新能源汽車電池發(fā)展?jié)摿εc未來(lái)趨勢(shì)探索

韋增欣　黃海東　袁功林

摘 要：全球不斷增長(zhǎng)的能源需求和環(huán)境污染問(wèn)題形成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，使新能源汽車備受社會(huì)矚目。新能源汽車關(guān)鍵三要素（動(dòng)力電池、電驅(qū)、電控）等相關(guān)科學(xué)問(wèn)題的研究和發(fā)展是該領(lǐng)域的中心課題，特別是動(dòng)力電池在高密度、續(xù)航能力、循環(huán)壽命等方面的進(jìn)展和突破急需亟待解決?，F(xiàn)以新能源汽車電池為切入點(diǎn)，深入剖析了電池的現(xiàn)狀，進(jìn)一步研究了電池新型材料的創(chuàng)新趨勢(shì)，包括鈉離子電池替代鋰、四元以上電池以及負(fù)極材料的突破，為新能源汽車的不斷創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展提供了積極助力。

關(guān)鍵詞：新能源汽車 動(dòng)力電池 新型材料 可持續(xù)發(fā)展

1 引言

在全球不斷增長(zhǎng)的能源需求和加劇的環(huán)境污染問(wèn)題下，新能源汽車成為國(guó)際社會(huì)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的焦點(diǎn)。新能源汽車以其環(huán)保、高效、可持續(xù)的特性，成為解決方案的重要組成部分。然而，新能源汽車的興起不僅依賴于非傳統(tǒng)能源的利用，更關(guān)鍵的是創(chuàng)新的動(dòng)力裝置技術(shù)。

電池技術(shù)作為新能源汽車的核心，關(guān)鍵性能如能量密度、充電速度、壽命和穩(wěn)定性、成本、安全性、資源供應(yīng)以及環(huán)境影響等方面仍面臨重大挑戰(zhàn)。其中，電池能量密度直接關(guān)系到新能源汽車的續(xù)航里程，因此提高電池的能量密度成為當(dāng)前亟需解決的問(wèn)題。同樣，快速充電技術(shù)的發(fā)展對(duì)提高用戶體驗(yàn)至關(guān)重要。

電池的壽命和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整車的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，解決電池組件在不同環(huán)境下的性能穩(wěn)定性成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。而電池成本一直是新能源汽車普及的制約因素，需要提高電池的制造效率、降低原材料成本，尋找更經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)工藝。

電池安全問(wèn)題是關(guān)注的焦點(diǎn)，包括防止過(guò)熱、過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題以及電池在交通事故中的安全性能。此外，電池生產(chǎn)所需的稀有金屬和材料的供應(yīng)問(wèn)題，特別是鈷、鋰等元素的資源稀缺性，對(duì)電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。

電池的生產(chǎn)、使用和廢棄對(duì)環(huán)境都有一定的影響，因此實(shí)現(xiàn)電池生產(chǎn)和回收的環(huán)?；?，減少對(duì)環(huán)境的不良影響是未來(lái)努力的方向。

本文著眼于新能源汽車電池的現(xiàn)狀，對(duì)電池的正負(fù)極材料進(jìn)行深入探討，并研究了其發(fā)展?jié)摿臀磥?lái)趨勢(shì)，為新能源汽車產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供新的方案，為新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻(xiàn)。

2 動(dòng)力電池系統(tǒng)

新能源汽車動(dòng)力電池的核心材料主要包括正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)等。本文主要研究在正、負(fù)極材料。

2.1 正極材料迭代創(chuàng)新

正極是電池的關(guān)鍵部分，其性能直接影響到電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等參數(shù)。根據(jù)正極材料中金屬元素的種類數(shù)量，可以將正極分為一元、二元、三元、四元以上（含四元）等多種類型。

2.1.1 一元電池

一元電池是指具備單一電化學(xué)反應(yīng)的電池系統(tǒng)。其工作特點(diǎn)在于在整個(gè)工作過(guò)程中只涉及一種電化學(xué)反應(yīng)來(lái)釋放能量以供應(yīng)電流。在放電時(shí)，電子從負(fù)極（陽(yáng)極）向正極（陰極）移動(dòng)，產(chǎn)生電能；而在充電時(shí)，電子沿反向路徑移動(dòng)，將電能存儲(chǔ)回電池。

鉛酸電池和鎳氫電池是一元電池的常見類型。鉛酸電池的正極主要由二氧化鉛（PbO2）構(gòu)成，而鎳氫電池的活性物質(zhì)包括NIOOH、Ni（OH）2等，正極都只含有一種金屬元素或其氧化物。

盡管一元電池具有技術(shù)簡(jiǎn)單、安全性高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度相對(duì)較低。此外，一元電池還存在容量衰減、溫度依賴性強(qiáng)等問(wèn)題，因此需要進(jìn)行改進(jìn)以提高性能。

2.1.2 二元電池

二元電池是指具備兩種電化學(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生和儲(chǔ)存能量的電池系統(tǒng)。鋰離子電池是典型的二元電池，其內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)涉及到鋰離子在負(fù)極（陽(yáng)極）和正極（陰極）之間的移動(dòng)。在充電時(shí)，鋰離子從正極移動(dòng)到負(fù)極，儲(chǔ)存能量；而在放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極移回正極，釋放能量以供應(yīng)電力。鋰離子電池包括氧化錳鋰（LiMO2）、氧化鈷鋰（LiCoO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、氧化鎳鋰（LiNiO2）等，還有硫化物鋰硫電池（Li-S）。其中磷酸鐵鋰電池在新能源汽車領(lǐng)域展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。其耐高溫性和安全性出色，不燃燒且循環(huán)壽命較長(zhǎng)，適用于對(duì)電源穩(wěn)定性和人員安全要求較高的場(chǎng)景。然而，磷酸鐵鋰電池的能量密度相對(duì)較低，可能在輕量化和高能量密度要求較高的應(yīng)用中顯現(xiàn)劣勢(shì)。此外，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制造和維護(hù)難度較大[4-5]。

二元電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、便攜設(shè)備和儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有良好的能量密度和相對(duì)較長(zhǎng)的使用壽命。然而，這類電池仍面臨一些挑戰(zhàn)，包括成本、安全性和循環(huán)壽命等問(wèn)題。隨著科技的進(jìn)步，這些挑戰(zhàn)有望在未來(lái)得到解決，使得二元電池的技術(shù)更加成熟和可靠。

未來(lái)的研究和發(fā)展可能集中在提高二元電池的能量密度、降低生產(chǎn)成本、提高安全性、延長(zhǎng)循環(huán)壽命等方面。這將有助于推動(dòng)電動(dòng)交通、便攜設(shè)備和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為可持續(xù)能源應(yīng)用提供更加可靠的能源存儲(chǔ)解決方案。

2.1.3 三元電池

三元電池通常指的是具有三種活性材料的電池，其中較為典型的是鎳錳鈷（NMC）電池。在NMC電池中，鎳（Ni）、錳（Mn）和鈷（Co）按特定比例混合，例如Li（Ni1/3Mn1/3CO1/3）O2、（Ni2/5Mn2/5CO1/5）O2、（Ni1/2Mn3/10CO1/5）O2等，被用于電池的正極。其中三元鋰電池作為新能源汽車的主流電池之一，具有較高的能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、低自放電率等優(yōu)勢(shì)，使其成為電動(dòng)汽車領(lǐng)域的首選。然而，三元鋰電池在高溫下可能出現(xiàn)安全隱患，且相對(duì)較高的成本也是其劣勢(shì)之一。盡管不斷的研發(fā)努力正在改善其高溫性能和成本問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需綜合考慮這些因素[5-7]。

NMC電池的優(yōu)勢(shì)在于其在鎳、錳和鈷的比例靈活可調(diào)，可以根據(jù)需要優(yōu)化電池性能，包括提高容量和充放電速度，并同時(shí)保持較高的穩(wěn)定性。NMC電池不僅在提供卓越性能方面有所幫助，同時(shí)也有助于降低電池的成本。然而，安全性、溫度管理以及資源短缺等問(wèn)題仍需不斷改進(jìn)和創(chuàng)新。

三元電池代表了電池技術(shù)的一步進(jìn)步，其高能量密度和靈活性使其成為電動(dòng)汽車、便攜設(shè)備等領(lǐng)域的重要選擇。隨著科技的不斷發(fā)展，對(duì)三元電池的研究將有望進(jìn)一步解決其存在的挑戰(zhàn)，推動(dòng)電池技術(shù)的不斷演進(jìn)。

2.1.4 四元以上電池探究

元素周期表中相鄰元素具有相近的半徑和價(jià)態(tài)特性，因此通過(guò)更換正極或負(fù)極材料，可以發(fā)掘新的電池結(jié)構(gòu)和正極材料。例如鈉、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、錳、鈦、釩、鉻等元素具有巨大的潛力，比如一種名為“Fe-Ni-Co-Mo”的多元金屬氧正級(jí)材料，具有較高的容量和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，可以有效地抑制副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高電池的安全性和穩(wěn)定性。不斷優(yōu)化新元素的重組和配比，迭代開發(fā)新的電池類型，為電池行業(yè)帶來(lái)更大的可能性。

盡管這些新型正級(jí)材料在實(shí)驗(yàn)研究階段顯示出潛力，但尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，需不斷優(yōu)化新元素的重組和配比，迭代開發(fā)新的電池類型，將為電池行業(yè)帶來(lái)更大的可能性，代表了電池技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅?、更安全可靠的能源存?chǔ)解決方案的追求。實(shí)際應(yīng)用中，這些元素可能會(huì)用于正極或負(fù)極的材料，具體取決于其化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1.4.1 鈉（Na）

鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，將工作中的鉀離子替換為鈉離子。由于鈉元素儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉，具有較高的能量密度，有望成為替代鋰的理想元素，因此可能降低電池制造成本，提高電池性能，為電動(dòng)汽車提供更具競(jìng)爭(zhēng)力的能源解決方案。

2.1.4.2 鎂（Mg）

鎂被研究用于電池，可作為正極或負(fù)極材料，應(yīng)用于鎂離子電池。鎂離子電池的研究目標(biāo)是提高電池的能量密度，并尋找可再生且成本較低的材料。

2.1.4.3 鋁（Al）

鋁被視為一種有潛力的正極材料，特別是在鋁離子電池中。鋁離子電池具有較高的能量密度和相對(duì)較低的制造成本，有望成為新型能源存儲(chǔ)解決方案。

2.1.4.4 鋅（Zn）

鋅通常用于鋅空氣電池等，作為負(fù)極材料。鋅空氣電池以鋅作為負(fù)極具有一定優(yōu)勢(shì)，是一種有望應(yīng)用于能源存儲(chǔ)的技術(shù)。鋅液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用可能為能源存儲(chǔ)提供一種可行的技術(shù)。

2.1.4.5 鈣（Ca）

鈣目前在一些電池中被考慮作為正極材料，盡管應(yīng)用較為有限。鈣離子電池的研究處于研究階段，未來(lái)可能解決某些問(wèn)題后應(yīng)用范圍擴(kuò)大。

2.1.4.6 鐵（Fe）

鐵儲(chǔ)量豐富，無(wú)毒性，氧化物價(jià)廉，在市場(chǎng)上用磷酸鐵鋰（LifePO4）用做正極材料，市場(chǎng)占有率較高，提供一種相對(duì)成熟的正極材料，已經(jīng)在市場(chǎng)上取得成功。

2.1.4.7 釩（V）

釩比鉻和錳價(jià)格低廉，是多價(jià)金屬元素，可生成多種氧化物，是鋰離子正極材料的發(fā)展前景之一。釩液流電池有望提高電池性能，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程。

2.1.4.8 鉻（Cr）

鉻的氧化物（Cr2O5、Cr3O8、Cr6O15等）具有高價(jià)態(tài)，可以考慮將其做成正極。鐵鉻液流電池的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用可能為電動(dòng)汽車提供一種可行的能源存儲(chǔ)解決方案。

現(xiàn)在三元系電池在新能源汽車市場(chǎng)中占據(jù)著主導(dǎo)地位，而磷酸鐵鋁電池則在其后迅速發(fā)展。同時(shí)，其他正極材料正經(jīng)歷著加速的研究和商業(yè)化應(yīng)用推廣。然而，新能源汽車電池在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，依然面臨一系列挑戰(zhàn)，包括提高能量密度、延長(zhǎng)循環(huán)壽命以及確保可持續(xù)資源供應(yīng)等問(wèn)題。

為解決這些挑戰(zhàn)，正積極投入深入研究，致力于推動(dòng)電池技術(shù)的進(jìn)步。在提高電池能量密度方面，著重追求高比能，通過(guò)正極材料的不斷創(chuàng)新，從高電壓鎳基材料到高鎳、超高鎳和富鋰錳基材料的逐步演進(jìn)，為電池提供更高容量和更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

另一方面，降低電池成本仍然是電池技術(shù)研究的重要方向。在這個(gè)領(lǐng)域，磷酸鐵鋰正極材料成為研究的焦點(diǎn)，作為磷酸鐵鋰材料的迭代升級(jí)產(chǎn)品，旨在提供更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的解決方案。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，各種新穎的電池設(shè)計(jì)不斷涌現(xiàn)，包括刀片電池、大圓柱電池以及電池到系統(tǒng)（CTP）、電池到底盤（CTC）、電池到車身（CTB）等結(jié)構(gòu)的嘗試，旨在提高電池及其系統(tǒng)的能量密度和安全性。

新材料的引入和應(yīng)用也為電池技術(shù)的不斷發(fā)展提供了新的動(dòng)力。富鋰錳基正極材料和磷酸錳鐵鋰材料等新材料的使用，進(jìn)一步增強(qiáng)了磷酸鐵鋰類電池的能量密度。

2.2 負(fù)極材料替換升級(jí)

負(fù)極材料在新能源電池中扮演關(guān)鍵角色，直接影響能量密度、循環(huán)壽命和整體穩(wěn)定性。以下是對(duì)負(fù)極材料研究的主要方向：

2.2.1 石墨材料

石墨作為傳統(tǒng)負(fù)極材料，因其優(yōu)越導(dǎo)電性和可逆容量而備受推崇。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和表面進(jìn)行改良，旨在提高性能。引入氮摻雜石墨烯等新型材料，具有高比表面積和卓越電子導(dǎo)電性，以提高電池能量密度和充放電效率。

2.2.2 硅基材料

硅基材料因其高比容量備受關(guān)注，但體積膨脹一直是商業(yè)應(yīng)用的制約因素。研究方向包括通過(guò)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)合材料應(yīng)用解決硅材料的膨脹問(wèn)題，以提高循環(huán)壽命。

2.2.3 錫基合金材料

錫基合金由于高理論容量和低成本備受期待，但溶解問(wèn)題限制了實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前研究集中在尋找涂層和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改善錫基合金的循環(huán)穩(wěn)定性。

2.2.4 鈦酸鋰的安全性

鈦酸鋰因其卓越安全性備受矚目。未來(lái)研究可能包括通過(guò)合成方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高電化學(xué)性能，以更廣泛應(yīng)用于電池系統(tǒng)。

2.2.5 其他新型負(fù)極材料

碳纖維、鎂基合金等新材料的涌現(xiàn)豐富了負(fù)極材料的選擇。它們不僅提高比容量，還為滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景和性能需求提供更多可能性。

負(fù)極材料的研究致力于平衡能量密度、循環(huán)壽命和安全性，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和材料選擇推動(dòng)新能源電池技術(shù)不斷進(jìn)步，為電動(dòng)汽車提供更先進(jìn)的動(dòng)力電池技術(shù)支持，從而推動(dòng)清潔、可持續(xù)的能源選擇。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)梳理了新能源汽車的現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及主要障礙，旨在揭示新能源電池的發(fā)展?jié)摿臀磥?lái)趨勢(shì)。電池技術(shù)的創(chuàng)新是推動(dòng)新能源汽車發(fā)展的核心，主要集中在提高電池能量密度和性能穩(wěn)定性的方向。正極材料方面，高電壓鎳基材料逐步演進(jìn)至超高鎳和富鋰錳基材料，提供了更高容量和更穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的可能性。同時(shí)，新型正極材料的探索致力于降低電池成本。鈉離子電池作為鋰離子電池的替代方案，具備資源豐富、成本低和安全性高的優(yōu)勢(shì)，雖仍需克服挑戰(zhàn)，但有望在更廣泛范圍內(nèi)應(yīng)用。負(fù)極材料方面，從傳統(tǒng)石墨到硅基負(fù)極和鋰金屬負(fù)極的創(chuàng)新轉(zhuǎn)變旨在提高電池能量密度和解決循環(huán)過(guò)程中的挑戰(zhàn)。新材料的引入，如氮摻雜石墨烯、錫基合金等，為負(fù)極材料性能提升提供了新可能性。通過(guò)這些創(chuàng)新將為電動(dòng)汽車提供更先進(jìn)的動(dòng)力電池技術(shù)支持，助力未來(lái)出行實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)、清潔的能源選擇。

注：本文由廣西科技基地和人才專項(xiàng)基金支持（編號(hào)：AD22080047）。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔勝民.新能源汽車技術(shù)解析[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2021.

[2]麻友良.新能源汽車動(dòng)力電池技術(shù)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2016.

[3]徐艷民.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池及電源管理[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.

[4]李哲.純電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].清華大學(xué)，2011.

[5]周嫣.三元鋰電池在新能源汽車上的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2020年10月第19卷第4期.

[6]彭憶強(qiáng)，蘆文峰，鄧鵬毅，王洪榮，馬媛媛，徐磊，何波，楊麗蓉. 新能源汽車“三電”系統(tǒng)功能安全技術(shù)現(xiàn)狀分析. 西華大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2018年1月第37卷第1期.

[7]王相宇.基于鋰電池技術(shù)演化的新能源汽車業(yè)技術(shù)整合創(chuàng)新問(wèn)題研究[J]. 中國(guó)集體經(jīng)濟(jì)（科技創(chuàng)新），2022年03期.