新能源汽車動力電池應用現(xiàn)狀及發(fā)展

范成君

廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院 廣東省廣州市 511434

動力電池是新能源汽車的核心部分，也是后者與傳統(tǒng)燃油汽車進行區(qū)分的主要部分。目前多種動力電池被應用于新能源汽車之中，解決了最基本的安全問題、續(xù)航問題、充電問題，但是在這些方面依舊無法完全令人滿意，還有不小的探索發(fā)展空間，值得就相應的應用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢展開研究。

1 新能源汽車動力電池概述

新能源汽車是通過各種新能源生成電力并以電池作為動力源的汽車。新能源汽車的動力電池主要可劃分為化學電池、物理電池以及生物電池三大類。化學電池即以物質的化學反應生成電能的電池，并可根據(jù)工作性質劃分為原電池、蓄電池、燃料電池、儲備電池等；物理電池即借助物理能量生成電能的電池，如太陽能電池、超級電容器等；生物電池即基于生物化學反應生成電能的電池，包括微生物電池、酶電池等。動力電池本身具有極高的電能以及輸出功率，完全能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃油汽車的動力裝置。新能源汽車動力電池需要在電動勢、開路電壓、額定電壓、工作電壓、終止電壓、電池容量、內阻、標稱能量、實際能量、比能量、能量密度、功率、容量效率、能量效率、自放電率、放電速率、放電深度、使用壽命等方面達到一定的指標要求，而且需要滿足比能量高、比功率大、充放電效率高、相對穩(wěn)定性好、使用成本低、安全性好等基本優(yōu)勢。不過動力電池安全性與能量要求較高，這導致目前新能源汽車中動力電池的應用尚處于探索階段，還有巨大的發(fā)展前景。

2 新能源汽車動力電池的應用現(xiàn)狀

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池早在1859年就已經發(fā)明問世，并已經成為內燃機汽車的重要動力源?？傮w來看，鉛酸蓄電池作為新能源汽車動力電池具有電壓較高、價格低廉、高倍率放電性能好、高低溫性能好、電能效率超過60%、易于識別荷電狀態(tài)、價格低廉等，不過也有著比能量低、使用壽命短、充電時間長、存在重金屬污染等缺陷。因此鉛酸蓄電池并不適合作為電動轎車的動力電池，而是多作為速度不高、路線固定、充電站設立易規(guī)劃的車輛的動力電池。不過近年國內研制開發(fā)的電動汽車用新型水平極板鉛酸蓄電池是將極板進行水平放置，這與傳統(tǒng)的垂直極板放置方式不同，能夠有效避免活性物質脫落與電解液分層，能夠促進氧復合以及提升電池充電效率、循環(huán)壽命。水平極板鉛酸蓄電池10min持續(xù)比功率達到了80W/kg，快速充電性能實現(xiàn)了3C電流下充電20min電池容量能達80%以上，75min可充滿電。鉛酸蓄電池快速充電的方法包含脈沖式充電法、變電流間歇充電法、變電壓間歇充電法等。對鉛酸蓄電池的荷電狀態(tài)進行估計，通?？刹扇》烹妼嶒灧?，即在恒定電流條件下連續(xù)放電后，以放電電流與時間的乘積計算剩余電量。該方法極為可靠，不過花費時間較長，而且必須中斷蓄電池正在進行的工作。因此在實踐中還可采取安時計量法、開路電壓法、負載電壓法、電化學阻抗頻譜法、內阻法、線性模型法、神經網(wǎng)絡法、卡爾曼濾波法等合適的方法，對鉛酸蓄電池荷電狀態(tài)進行估計。

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池主要由正極、負極、極板、隔板、電解液等所組成。鎳氫電池放電時負極金屬氫化物會被氧化并生成金屬合金，而正極的則會被還原并生成氫氧化鎳。而在鎳氫電池充電時，其化學反應則會反過來。鎳氫電池一般可根據(jù)形狀分為方形與圓形，其具有比功率高、循環(huán)次數(shù)多、無污染、耐過充過放、無記憶效應、使用溫度范圍廣、安全性強等優(yōu)勢。目前鎳氫電池的研制開發(fā)受到了全世界范圍內各國的重視，我國2020年鎳氫電池市場資產規(guī)模達到了81.45億元，同時科研人員通過研發(fā)開發(fā)出了寬溫域型、長壽命型、高容量型等適用于不同情況的寬溫鎳氫電池，使得鎳氫電池在電動汽車中的應用具有一定優(yōu)勢，可謂是目前新能源電動汽車中技術最成熟的方案之一。鎳氫電池的荷電狀態(tài)估計一般采取神經網(wǎng)絡法或卡爾曼濾波法。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池作為新型高能蓄電池，其本身具有電壓高、比能量高、充放電壽命長、無污染、充電速度快、安全性高等優(yōu)勢，較為適合作為新能源汽車的動力電池。鋰元素作為原子相對質量小、得失電子能力強、電子轉移比例高的元素，是僅次于氫元素的動力電池能量載體。鋰離子電池中正極材料是鋰元素的載體，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰等，而負極材料則主要發(fā)揮存儲轉移后的鋰離子的作用。鋰離子電池的優(yōu)勢極為明顯，同時也是新能源汽車動力電池技術攻關的重點。鋰離子電池充電效率極高，十分接近100%，同時不會造成環(huán)境污染，自放電率低，可實現(xiàn)快速充電，作為新能源汽車動力電池十分合適。不過目前鋰離子電池在新能源汽車中的應用還面臨著成本較高的挑戰(zhàn)，同時必須做好過充保護以免出現(xiàn)安全隱患。目前新能源汽車中鋰離子電池的充電方法主要可根據(jù)電池最高電壓或溫度進行終止，當充電過程中鋰電池電壓或溫度達到閾值時就會停止恒流充電狀態(tài)。不同鋰離子電池的特性有所差異，廣泛體現(xiàn)在多個層面。其中鈷酸鋰電池循環(huán)次數(shù)為500～1000次，電壓范圍為3.0～4.5v，安全性能較差，使用溫度為-20～55℃，價格為30.3萬/噸，容量為135～150mAh·g-1，質量比能量為150～200Wh·kg-1，往往具有安全性差、價格高昂、壽命短等劣勢，故而多應用于電子設備，不會應用于新能源汽車；錳酸鋰電池的循環(huán)次數(shù)為500～2000次，電壓范圍為3.0～4.3v，安全性能良好，適用溫度為不超過50℃，價格為6萬/噸，容量為100～120mAh·g-1，質量比能量為130～180Wh·kg-1，其劣勢為耐熱性較差，同時能量密度偏低，故而主要適用于小型車；磷酸鐵鋰循環(huán)次數(shù)為2000～6000次，電壓范圍為3.2～3.7v，安全性能良好，適用溫度為-20～75℃，價格為15.4萬/噸，容量為130～140mAh·g-1，質量比能量為130～160Wh·kg-1，其優(yōu)勢在于安全性好、成本低，而劣勢則為能量密度偏低，主要適用于大巴、商用車等新能源汽車；三元鋰的循環(huán)次數(shù)為800～4000次，電壓范圍為2.5～4.6v，安全性能尚好，適用溫度為-20～55℃，價格為17.2萬/噸，容 量 為155～220mAh·g-1，質量比能量為180～240Wh·kg-1，具有綜合性能好的優(yōu)勢，故而在新能源乘用車中被廣泛應用。

2.4 超級電容器

超級電容器作為一種電荷的儲存器，其能夠實現(xiàn)快速充放電，同時比功率可高達1kw/kg，循環(huán)壽命可達10萬次，工作時無污染、無噪聲，質量輕且體積小，穩(wěn)定性與安全性良好。不過超級電容器的比能量較低，這意味著其無法單獨作為新能源汽車的動力電池，往往只能作為輔助電源。超級電容器的核心技術為雙層電容技術，即電極上的極化電極在電壓作用下會使得電解質分子重新排列，進而于兩個電極表面形成雙層電容，能夠實現(xiàn)對電能的有效存儲。超級電容器與傳統(tǒng)蓄電池相比，其在功率性能方面的優(yōu)勢較為突出。目前新能源汽車中普遍存在電池與超級電容器混合能量系統(tǒng)，能夠通過超級電容器輔助電池的應用，讓電池設計將重心放在比能量、循環(huán)壽命等重點性能上而無需擔心比功率的限制。

3 新能源汽車動力電池的發(fā)展前景

3.1 探索應用新型電池

3.1.1 鈉硫蓄電池

鈉硫蓄電池作為具有比能量高、充放電轉化率高、循環(huán)壽命長、成本低廉、無污染等優(yōu)勢的電池，其在新能源汽車中具有一定的應用價值，不過卻面臨著高溫腐蝕、安全可靠性差等挑戰(zhàn)，因而目前并沒有廣泛應用，還需探索更加安全、穩(wěn)定的應用模式。

3.1.2 空氣電池

空氣電池同樣是化學電池的一種，其構造和干電池較為類似，只不過其氧化劑是空氣中的氧?？諝怆姵匾话闶且匝鯕庾鳛檎龢O的活性物質，而負極則為各種金屬，如鋅、鋁等。空氣電池的充電過程只需要對金屬介質進行更換，就能在短時間內完成充電過程，一般只需要數(shù)分鐘。而其放電過程則能實現(xiàn)大電流持續(xù)放電，同時自放電率接近零。另外空氣電池還具有比能量大、性能穩(wěn)定、安全性強等優(yōu)勢，也存在對空氣濕度與二氧化碳等影響因素極為敏感的問題。鋁空氣電池在新能源汽車領域有著極為廣闊的應用前景，不過目前還存在不小的技術瓶頸，需要在未來不斷進行創(chuàng)新研發(fā)，從而提高續(xù)航能力、循環(huán)使用壽命以及降低產品重量、生產成本等，更好地適應未來行業(yè)發(fā)展。鋁空氣電池在工作時會通過鋁和空氣中的氧發(fā)生化學反應并放電，并能依靠其極高的比能量為新能源汽車提供更大的續(xù)航里程。實際上即便在目前鋁空氣電池受技術限制較為嚴重，但其應用于新能源汽車中能提供的續(xù)航里程依舊高于鋰電池，可見其未來發(fā)展前景之巨大。國外不少企業(yè)已經在緊鑼密鼓地推進鋁空氣電池在新能源汽車上的應用試驗，譬如美國鋁業(yè)公司和以色列Phinergy公司、印度石油公司與以色列Phinergy公司等就分別曾宣布合作開發(fā)鋁空氣電池。我國則早在上世紀90年代就已經開發(fā)出了以鋁、空氣、海水等為能源的空氣電池，并在新能源汽車研發(fā)進程中積極探索鋁空氣電池的應用路徑，大力布局相應的產業(yè)鏈，諸如云鋁集團、空天科技均是其中的代表性公司。不過目前鋁空氣電池在新能源汽車中的應用尚未取得明顯突破，仍需在續(xù)航能力、充電速度等方面加強研發(fā)。

3.1.3 飛輪儲能器

飛輪儲能器主要由轉子系統(tǒng)、電機、輸入/輸出電路、真空室等部分組成。其中轉子系統(tǒng)包含飛輪以及支撐兩部分，飛輪形狀多樣，包含單層圓柱狀、多層圓柱狀、紡錘狀、傘狀等，而支撐則可根據(jù)實現(xiàn)方式分為超導磁懸浮支撐、點磁懸浮支撐、永磁懸浮支撐、機械支撐等不同形式。飛輪儲能器的電機，一般會采取永磁同步電機。由于電機功耗受多方面因素如電樞電阻、渦流電流、磁滯損耗等，因而飛輪儲能器中的電機一般會選用無鐵定子、釹鐵硼永磁鐵。至于輸入/輸出電路則是整個系統(tǒng)的控制元件，是將儲能器中的電能與機械能進行轉換的關鍵部分。至于真空室則是提供真空環(huán)境以及屏蔽事故的關鍵部分，是確保飛輪儲能器運行安全和穩(wěn)定的部分。飛輪儲能器雖然具有儲能效率高、比功率大、可使用壽命長、受外界溫度影響小等優(yōu)勢，但是目前相關技術并不成熟，同時成本較為高昂，安全隱患較大，還需要在未來探索其在新能源汽車中的應用路徑。

3.1.4 燃料電池

純電動汽車是新能源汽車中具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ念愋?。然而純電動汽車目前最大的問題在于無法像傳統(tǒng)燃油車一樣在短時間內完成燃料加注，目前較為成熟的各種動力電池均難以平衡快速充電、續(xù)航里程、比效率等之間的關系。而燃料電池作為將燃料所具有化學能直接轉化為電能的電池，其只需要通過氫氣與來自空氣中的氧發(fā)生反應并生成電能即可。在新能源汽車領域，燃料電池的應用不僅能為汽車提供動力，還能像燃油汽車加油一樣快捷、方便地完成氫燃料的加注。不過目前燃料電池研發(fā)水平偏低，成本較為高昂，整個產業(yè)鏈不夠完善，存在上游純氫制備技術不成熟、大規(guī)模海水制氫技術待突破、氫的儲存運輸成本過高等問題，還需要不斷加以優(yōu)化和完善方能真正應用到新能源汽車之中。

3.2 市場需求量大

近年來，新能源汽車市場蓬勃發(fā)展，規(guī)模持續(xù)增長。作為新能源汽車核心的動力電池自然收到了廣泛關注，大量消費者都對新能源汽車的續(xù)航里程、充電時間、安全性等十分重視，極為關注動力電池的發(fā)展。在巨大的市場需求之下，動力電池的研發(fā)、應用自然有著極為利好的條件。而且新能源汽車動力電池作為消費品的性價比優(yōu)勢會逐步體現(xiàn)，同時滲透率會有所提升、儲能行業(yè)迎來突破，使得動力電池在未來長達十幾年內的需求可能維持在25%以上的高復合增速狀態(tài)，前景極為廣闊。我國以寧德時代為首的動力電池企業(yè)不僅在國內占據(jù)著重要作用，在國際競爭中也占據(jù)著一定優(yōu)勢，能夠憑借國際訂單的支持進一步推動動力電池市場的擴張。

3.3 產業(yè)政策支持到位

新能源汽車動力電池的規(guī)模、持續(xù)、良好發(fā)展，離不開產業(yè)政策的支持。目前我國高度重視新能源汽車產業(yè)的發(fā)展，自然對相關產業(yè)尤其是動力電池產業(yè)極為關注。近年來，全國各個地區(qū)關于新能源汽車動力電池產業(yè)的政策數(shù)量逐步增加，并且廣泛覆蓋了戰(zhàn)略規(guī)劃、行業(yè)規(guī)范、補貼與投資、電池回收等領域，為產業(yè)健康發(fā)展提供了有力支持?？梢灶A見的是，隨著整個行業(yè)的不斷發(fā)展，相關產業(yè)政策支持力度會進一步加大，政策數(shù)量會持續(xù)增加，政策利好條件也會明顯改善。

3.4 專利技術水平穩(wěn)步提升

技術是推動新能源汽車動力電池整體質量與水平不斷提升的關鍵。而專利技術的申請情況，能夠在一定程度上反映行業(yè)技術發(fā)展情況。自2014年以來，我國動力電池專利申請數(shù)量快速增長，而且這一增長趨勢較為明顯，2021年包括蜂巢能源、比亞迪、國軒高科、寧德時代、恒大新能源等在內的一系列企業(yè)均申請了大量動力電池相關專利，數(shù)量分別為878項、525項、489項、327項、272項。在動力電池技術不斷突破的未來，這一趨勢必然會在較長時間內持續(xù)下去，為整個行業(yè)的健康、良好發(fā)展提供必要的技術支持以及規(guī)范保障。

4 結語

綜上可知，新能源汽車行業(yè)的發(fā)展離不開動力電池的支持。目前動力電池產業(yè)雖然已經能夠為新能源汽車行業(yè)規(guī)模化、市場化發(fā)展提供支持，但無法充分發(fā)揮新能源汽車的優(yōu)勢，在續(xù)航里程、充電速度、安全性等方面還難以令人滿意，尚需在技術、政策、行業(yè)規(guī)范等方面不斷探索，進而為新能源汽車行業(yè)的健康、良好發(fā)展帶來更多可能性。