探討新能源汽車電池類型現狀及發展趨勢

應祺煜

摘 要：隨著全球氣候變化和環境問題日益嚴重，新能源汽車已成為未來可持續交通發展的重要方向。電池作為新能源汽車的核心組成部分，其性能、安全性、成本及壽命等方面會直接影響到新能源汽車的市場接受度和整體發展。結合針對當前新能源汽車電池類型現狀的探析，汽車行業仍需加大研發與創新力度，從而進一步助推新能源汽車可持續發展，并創造更大的生態效益與經濟效益。

關鍵詞：新能源汽車 電池類型 現狀 發展趨勢

1 引言

當前，新能源汽車電池市場呈現出多種類型并存的局面。鋰離子電池因其高能量密度、長壽命和快速充電等優點成為主流選擇，固態電池、鎳氫電池、超級電容器等也存在各自的適用領域。然而，這些電池在技術成熟度、成本和市場接受度等方面仍面臨諸多挑戰，需隨技術變革和市場需求的變化持續進行創新與突破，以實現能源更高效的利用。

2 新能源汽車電池類型介紹

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池是最早應用于新能源汽車的電池類型，具有成本低、穩定性好等優點，同時也存在能量密度低、充電次數少等缺點。鉛酸電池主要由正極、負極和電解液構成，還包括連接線、外殼、端子、電池蓋、電池槽等結構（如圖1所示）。其中，正極活性物質主要成分為二氧化鉛（PbO2），呈棕紅色；負極活性物質主要成份為絨狀（海綿狀）純鉛，呈深灰色[1]，電池內部還需要隔板等構造將正、負極板互相絕緣，以防止正負極接觸短路，保證各個部分能夠正常工作的同時又能相錯工作。

當前在新能源汽車上，鉛酸電池主要用于為低壓電器供電和作為輕型車的動力電池。2021年，鉛酸蓄電池在上述功能的合計市場占比超過70%，中國鉛酸蓄電池企業全球市場份額為42.0%，為全球最主要的消費市場之一，且增速高于全球。2020年，在國內電動輕型車鉛蓄動力電池的市場，天能股份行業市場占有率排名第一，市場占有率已超過40%，行業前六家企業的市場份額合計77.5%。此外，2022年中國鉛酸蓄電池出口數量為2.16億個，同比增長9.09%，出口金額為39.03億美元，同比增長9.08%。

隨著行業增速放緩、競爭壓力加大，以及愈發嚴苛的環保政策，鉛酸行業會受到更大的沖擊并進入行業整合期。

2.2 鎳鎘電池和鎳氫電池

鎳鎘電池在能量密度和充電次數上優于鉛酸電池，但含有重金屬，對環境有一定影響，在新能源汽車中的應用情況較少。

相比之下，鎳氫電池具有更好的性能，且更加環保。鎳氫電池是混合動力汽車所用電池體系中唯一被實際驗證并被商業化、規模化的電池體系，現有混合動力電池99%的市場份額為鎳氫動力電池[2]。全球主要的汽車動力電池廠商如日本的PEVE和Sanyo，占據全球Hybrid動力車用鎳氫電池85%的市場份額。在我國，長安杰勛、奇瑞A5、一汽奔騰、通用君悅等品牌轎車已經在示范運行，均采用的鎳氫電池。

2.3 鋰電池

鋰電池是目前應用最廣泛的新能源汽車電池類型，具有高能量密度、長壽命、環保等優點，但成本較高。按照正極材料的不同劃分，包括三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池；按電解液狀態不同劃分，包括液態鋰離子電池、聚合物鋰離子電池、半固態鋰離子電池、全固態鋰離子電池；按照電池的形狀劃分，包括方形鋰電池、圓柱形電池、軟包鋰電池。新能源汽車常見的電池中不僅會包含鋰電池，還會包括電池管理單元、電芯監控單元、電池包上蓋、熱管理系統等結構單元（如圖2所示），這些結構單元雖然拉低了整個電池包的能量密度，但提升了電池包的安全性。

目前，三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池是新能源汽車中最常用的鋰電池類型。三元鋰電池的單體能量密度在200-300Wh/kg之間，包體能量密度在160-200Wh/kg，具有較高的能量密度和適中的成本，因此被廣泛應用于純電動汽車和混合動力汽車中。而磷酸鐵鋰電池的單體能量密度在150-160Wh/kg，雖然能量密度較三元鋰電池低，但其安全性較高，壽命較長，成本較低，因此也被廣泛應用于純電動汽車和混合動力汽車中。

三元鋰電池是一種以鎳鈷錳酸鋰為主要成分的鋰電池，具有高能量密度、長壽命、環保等優點，但成本較高。

三元鋰電池在新能源汽車中主要用于乘用車型。在早期的市場中，三元鋰電池的能量密度高、低溫性能好、壽命長，因此具有較高的市場占有率。在2016年之前，中國的新能源汽車市場中，三元鋰電池的市場份額超過50%。然而，隨著新能源汽車市場的快速發展和技術的不斷進步，三元鋰電池的應用情況和市場占有率也在發生變化。一方面，由于三元鋰電池的原材料鈷、鎳等價格的上漲以及電池回收利用等問題，三元鋰電池的成本逐漸上升，影響了其在市場中的競爭力。另一方面，隨著磷酸鐵鋰電池技術的不斷進步和成本的降低，磷酸鐵鋰電池在新能源汽車市場中的份額逐漸上升。

目前，中國的新能源汽車市場中，三元鋰電池的市場份額已經下降到約30%左右。不過，隨著技術的進步和政策的不斷調整，三元鋰電池的應用情況和市場占有率仍將發生變化。

隨著技術的不斷進步和新能源汽車市場的不斷擴大，鋰電池在新能源汽車領域的應用越來越廣泛。據統計，2021年全球鋰離子電池市場規模達到545GWh，中國占據了超一半的市場規模。

同時，中國動力電池產能約占全球的70%，世界前十的鋰電池生產廠家中就有6家中國企業身影[3]。因此，可以看出鋰電池在新能源汽車市場中占據相當大的份額，并隨著新能源汽車市場的不斷擴大和技術的不斷進步，鋰電池的市場占有率還將繼續上升。

2.4 燃料電池

燃料電池是一種通過氫氣和氧氣反應產生電能的電池類型，具有高能量密度、環保、充電時間短等優點，但其技術成熟度不夠且成本較高。目前最為成熟的燃料電池之一是質子交換膜燃料電池（PEMFC），在質子交換膜燃料電池中，氫氣在陽極上發生氧化反應，生成質子和電子。同時，氧氣在陰極上發生還原反應，接收電子和質子，并和電子形成水（如圖3所示）。質子交換膜燃料電池具有高能量密度、低溫啟動、無污染等優點。

相比其他電池，燃料電池汽車具有高效率和低污染的特點，并且燃料電池汽車加氫時間短，這些優勢使得燃料電池汽車在新能源汽車領域具有較大的市場潛力，當前在新能源汽車領域的應用也已經取得了一定的進展。全球主要汽車制造商均在積極研發燃料電池汽車，并建設加氫站等配套設施。中國、日本和韓國是全球燃料電池汽車市場的主要推動者，其中日本是全球最早發展燃料電池汽車的國家之一，而中國和韓國也在近年來加快了燃料電池汽車的研發和推廣[4]。據統計，2021年全球燃料電池汽車銷量超過1.6萬輛，同比增長9.0%。其中，中國市場銷量超過3000輛，同比增長28.7%。

當前燃料電池汽車的主要市場在公共交通和商業運輸領域，如公交車、出租車和貨車等。

2.5 石墨烯電池

石墨烯電池是一種利用石墨烯材料制作的新型電池，具有高能量密度、充電速度快、長壽命等優點，但其制備難度較高且成本較高。后者導致石墨烯電池在集多類型優點的情況下仍然市場占有率不高，其技術成熟度和產業化方面仍需進一步發展[5]。

在中國石墨烯應用領域中，新能源電池占比最大，達71.4%。然而，目前鋰電池仍是新能源汽車中最常用的電池類型，隨著技術的不斷進步和成本的降低，未來石墨烯電池的市場占有率有望逐步提升。

3 新能源汽車電池的發展趨勢

3.1 高能量密度

電池的能量密度是指電池的能量與其體積或重量之比。提高電池的能量密度有助于增加電池釋放的能量，從而提升新能源汽車的續航里程，，減少充電次數和時間，提高使用便利性，這是新能源汽車技術的一個重要發展方向。

然而，提高電池的能量密度并非易事，其中仍有諸多技術難題亟待解決。例如，高能量密度電池由于能量大，對包括過熱、過充等安全隱患更加敏感。因此，在追求高能量密度的同時，還要密切關注電池的安全性能和穩定性。除了電池能量密度的因素，新能源汽車的續航里程還受到其他因素的影響，如：車輛設計、車身重量、駕駛習慣、道路狀況等。因此，僅僅依靠提高電池能量密度并不能完全解決新能源汽車續航里程的問題，還需同時考慮其他因素，確保新能源汽車的安全性和穩定性。

3.2 輕量化

電池的重量對于新能源汽車的性能和續航里程具有重要影響。在新能源汽車中，電池通常占據了相當一部分的車輛重量。因此，輕量化電池技術的發展對于提高新能源汽車的性能和續航里程具有重要意義。

輕量化電池能減少車輛的整體重量，從而降低能源消耗，提高續航里程。此外，輕量化電池還能提高車輛的加速性能和制動性能，提升駕駛體驗[6]。目前，一些新型的輕量化電池技術正在不斷發展，如：鋰硫電池、固態電池等。這些新型電池技術具有更高的能量密度和更輕的重量，可以進一步改善新能源汽車的性能和續航里程。

然而，輕量化電池技術的發展也面臨著一些挑戰。例如，輕量化電池的強度和穩定性會受到影響，為確保電池的安全性能和使用壽命，必須在降低電池重量的同時不影響電池的強度。此外，輕量化電池的制造成本也需進一步降低，以使其更具市場競爭力，保證輕量化電池在行業未來發展中得到更廣泛的應用。

3.3 快充技術

快充技術的發展是電池技術發展中的另一個重要趨勢。對于消費者來說，補能時間也是影響新能源車使用的重要因素，新能源汽車的充電時間越短，使用越便利。快充技術可以提升消費者的使用體驗。目前，如高電壓快充、超級快充等快充技術已經得到了廣泛應用，在更短的時間內為新能源汽車補充大部分能量，大大縮短了充電時間。但快充技術的發展依舊面臨著諸多挑戰，如高電壓和大電流會產生大量的熱量，進而導致能量損失，這部分散熱問題和能效問題都是影響快充向更快發展的絆腳石；另一方面，快充對電池的壽命和熱安全的影響也需進一步研究和改進。

工程師們為解決這些問題提出了新型的快充技術，如：無線充電、激光充電等，這些新技術能提高充電效率和安全性，進一步縮短充電時間。

3.5 智能化管理

通過智能化管理，車輛能更有效地管理和控制電池的充放電過程，提高電池的利用率和安全性，延長電池的使用壽命。

智能化電池管理系統包括對電池的電量、溫度、電流、電壓等參數進行實時監測和調控，確保電池在最佳狀態下工作[7]，也包括預測電池的性能和壽命，提前維護、更換，避免電池過充、過放或過熱等問題，提高電池的安全性。

智能化電池管理系統的發展需要依賴先進的傳感器、通信和控制技術。通過集成這些技術，工程師可實現對電池的遠程監控和管理，提高電池的管理效率和使用便利性。

3.6 可持續性

隨著環保意識的提高，未來電池的發展將更加注重環保和可持續性，使用可再生能源和回收利用廢舊電池等環保措施將成為電池發展的重要方向之一。

使用可再生能源能為電池生產可在電池生產的全生命周期中提供更加環保的能源選擇，減少對化石燃料的依賴，降低碳排放。例如利用太陽能、風能等可再生能源用于生產電池所需的電解液、電極等材料，從而實現更加環保的生產過程。

回收利用廢舊電池也是未來電池發展的重要趨勢之一。通過有效的回收利用廢舊電池，電池廠商可減少電池生產過程中對原材料的需求，降低開采和生產過程中的環境破壞和資源浪費。此外，回收利用廢舊電池還能為新能源汽車的可持續發展提供支持，有助于降低環境污染，對各類資源高效利用，推動新能源汽車產業的可持續發展。

4 結語

在新能源汽車領域，電池技術的進步是推動整個行業發展的關鍵因素。雖然鋰離子電池是當前行業的主流選擇，但電池仍存在諸多難點，如能量密度、電池壽命、安全性、成本等多個方面的影響。新型電池技術的研發和商業化應用也將為新能源汽車產業的發展注入新的活力。未來，隨著電池技術的不斷創新和突破，以及政府政策、市場需求等多方面因素的推動，新能源汽車電池市場將呈現出更加多元化、智能化的趨勢，結合我國汽車產業的不斷創新與突破，推動我國汽車科技社會的穩定發展。

參考文獻：

[1]侯俊.新能源汽車動力電池的維護與保養[J].汽車與新動力，2022，5（06）：94-96.

[2]曾思慧.基于循環經濟視角的新能源汽車動力電池回收利用分析[J].中國資源綜合利用，2022，40（12）：94-96.

[3]黃達.我國新能源汽車動力電池回收現狀及對策[J].綜合運輸，2022，44（12）：20-22.

[4]李紹圓.淺析新能源汽車動力電池統一標準化運營[J].中國標準化，2021，（24）：138-140.

[5]張清郁.新能源汽車動力電池安全問題分析及解決對策[J].科技創新與生產力，2021，（12）：73-74+77.

[6]蘇曉楠.基于專利分析的新能源汽車電池發展研究[J].南方農機，2020，51（24）：166-167.

[7]王震坡，袁昌貴，李曉宇.新能源汽車動力電池安全管理技術挑戰與發展趨勢分析[J].汽車工程，2020，42（12）：1606-1620.