李镢貴，韓民義

(濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 濟(jì)南 250200)

0 引言

目前，環(huán)境污染和能源危機(jī)已成為世界范圍的關(guān)注焦點(diǎn)和亟待解決的問題。隨著新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換政策的出臺(tái)，各行各業(yè)都在緊鑼密鼓地研究開發(fā)新的清潔能源，電動(dòng)汽車這一新型汽車應(yīng)運(yùn)而生。由于電動(dòng)汽車綠色環(huán)保的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)迎合了時(shí)代的發(fā)展，得到了廣泛的推廣應(yīng)用。眾所周知，當(dāng)前電池性能是制約電動(dòng)汽車發(fā)展和普及推廣的“瓶頸”，由于技術(shù)、材料、工藝等多方面客觀因素的限制，電動(dòng)汽車電池在應(yīng)用過程中存在續(xù)航里程短、充電時(shí)間過長等不足，難以完全滿足人們的使用需求，延緩了電動(dòng)汽車發(fā)展和普及的步伐。因此，電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)當(dāng)重視電池應(yīng)用的現(xiàn)存問題，切實(shí)提高電動(dòng)汽車電池性能，為電動(dòng)汽車的快速發(fā)展提供必要的技術(shù)保障。

1 電動(dòng)汽車的發(fā)展過程

電動(dòng)汽車最早誕生于19世紀(jì)初葉，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不夠成熟，沒有引起人們的重視。美國通用汽車公司在1996年利用鉛酸電池技術(shù)研發(fā)電動(dòng)汽車，1999年著手電動(dòng)汽車電池的生產(chǎn)，但也因很多技術(shù)問題，沒有得到行業(yè)的認(rèn)可[1]。21世紀(jì)初, 電動(dòng)汽車得到進(jìn)一步發(fā)展, 此時(shí)的汽車主要?jiǎng)恿﹄姵厣?jí)為鎳氫電池，該電池顯著提高了電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。同一時(shí)期，日本豐田公司也利用鎳氫電池技術(shù)開發(fā)了新一代電動(dòng)汽車,該電動(dòng)汽車是把電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合, 稱為混合動(dòng)力汽車[2], HEV電動(dòng)車能根據(jù)汽車運(yùn)行的實(shí)際情況, 利用轉(zhuǎn)換動(dòng)力能源而達(dá)到減少燃油消耗的目的。2006年鋰離子電池出現(xiàn)，使電動(dòng)汽車電池技術(shù)得到了豐富和進(jìn)一步提升；鋰離子電池的最大優(yōu)勢(shì)是提高了電動(dòng)汽車電池的安全性，成為了鎳氫電池的有力競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，鎳氫電池失去了部分優(yōu)勢(shì)[1]。鋰離子電池因其良好的安全性能，被廣泛應(yīng)用在純電動(dòng)或者混合動(dòng)力車中。

2 電動(dòng)汽車電池的使用現(xiàn)狀

電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件，高性能電池是電動(dòng)汽車穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。電動(dòng)汽車電池存在續(xù)航歷程較短、單次充電所需時(shí)間較長、易發(fā)生自燃甚至爆炸的安全隱患等問題，難以滿足長途出行的需要。

電動(dòng)汽車是以電能作為動(dòng)力源的機(jī)械，電能僅通過汽車的蓄電池供給，電池占整車成本的30%左右，電池和芯片是電動(dòng)汽車兩項(xiàng)最關(guān)鍵技術(shù)，而電池性能將直接影響車輛續(xù)航里程。面對(duì)2020年北方地區(qū)40年難遇的極寒天氣考驗(yàn)，電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程的表現(xiàn)著實(shí)讓車主們大跌眼鏡，交出了一份不合格的“答卷”。

目前，電動(dòng)汽車可用的電池中，應(yīng)用最廣泛的是化學(xué)電池?；瘜W(xué)電池可分為蓄電池和燃料電池兩類[3]。

在電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展的過程中，車企曾經(jīng)嘗試采用多種不同類型的蓄電池，但出于對(duì)成本，技術(shù)和可靠性的考慮，目前絕大多數(shù)蓄電池已經(jīng)被市場(chǎng)淘汰，如鉛酸蓄電池、錳酸鋰電池等。目前，市場(chǎng)上主流的蓄電池主要以鋰離子電池為主，少數(shù)車企采用鎳氫電池，如豐田公司。

2.1 鋰離子電池

鋰離子電池的發(fā)展史并不算長，但40多年前誕生之初，就具有能量密度高、循環(huán)使用壽命長的優(yōu)勢(shì)，成為了目前電動(dòng)汽車上最常用的電池?，F(xiàn)在，電動(dòng)汽車領(lǐng)域普遍配備的鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池鎳氫電池等，不同車用電池的特點(diǎn)也各不相同。

2.1.1 磷酸鐵鋰電池

目前，磷酸鐵鋰電池已在國內(nèi)電動(dòng)汽車中普遍使用，其優(yōu)勢(shì)是安全可靠、循環(huán)充電次數(shù)多，標(biāo)準(zhǔn)充電條件下循環(huán)壽命達(dá)到1 800次以上，并且使用成本低。良好的安全性可使其在390 ℃的高溫下保持穩(wěn)定；現(xiàn)已經(jīng)過嚴(yán)格的安全測(cè)試，不易因過充、溫度過高、短路或在惡劣的交通事故中產(chǎn)生爆炸或燃燒。

其中比較典型的就是比亞迪和戴姆勒集團(tuán)共同生產(chǎn)的騰勢(shì)500電動(dòng)車，用等供電性能下，磷酸鐵鋰的數(shù)量相對(duì)于鋰電池更少。例如騰勢(shì)汽車采用了144節(jié)磷酸鐵鋰電池，比起鋰電池來說，電池的數(shù)量上少了很多，對(duì)于BMS電池管理系統(tǒng)負(fù)擔(dān)要小一些。

2.1.2 刀片電池

刀片電池又稱為超級(jí)磷酸鐵鋰電池，由于它的排布方式就像刀片一樣插入電池包內(nèi)，所以稱為刀片電池。該電池將動(dòng)力電池的電芯加長，使單個(gè)電芯形狀扁平、窄小，可通過多個(gè)“刀片”捆扎形成模組，通過技術(shù)改進(jìn)，與磷酸鐵鋰電池相比，顯著提高電池能量密度。但刀片電池的難點(diǎn)在于生產(chǎn)環(huán)節(jié)，要求在制造過程中保持極高的精度和速度，對(duì)極片的涂布和輥壓工藝提出了很高要求。

刀片電池利用電芯直接組成電池包，減少了模組結(jié)構(gòu)和單體連接線束，提升了封裝效率，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集成化。此外，由于刀片電池形狀的特殊性和材料的穩(wěn)定性，密集排布的刀片電池可以充當(dāng)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)件，進(jìn)一步提升空間利用率。通過該技術(shù)，刀片電池的空間利用率由原來傳統(tǒng)電池的40%提升到60%，其續(xù)航達(dá)到600 km，而且同時(shí)具備高安全、長壽命的優(yōu)勢(shì)。

2.1.3 三元鋰電池

與磷酸鐵鋰電池相比，很多電動(dòng)汽車普遍使用了三元鋰電池，主要是因?yàn)槿囯姵鼐哂心芰棵芏容^高、體重輕、低溫充電性能好和續(xù)航里程更長的優(yōu)勢(shì)；其能量密度為200 Wh·kg-1,即在相同條件下，三元鋰電池的續(xù)航里程要比磷酸鐵鋰電池更長。同時(shí)三元鋰電池還具有低溫性能好、放電倍率高的特點(diǎn)。 但三元鋰電池的不足之處是穩(wěn)定性較差。

2.1.4 鎳氫電池

采用鎳氫電池的車型往往為混合動(dòng)力汽車，其中典型的代表為豐田凱美瑞混動(dòng)。鎳氫電池的一大優(yōu)勢(shì)是穩(wěn)定性比三元鋰電池更高，其能量密度大約為70～100 Wh·kg-1，電池單體電壓通常為1.2 V，僅為鋰電池的1/3左右。因此在系統(tǒng)電壓一定的情況下，其電池組的體積要比鋰電池大很多。而且鎳氫電池在循環(huán)充放電過程中容量會(huì)出現(xiàn)衰減，所以鎳氫電池在控制系統(tǒng)設(shè)定上應(yīng)主動(dòng)避免過度充放電。

2.2 燃料電池

燃料電池是未來理想的清潔能源之一。該類電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置。其原理是將燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，通過化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)車輛。而且，燃料電池用燃料和氧氣作為原料進(jìn)行反應(yīng)的過程，尾氣排放中的有害氣體極少。

但在實(shí)際應(yīng)用中，燃料電池汽車很多技術(shù)亟待解決，目前，燃料電池汽車主要集中在商用車領(lǐng)域。該電池存在的缺點(diǎn)是燃料電池在與化學(xué)電池同樣能量下，體積要大出幾倍，即使像豐田公司，作為燃料電池技術(shù)走在行業(yè)尖端的車企，其量產(chǎn)出的乘用車Mirai的功率也僅為115 kW，國內(nèi)的燃料電池堆如果做到115 kW，體積將會(huì)非常大，普通乘用車的空間難以容納下。所以局限于我國目前的燃料電池技術(shù)，還是主要應(yīng)用于商用車。

3 電動(dòng)汽車電池的未來發(fā)展趨勢(shì)

人類社會(huì)的發(fā)展離不開創(chuàng)新，汽車工業(yè)更是在不斷創(chuàng)新和超越中快速發(fā)展的，新能源汽車就已成為汽車工業(yè)的發(fā)展新趨勢(shì)。近幾年，在國家政策的大力扶持和推動(dòng)下，我國新能源汽車行業(yè)發(fā)展迅猛。新能源汽車保有量從2011年的不到1萬輛增長到了2021年的603萬輛。目前，大多數(shù)汽車企業(yè)也紛紛向新能源汽車轉(zhuǎn)型，并盡力為消費(fèi)者打造優(yōu)于燃油車的新能源產(chǎn)品。作為新能源汽車最重要的零部件，動(dòng)力電池的市場(chǎng)需求也在急速擴(kuò)張。而目前，充電時(shí)間長、電池能量密度小、續(xù)航里程短、低溫續(xù)航衰減快，仍然是用戶使用電動(dòng)車擔(dān)心和焦慮的問題。

如何突破制約電動(dòng)汽車電池發(fā)展的“瓶頸”，已成為業(yè)界不斷開發(fā)和研究的重點(diǎn)。電池制造商也在著力讓電池在不減少電能儲(chǔ)備的情況下變得更輕小。

3.1 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器是一種新型的存儲(chǔ)裝置, 也稱為雙電層電容器。該電容器可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)能與電能的相互自由轉(zhuǎn)換[3]。其基本原理是利用活性炭材料制作成的多孔電極，兩個(gè)電極之間填充電解質(zhì)溶液,當(dāng)在電極兩端施加電壓, 可以使電解質(zhì)溶液形成集電層, 相當(dāng)于串聯(lián)的兩個(gè)電容器。另外, 活性炭表面積比較大, 電解質(zhì)之間的距離小, 致使超級(jí)電容器產(chǎn)生很大的電容量。該裝置具有功率密度高、循環(huán)壽命長、工作溫限寬、免維護(hù)、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，展示出良好的發(fā)展前景。

3.2 石墨烯電池

石墨烯電池被業(yè)界普遍認(rèn)為最有可能取代三元鋰電池的未來主力電池，是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間的活動(dòng)特征，研發(fā)出的新一代電池。石墨烯這種材料的特點(diǎn)是導(dǎo)電性能好、重量輕、強(qiáng)度和韌性好，是非常好的特種新材料。在充電效率方面，石墨烯電池比傳統(tǒng)電池提高了幾十倍以上；使用壽命是鋰電池的兩倍，氫化電池的四倍；重量?jī)H有傳統(tǒng)電池的50%左右。華為在這個(gè)領(lǐng)域宣布過一項(xiàng)電池快充的技術(shù)，僅僅5 min就能將3 000 mAh的石墨烯電池充滿。由于其使用成本過高，目前難以推廣使用。

3.3 疊片工藝提升性能

汽車動(dòng)力電池將朝著長電芯、大模組的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的卷繞方式電芯已經(jīng)不能滿足車規(guī)級(jí)動(dòng)力電芯的形態(tài)要求，取而代之的是疊片工藝特征的電芯，由于疊片電芯尺寸靈活，不受卷繞卷針結(jié)構(gòu)的限制，層疊使極片的界面平整度更高。疊片電池相比同類型卷繞工藝電池，能量密度能提升5%，循環(huán)壽命提升10%，成本降低15%，適合在動(dòng)力電芯領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語

綜上所述，電動(dòng)汽車的發(fā)展和普及是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，隨著國家科技快速發(fā)展，許多新技術(shù)、新工藝、新材料在電動(dòng)汽車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了不斷開發(fā)應(yīng)用，未來電動(dòng)汽車的電池技術(shù)必能突破續(xù)航里程短、充電時(shí)間長、性能不穩(wěn)定等短板，迎來電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的絢麗春天。