電動汽車鋰離子電池發展前景

鐘強

【摘要】電動汽車鋰離子電池的推廣是當前國家推動戰略性新興產業的熱點，也是解決地球能源危機的未來之路。由于電動汽車和燃油汽車相比具有巨大的優勢，加上人們在動力鋰離子電池的研究開發和安全性方面已經取得了長足的進步，電動汽車時代的到來將越來越快。

【關鍵詞】電動汽車，鋰離子電池，安全性

【中圖分類號】TM912 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）04-0099-01

地球環境的不斷惡化和能源的持續緊缺是當今人類面臨的兩大問題。近年來，發達國家已經投入了大量的資金和人力去研究開發節能環保的電動汽車技術，試圖解決或緩解這些與環境和能源有關的問題。隨著全世界石油資源的逐步枯竭和汽車尾氣對環境污染的日益嚴重，純電動車（EV）或混合電動車（HEV）以及相應動力電源的研究、開發及其應用得到迅速發展。當前，純電動車或混合電動車主要使用傳統化學電源如鉛酸和鎳氫電池作為驅動能源，但是它們使用壽命短，而目廢舊電池容易造成環境污染；同時，鋰離子電池具有體積能量比和重量能量比高、電壓高、自放電率低、無記憶效應、循環壽命長等優點，是一種“綠色環保”的二次能源電池，因此鋰離子電池具有取代鉛酸和鎳氫電池作為電動車能源的絕對優勢。鋰離子動力電池的開發及其應用成為人們目前的關注熱點。從中國鋰電池行業的發展來看，國務院通過了《“十二五”國家戰略陛新興產業發展規劃》，把發展戰略性新興產業作為推動經濟發展方式轉變、緩解當前經濟運行下行壓力、保持經濟長期平穩較陜發展的重要手段。

人們現在清楚地認識到，高能量密度的動力電池作為電動車關鍵技術之一，其進展已經成為左右今后電動汽車的重要因素。目前，二次電池中比較成熟的有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子電池，應用比較廣泛的是鉛酸電池和鎳氫及鎳鉻電池。但是，由于鉛酸電池和鎳氫及鎳鉻電池能量密度低，電池內存在有毒的重金屬化學元素，因此這些電池在電動汽車上無法得到普及應用。鋰正極的鋰離子二次電池能量密度達到120Wh·kg-1以上，是鉛酸和鎳氫及鎳鉻電池的2至3倍，循環壽命是現行二次電池體系中最長的，高達1000次以上。另外，鋰離子電池內不含有毒的化學元素，且回收技術簡單，越來越多的人把電動汽車用電池的未來寄托在了鋰離子電池上。

近幾年的一些報道表明，人們在動力鋰離子電池的研究開發方面已經取得了一些進展，電動汽車的批量生產在國內外的多家汽車廠家已經實現，電動大巴和電動小轎車在道路上也已經屢見不鮮。動力鋰離子電池的安全性是人們關心的另一個重要問題。這是因為筆記本計算機和攜帶電話中使用的鋰電池的正極材料在充電狀態下容易釋放出大量氣體和熱量而爆炸或著火。在過去的十多年中，曾有多個國家報道過不少有關鋰電池爆炸或燃燒導致的事故，2006年日本索尼公司被迫召回近一千萬塊筆記本電腦電池的事件，2007年日本松下電池召回四千六百萬塊攜帶電話用鋰電池的事件，使鋰電池的安全性問題再次成為人們關注的焦點。根據報道的鋰離子電池的電化學性能來看，鋰離子電池的正極材料有很多種，主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數鋰離子電池使用的正極材料。該類電池不僅存在安全性方面的隱患，而且電池的輸出功率特性比較差。更重要的是，鈷是一種緊缺的金屬資源，很難確信這是一類能夠滿足今后市場需求的電動汽車用動力鋰離子電池。人們已經比較清楚地了解到尖晶石結構的錳酸鋰在充電狀態下脫鋰氧化物結構十分穩定，用錳酸鋰為正極材料的鋰電池的熱穩定性和安全性要遠遠優于鈷酸鋰正極的二次電池。但是，由于大容量動力電池中儲藏的電能是通常攜帶電話的幾十倍或幾百倍，因此僅僅考慮使用熱穩定的正極材料來解決電池的安全性問題顯然是遠遠不夠的。可以說，與鈷酸鋰體系的小型鋰離子電池相比較，是由于我們的錳酸鋰動力鋰離子電池獨特結構設計和有效的電池管理系統，才使得即使是400Ah和400v的大容量動力電池系統，其安全性也可以有效地得到保證。但即使如此，今后電池安全方面的工作依然是大量的，尤其是需要花時間徹底解決由有機材料構成的隔膜和電解液導致的安全性問題。

電動轎車工作與傳統的燃油汽車相比較，盡管從外觀來看，電動汽車還沒有什么變化，但其結構已經與傳統汽車有了本質的區別。在電動汽車中，高效率的二次電池能源取代了燃油，馬達代替了內燃機，電子信息控制技術取代了機械的控制和操作。簡而言之，電動汽車可以歸納為三大部分，即以鋰離子二次電池為主的能源系統，以電動馬達為主的驅動系統，以及以電子技術為主的控制系統。由試驗車行車測試的實驗結果來看，僅就節能環保來看，電動汽車電能的利用效率很高，充進去的電能幾乎99.9%的可以用來驅動車輛的運行。與電動汽車相反，由于燃油汽車內燃機的燃油效率低下，燃料的大部分都轉化成熱量和廢氣排放到車體外了。以用鋰離子電池能源系統開發的一輛電動轎車為例，它的幾個關鍵技術參數為：加速到達100km的時間15s；行駛100km消耗的電能為十千瓦時。這些數據說明該車的動力性能與同類燃油轎車相當，但運行成本僅相當于燃油車的十分之一。

在西方科技發達國家，近年來在鉛酸以及鎳氫和鎳鉻二次電池基礎上開發出的控制系統和驅動系統技術已經取得了進展，而安全的高能量密度鋰離子二次動力電池技術的突破，使得電動汽車整體技術的實用化由多年的等待成為了現實。鑒于傳統的汽車產業在短期內即可以為電動汽車提供所需要的零部件，而不用油，沒有廢氣排放，沒有噪音的電動汽車或利用夜間多余的電力充電即可，或使用太陽能和風力發電設備產生的電能，因此隨著三大電動汽車尖端技術的進步，在短時間內讓人們接受電動汽車這一新型的節能環保產業是有可能的。現在，由于人們有足夠高的環保意識，電動自行車、電動摩托車、電動船、輕型電動汽車、公共場所的電動載人載貨車等發展迅速。

全球性大規模節能減排運動發展迅速，限制燃油車的廢氣排放是節能減排最重要的內容之一，包括中國在內的一些國家已經宣布要開始采取強制性措施。由于安全可靠的鋰離子二次電池電動汽車技術是最切實可行的節能環保手段，因此預計上述的這些行動都將會大大加速電動汽車產業的發展。