純電動汽車用鋰離子電池技術

張曉琳

摘要：在石油能源供需矛盾日益突出，世界各國均致力于溫室氣體減排的大背景下，清潔能源受到世界各國的青睞。目前，全世界汽車廠家紛紛開發并推廣使用電動車，電動車的蓬勃發展及遠大前景，促進了電池技術的發展，世界各大汽車公司紛紛投巨資并采取結盟的方式研究各種類型的電池。電動車可分為純電動車和混合動力車兩種，對于不同的電動車類型，需要配有適合自身需要的儲能裝置。鋰離子電池作為未來電動車的能源，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：電動汽車;清潔能源;鋰離子電池

一、純電動汽車用電池情況概述

電動車對電池的要求目前還沒有具體的標準，一般應滿足如下要求：（1）高容量-以支持一定的續行里程，評價的參數為質量比能量或體積比能量;（2）高功率-能大電流放電，啟動快，加速和爬坡能力強，評價的參數為比功率;（3）單體電池電壓高-減少串聯數量，評價的參數為電壓;（4）循環壽命長、容量衰減率小-降低使用成本，其評價的參數為循環壽命;（5）體積小、重量輕-減輕汽車的負荷和體積，其與評價參數質量比能量或體積比能量相關;（6）免維護、能快速充電;（7）無泄漏、不爆炸-安全性有保障;（8）生產過程無污染、廢棄電池無公害，評價的參數為污染物項;（9）成本低-降低電動汽車的價格，評價的參數為電池的價格。目前還沒有一種電池能完全滿足上述要求，實際選擇電池時，會根據應用情況有側重點地選擇，比如為了提高安全性，一般不選擇高容量、高功率的電池，因為這類電池發熱量大，在電動車實際運行過程中會產生爆炸等危險。

目前，實際在電動車中使用的電池有密封鉛酸蓄電池、鎳-鎘蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池等。

對電池性能來說，能量密度指的是平均單位體積或質量所釋放出的電能;循環壽命指的是在一定放電條件下，電池工作至某一容量規定值之前，電池所能承受的循環次數;安全性是指電池在正常或非正常使用條件下存在的安全隱患;可靠性是指電池在多種操作環境或工作條件下電池放電特性或存貯特定等;使用成本是指電池在使用過程中損耗的成本與因充電等原因所花費的成本之和;環保性是指電池中含有的重金屬、廢酸、廢堿等電解質溶液對環境的污染度。

考慮電動車對電池高能量密度的要求，鋰離子電池被認為是未來最具有發展前景的電動車用電池。鋰離子電池具有電壓高、比能量高、循環性能好和環保性好等特點，越來越廣泛地應用到3C市場領域、電動車和混合型電動車市場領域、軍事用途及空間技術領域。目前鋰離子電池技術在便攜式電子產品應用方面已日趨完善，但是對于電動車用鋰離子電池來說，還需要較長時間的研究，以滿足電動車對電池的要求。

二、純電動汽車用鋰離子電池技術分析

為了系統地反映電動車用鋰離子電池的技術點，按照電動車用鋰離子電池的技術發展方向，主要技術細分為正極材料、負極材料、隔膜和電解質。

（一）正極材料

鋰離子電池正極材料一直是限制鋰離子電池發展的關鍵。和負極材料相比，正極材料能量密度和功率密度低，并且也是引發鋰離子安全隱患的主要原因。尋找熱穩定性較好、能量密度高的正極材料是鋰離子動力電池的關鍵。

正極材料主要有鋰鎳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰錳氧化物、磷酸過渡金屬鋰化合物以及鎳鈷錳三元或鎳鈷、鎳錳和鈷錳二元化合物。正極材料制備方法有固相合成法固相合成法包括高溫固相法、碳熱還原法和微波法等，液相法包括水熱合成法、共沉淀法、溶膠凝膠法等。正極材料的改性方法有表面包覆改性包括碳包覆及摻碳表面改性、碳層和金屬結合的其他包覆層，摻雜改性包括Li位摻雜、Fe位摻雜、P位摻雜等。

（二）負極材料

負極材料主要有碳基負極材料、硅基負極材料、錫基負極材料、不含有錫和硅的鋰合金、鋰金屬負極材料、氮化物負極材料、鈦酸鋰以及多種負極活性材料的混合使用等。

碳基材料技術相對成熟，成本較低，因此各大公司、機構都對碳類材料做了較多的深入研究;錫類材料具有比容量大的優勢，但是也存在循環特性差等缺陷，因此對其的研究不如碳類材料多;而最近由于鈦酸鋰材料在電動車用鋰離子電池負極上應用的崛起，其本身具有的例如循環特性好等優勢，引起了全球的關注，在最近幾年，有關鈦酸鋰材料的專利申請增長很快，但是如果將其應用到電動車用鋰離子電池上也需要克服其導電性差等缺陷。隨著全球保護環境意識的進一步加強、隨著化石能源的日趨緊張，電動車用鋰離子電池負極材料的需求量將進一步增加，而碳基材料、錫基材料、硅基材料、合金材料、氧化物材料都因為其各自的特性決定其發展前景，而對于負極材料的研究也會緊緊圍繞著克服現有材料的缺陷，發揮其優良特性的材料性能改進為主體方向，不斷嘗試其他新型負極材料為大體路線。

（三）隔膜

電動車用鋰離子電池隔膜大致可分為兩類，聚合物隔膜和聚合物/無機材料復合隔膜。聚合物隔膜主要在以下幾個方面進行技術攻關，增強隔膜的機械強度、調整孔隙率、增強導電性、增加隔膜柔性、增加隔膜耐熱性等。復合隔膜主要是在原有聚合物隔膜中和/或之上添加無機顆粒/陶瓷顆粒，從而形成良好的耐熱性和優異的機械強度等優良性能。

電動車用鋰離子電池隔膜領域中，聚合物隔膜仍然占到很重要的位置，針對聚合物隔膜存在電解液浸潤性不足、熔融溫度過低、力學性能較差等缺陷，經常采用隔膜改性的方法來克服上述缺陷。而聚合物/無機材料的復合隔膜也能夠克服上述聚合物隔膜存在的缺陷，并且，由于添加了無機物更能提高隔膜的機械強度以及對電解液的浸潤性等特征。

（四）電解質

電動車用鋰離子電池電解質主要可分為非水電解液和凝膠固體電解質。非水電解液主要涉及添加劑，添加劑的添加以改善電池的高、低溫性能、提高電解液的導電性、促進SEI膜的形成，還有防止電池過充電的添加劑以及大量的阻燃性添加劑。凝膠固體電解質相對于非水電解液來說，最大的特點就是其電解質為非液體形態，以類凝膠狀態存在，如果分子量足夠大，那么會以固體電解質形態存在，而該固體電解質也能起到電池的隔膜的作用，由于省去了隔膜的空間占用，從而能夠起到增加電池比容量的效果，并且，由于采用了非液態電解質，那么就不會被電池中非常普遍的漏液缺陷所困擾，就有可能制造更安全的鋰電池。

非水電解液技術在電動車用鋰離子電池電解液領域處于主導地位，在這一類技術中主要還是非水電解液中添加劑的使用，使用各種添加劑來改變電解液的各種性能，從而能夠得到期望性能的電池。由于凝膠固體電解質相對于非水電解液進一步提高的安全性，因此對于凝膠固體電解質的專注程度明顯增加，但是需要解決的是此類電解質的離子導電性等相對缺陷。而針對離子導電性更好、安全性更高的電解質鹽的研發也是電動車用鋰離子電池電解液領域的一個研究重點。

三、結語

鋰離子電池作為未來電動車的能源研發的主要方向，不僅在能量密度方面具有優勢，而且業已得到業界的廣泛研究，因而成為各大電池廠商開發的熱點。鋰離子電池作為電動車上廣泛應用的新能源，未來的研發方向仍然將以安全性能為主，另外在使用過程中還要能夠適應各種惡劣的環境。尋找新材料是電池性能取得突破性進展的關鍵，國內外也一直在探索適合電動車用鋰離子電池的新材料，例如正極材料從LiCoO2、LiNiO2發展到LiMnO2，再發展到磷酸過渡金屬鋰化合物。鋰離子電池的電解質方面，使用熔點低、沸點高、分解電壓高的有機溶劑，是提高鋰離子電池安全性能的有效途徑之一。而另一個重要途徑是添加阻燃性添加劑，降低電池放熱值和電池自熱率，同時增加電解液自身的穩定性。

（作者單位：國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心）