動力電池的技術(shù)標準現(xiàn)狀與趨勢

江衛(wèi)軍

1.前言

早期的電動車曾經(jīng)在18世紀末到19世紀初非常流行，當時采用鉛酸電池，只能行駛大約48km的距離。后來內(nèi)燃機技術(shù)迅猛發(fā)展，因此電動車一直沒有發(fā)展起來。從20世紀末開始，石油危機和環(huán)境污染的問題使得人們認識到發(fā)展電動車的重要性。當時發(fā)展比較成熟的鎳氫電池能量密度也比鉛酸電池有較大幅度提高，因此，在20世紀末開始出現(xiàn)混合動力車（Hybrid Electric Vehicle，簡稱HEV）。最典型的就是1997年豐田公司上市的普銳斯（Prius）。但在最近10年，由于高能量密度的鋰離子電池技術(shù)獲得迅猛發(fā)展，各種電動車的開發(fā)再次成為熱點，包括純電動車（Battery Electric Vehicle，簡稱BEV），輕度混合的HEV和重度混合的PHEV（Plug-in HEV）等。

動力電池作為電動車上的儲能裝置，其性能對整車具有重要影響，是電動車上最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，其能量密度、循環(huán)特性、安全性能對整車的經(jīng)濟性、動力性和安全性都具有重要影響。因此，動力電池一直以來都是電動車科研和標準化的研究重點。就目前而言，鋰離子電池是實現(xiàn)商業(yè)化最被看好的動力電池。因此，本文主要討論鋰離子電池及其材料的相關(guān)技術(shù)標準狀況。

2.材料的相關(guān)技術(shù)標準

鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)化始于20世紀90年代初，具有體積小，能量密度和功率密度高、環(huán)保性好、充放電效率高、自放電小等優(yōu)點，首先在手機通訊、筆記本電腦、數(shù)碼相機等消費類電子產(chǎn)品獲得廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰離子電池開始在電動工具，電動自行車、電動車和航空航天、軍事等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

鋰離子電池的主要組成是正極、負極、電解質(zhì)溶液和隔膜。在我國鋰離子電池行業(yè)剛開始的發(fā)展時期，電池里面的各種關(guān)鍵原材料都依靠進口。隨后，國內(nèi)也發(fā)展起來了相關(guān)的原材料企業(yè)，并且逐步取代了進口原材料。這時各種原材料的相關(guān)標準也開始逐步制定出來。全國有色金屬標準化委員會與中信國安盟固利電源技術(shù)有限公司負責完成了鋰離子電池中的關(guān)鍵原材料之一鈷酸鋰正極材料的國家標準GB／T 20252—2006《鈷酸鋰》的起草和制定工作。隨后還完成了鋰離子動力電池正極材料錳酸鋰的行業(yè)標準YS／T 677—2008《錳酸鋰》制定，及正極材料鎳酸鋰的國家標準GB／T 26031—2010《鎳酸鋰》的制定。鋰離子電池的石墨負極材料標準GB／T 24533—2009《鋰離子電池石墨類負極材料》主要是深圳貝特瑞新能源材料股份有限公司完成制定的。另外一個關(guān)鍵材料電解質(zhì)鹽和電解液的標準分別是HG／T 4066—2008《六氟磷酸鋰和六氟磷酸鋰電解液 第1部分：六氟磷酸鋰》和HG／T 4067—2008《六氟磷酸鋰和六氟磷酸鋰電解液 第2部分：六氟磷酸鋰電解液》。另外，還有一些關(guān)鍵材料的測試方法的標準也相繼制定出來，包括GB／T 19282—2003《六氟磷酸鋰產(chǎn)品分析方法》、GB／T 23365—2009《鈷酸鋰電化學(xué)性能測試 首次放電比容量及首次充放電效率測試方法》、GB／T 23366—2009《鈷酸鋰電化學(xué)性能測試

放電平臺容量比率及循環(huán)壽命測試方法》、GB／T 23367.1—2009《鈷酸鋰化學(xué)分析方法 第1部分：鈷量的測定 EDTA 滴定法》、GB／T 23367.2—2009《鈷酸鋰化學(xué)分析方法 第2部分：鋰、鎳、錳、鎂、鋁、鐵、鈉、鈣和銅量的測定 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法》等。

由于技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，其他各種電池材料，諸如磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰三元材料、鈦酸鋰等的相關(guān)標準目前也在制定過程中，并將在最近1～2年內(nèi)完成頒布。

3.電池的相關(guān)技術(shù)標準狀況

根據(jù)鋰離子電池的發(fā)展歷程，國內(nèi)的相關(guān)標準最早出現(xiàn)在手機行業(yè)，如GB／T 18287—2000《蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》。該標準是中國電子科技集團公司第十八研究所等單位負責起草的，主要對電池的容量、電壓、高溫低溫放電等基本性能以及熱沖擊、跌落、過充、短路等安全性能進行了標準規(guī)范。

但作為電動車用的動力電池，由于需要大量的單體電池進行串聯(lián)、并聯(lián)成組，而且車輛運行條件、運行工況不同于普通的單節(jié)電池。大量的電池成組后將儲存大量的能量。如果電池組在遇到短路、擠壓、碰撞、高溫、潮濕等極端情況下，有可能會出現(xiàn)燃燒爆炸等問題。因此制定相關(guān)的標準來合理科學(xué)評價動力電池的安全、可靠性能是非常有必要的。

最早的動力電池國家相關(guān)標準有：GB／T 18332.1—2001《電動道路車輛用鉛酸蓄電池》、GB／T 18332.2—2001《電動道路車輛用金屬氫化物鎳蓄電池》、GB／T 18333.1—2001《電動道路車輛用鋰離子蓄電池》和GB／T 18333.2—2001《電動道路車輛用鋅空氣蓄電池》。隨后根據(jù)實際情況北方汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗鑒定試驗所等單位在2006年修改制定了動力電池的汽車行業(yè)標準QC／T 744—2006《電動汽車用金屬氫化物鎳蓄電池》、QC／T 743—2006《電動汽車用鋰離子蓄電池》、QC／T 742—2006《電動汽車用鉛酸蓄電池》、QC／T 741—2006《電動汽車用超級電容器》。從2001年的國家標準和2006年的行業(yè)標準來看，兩者的區(qū)別主要有：（1）2006年的行業(yè)標準更加明確了單體和成組（模塊）的不同，并將試驗項目也以此來劃分。（2）行業(yè)標準參考了國內(nèi)的相關(guān)標準、國內(nèi)動力電池的技術(shù)水平及實際應(yīng)用特性，比2001年的國家標準項目要求更加嚴格苛刻。（3）由于各個模塊的一致性極大影響著電池組整體性能的發(fā)揮，行業(yè)標準還將電池模塊的各種試驗結(jié)果進行一致性的分析。（4）行業(yè)標準對安全性能評價方面增加了更多的測試項目和要求。原來的國家標準中只有過充過放等幾項簡單的要求。而2006年的行業(yè)標準參考了國際上的IEC 62281、UL 1642、UN 38.3《聯(lián)合國危險物品運輸試驗和標準手冊》、美國USABC的EV車用電池測試手冊、美國Freedom CAR項目的HEV車用電池測試手冊等安全測試要求，因此安全可靠性更高。

另外，由于最近兩年鋰離子動力電池在電動自行車領(lǐng)域也獲得了較快的發(fā)展，電動自行車等產(chǎn)品用鋰離子電池（組）也在2011年被列入了輕工業(yè)行業(yè)標準的制定工作計劃中。

4.今后的發(fā)展趨勢

目前的動力電池技術(shù)水平還無法完全滿足市場的需求。今后，動力電池將通過采用低成本的原材料和優(yōu)化制作工藝來降低成本、采用高能量密度的正負極材料來增加一次充電的行駛里程、采用更高安全性的關(guān)鍵材料和優(yōu)化設(shè)計來改善電池的安全性能。因此，今后的電池材料和相關(guān)技術(shù)都還將不斷發(fā)展和進步。新的材料和技術(shù)的出現(xiàn)必將形成新的技術(shù)標準。因此相關(guān)的技術(shù)標準工作將繼續(xù)跟著行業(yè)的發(fā)展在關(guān)鍵材料的標準、電池模塊的標準、動力電池的回收標準等方面不斷完善。