷酸鐵鋰占54%，占總裝機的40%。

磷酸鐵鋰電池最大的優點就是它的內部分子在750～800攝氏度的高溫下分解，從而大大減少了遇到碰撞、短路等惡劣環境時起火甚至爆炸的可能性。但其最大的缺陷在于其具有顯著的熱損耗，且在較低的溫度下，其充放電性能和電池本身的容量都會大大下降。而三元鋰電池，其能量密度高，可達280Wh/kg；但由于三元鋰電池的耐熱性較差，當溫度超過200℃時，電池的內部物質就會迅速地解體，因此當汽車發生碰撞時，三元鋰電池很容易造成二次損傷，如起火、爆炸。這兩種類型的電池都有其固有的缺陷，從而使其在使用過程中出現了許多問題。

3.5 電池能量密度小

能量密度小，續航時間短，成為了制約動力電池甚至電動車發展的最大障礙。據工信部統計，2020年我國汽車動力電池總裝機的能量密度將達到350Wh/kg，大大降低了12000Wh/kg的能耗。所以，必須提高電動車的續航里程；從最初的30kWh的電池，到目前為止，已經有100kWh的電動汽車投放市場。比如吉利最新的純電動車“極氪001”，以及蔚來蔚來ET7，它們的NEDC總里程都超過了700公里。

但是，當電池容量增大時，不僅會使汽車的造價提高，也會使整車的重量增大，從而對汽車的性能產生不利的影響。就拿2021款比亞迪唐來說吧，EV四驅高性能版本的總重量是2455公斤，而燃油版僅為1895公斤。

3.6 SOC參數的計算精度不高

“SOC”的全名為“State of Charge”，表示蓄電池的充電狀況，也稱為“剩余電量”，表示蓄電池在放電后的剩余電量與其充分充電時的電量之比。由于電池在工作中的非線性特性，使得SOC的精確計算變得非常困難。盡管幾十年來，電動車技術發展迅速，但是目前的各種電池SOC計算方法的準確性還不能滿足汽車的需求。同時，由于車輛運行狀態的復雜性，使其剩余續駛里程的計算變得越來越不精確，這也是很多消費者在使用電動汽車時所擔心的問題。

3.7 電池循環回收利用系統不健全

由于電池充電和放電次數增多，其損耗特性決定了其使用壽命遠遠小于汽車，因此，其報廢率遠遠高于電動車。當前，我國的電池剩余價值評價體系和完善的回收機制，無論是在國家和企業層面，都沒有形成一套行之有效的評價機制。在今后幾百萬個廢舊動力電池中，從當前的情況來看，要實現徹底的無害化是很困難的。廢棄的動力電池如果處理不好，不但會造成環境污染，還會造成資源的浪費，這與我國發展電動車的初衷背道而馳。

4 新能源汽車理想電池的特性與展望

目前，鋰離子電池已經成為了世界上最先進的電池技術代表之一，它的性能也在不斷提高。一種理想的汽車動力電池應該具有：充電器功能齊全、充電周期短、體積小、重量輕、蓄能長、使用壽命長、電池性能穩定、安全性好、維修簡單、原材料充足、價格低廉。以上的預期并非是幻想，在技術層面上，這些都是可以實現的。

4.1 大批量的制造生產

隨著人們的生活水平和環境保護意識的不斷提高，對綠色交通的認識和堅持越來越多，汽車排放的污染越來越受到關注。新能源汽車市場前景廣闊，而新能源汽車的核心技術是動力電池，它的應用領域更加廣泛，再加上相應的技術支撐，可以實現大規模的量產。隨著生產技術的不斷智能化，將智能制造技術運用到電力電池生產企業，已成為電力行業的重要發展趨勢。研究開發、生產、試驗流程的優化，是改善生產效率、改善產品品質的關鍵，并對生產流程進行分析，發現生產流程與生產流程的關系，從而達到生產規模，降低人力物力成本，增加經濟效益。

4.2 公司之間的合作選擇

在全球經濟快速發展的今天，國有企業與民營企業的合作已成為必然，新能源汽車的動力電池也必須順應時代的發展，與其進行商業上的合作。在國家有關政策的指引下，汽車制造研發企業應加強與國內外企業的溝通、加強溝通、優化資源配置、交流經驗、分享資源、分享信息等，將會大大加快電池技術的研發進度、產品品質、推動新能源汽車的發展與進步，同時還可以在充電設施、電池原材料、電池性能維護等領域進行商業合作，也可以全面推進新能源汽車動力電池應用和發展。

4.3 電池技術開發為重點

當前，新能源汽車的動力電池正處于快速發展的階段，但是由于其存在的不足，對其產生了一定的沖擊與爭論。為了確保新能源汽車的平穩、快速發展，汽車廠商應加強對電池技術的研發和應用，使電池在性能、儲能、適用性、安全性等方面得到有效的應用。重視對新能源汽車的市場調查，掌握其使用、銷售、消費的需要，力求在實現零排放、環保的基礎上，不斷地提升汽車的使用壽命，以滿足客戶的需要。

4.4 電池使用安全問題

由于現如今人們的物質水平逐漸提升，電車使用的成本本身比較低，安全問題一直是電車使用者的重點關注內容。在未來電車電池的技術研發和推廣過程中，安全是電車電池技術研發的基本前提。在這一點上，磷酸鐵鋰的優勢顯而易見。所以在此之前，我們看到了不少新能源汽車自燃，大部分都是三元鋰電池車，但卻沒有一個人受到傷害，因為它的正極耐受溫度高達800攝氏度，著火的條件也比較苛刻，而且持續的時間也比較長，所以司機有足夠的時間逃跑。

從化學性質上來說，三元鋰電池的充電速度要快得多，因為三元鋰電池的充電速度要比三元鋰電池快得多，但如果電壓太低，三元鋰電池的充電效率也會下降。這也是為什么很多汽車廠商都選擇了磷酸鐵鋰作為燃料電池的原因，因為磷酸鐵鋰電池不僅可以滿足這些要求，還可以降低成本，而且還不是稀有的稀有金屬，不會被西方國家和其他國家的壟斷，而且還能滿足國家的能源戰略轉型，用不了多久，磷酸鐵鋰就會占據很大的優勢。

5 結語

綜上所述，在我國保護環境的大背景之下，我國的汽車行業迎來了新的變革和轉型。越來越多新能源汽車走入到大眾的生活中，也體現了全新的汽車發展模式，而新能源汽車的發展依賴于全新的電池技術研發和推廣，了解新能源電池的常見類型以及電池使用中可能存在的問題，進一步了解新能源汽車未來的發展趨勢和特點，為人們的生活帶來全新的轉變。而這些有關于新能源汽車電池的相關內容和信息，也值得新能源汽車從業者的重點關注和了解，這些都關乎到未來我國汽車科技社會的發展。

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