电动汽车锂离子电池发展前景

钟强

【摘要】电动汽车锂离子电池的推广是当前国家推动战略性新兴产业的热点，也是解决地球能源危机的未来之路。由于电动汽车和燃油汽车相比具有巨大的优势，加上人们在动力锂离子电池的研究开发和安全性方面已经取得了长足的进步，电动汽车时代的到来将越来越快。

【关键词】电动汽车，锂离子电池，安全性

【中图分类号】TM912 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）04-0099-01

地球环境的不断恶化和能源的持续紧缺是当今人类面临的两大问题。近年来，发达国家已经投入了大量的资金和人力去研究开发节能环保的电动汽车技术，试图解决或缓解这些与环境和能源有关的问题。随着全世界石油资源的逐步枯竭和汽车尾气对环境污染的日益严重，纯电动车（EV）或混合电动车（HEV）以及相应动力电源的研究、开发及其应用得到迅速发展。当前，纯电动车或混合电动车主要使用传统化学电源如铅酸和镍氢电池作为驱动能源，但是它们使用寿命短，而目废旧电池容易造成环境污染；同时，锂离子电池具有体积能量比和重量能量比高、电压高、自放电率低、无记忆效应、循环寿命长等优点，是一种“绿色环保”的二次能源电池，因此锂离子电池具有取代铅酸和镍氢电池作为电动车能源的绝对优势。锂离子动力电池的开发及其应用成为人们目前的关注热点。从中国锂电池行业的发展来看，国务院通过了《“十二五”国家战略陛新兴产业发展规划》，把发展战略性新兴产业作为推动经济发展方式转变、缓解当前经济运行下行压力、保持经济长期平稳较陕发展的重要手段。

人们现在清楚地认识到，高能量密度的动力电池作为电动车关键技术之一，其进展已经成为左右今后电动汽车的重要因素。目前，二次电池中比较成熟的有铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池和锂离子电池，应用比较广泛的是铅酸电池和镍氢及镍铬电池。但是，由于铅酸电池和镍氢及镍铬电池能量密度低，电池内存在有毒的重金属化学元素，因此这些电池在电动汽车上无法得到普及应用。锂正极的锂离子二次电池能量密度达到120Wh·kg-1以上，是铅酸和镍氢及镍铬电池的2至3倍，循环寿命是现行二次电池体系中最长的，高达1000次以上。另外，锂离子电池内不含有毒的化学元素，且回收技术简单，越来越多的人把电动汽车用电池的未来寄托在了锂离子电池上。

近几年的一些报道表明，人们在动力锂离子电池的研究开发方面已经取得了一些进展，电动汽车的批量生产在国内外的多家汽车厂家已经实现，电动大巴和电动小轿车在道路上也已经屡见不鲜。动力锂离子电池的安全性是人们关心的另一个重要问题。这是因为笔记本计算机和携带电话中使用的锂电池的正极材料在充电状态下容易释放出大量气体和热量而爆炸或着火。在过去的十多年中，曾有多个国家报道过不少有关锂电池爆炸或燃烧导致的事故，2006年日本索尼公司被迫召回近一千万块笔记本电脑电池的事件，2007年日本松下电池召回四千六百万块携带电话用锂电池的事件，使锂电池的安全性问题再次成为人们关注的焦点。根据报道的锂离子电池的电化学性能来看，锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料。该类电池不仅存在安全性方面的隐患，而且电池的输出功率特性比较差。更重要的是，钴是一种紧缺的金属资源，很难确信这是一类能够满足今后市场需求的电动汽车用动力锂离子电池。人们已经比较清楚地了解到尖晶石结构的锰酸锂在充电状态下脱锂氧化物结构十分稳定，用锰酸锂为正极材料的锂电池的热稳定性和安全性要远远优于钴酸锂正极的二次电池。但是，由于大容量动力电池中储藏的电能是通常携带电话的几十倍或几百倍，因此仅仅考虑使用热稳定的正极材料来解决电池的安全性问题显然是远远不够的。可以说，与钴酸锂体系的小型锂离子电池相比较，是由于我们的锰酸锂动力锂离子电池独特结构设计和有效的电池管理系统，才使得即使是400Ah和400v的大容量动力电池系统，其安全性也可以有效地得到保证。但即使如此，今后电池安全方面的工作依然是大量的，尤其是需要花时间彻底解决由有机材料构成的隔膜和电解液导致的安全性问题。

电动轿车工作与传统的燃油汽车相比较，尽管从外观来看，电动汽车还没有什么变化，但其结构已经与传统汽车有了本质的区别。在电动汽车中，高效率的二次电池能源取代了燃油，马达代替了内燃机，电子信息控制技术取代了机械的控制和操作。简而言之，电动汽车可以归纳为三大部分，即以锂离子二次电池为主的能源系统，以电动马达为主的驱动系统，以及以电子技术为主的控制系统。由试验车行车测试的实验结果来看，仅就节能环保来看，电动汽车电能的利用效率很高，充进去的电能几乎99.9%的可以用来驱动车辆的运行。与电动汽车相反，由于燃油汽车内燃机的燃油效率低下，燃料的大部分都转化成热量和废气排放到车体外了。以用锂离子电池能源系统开发的一辆电动轿车为例，它的几个关键技术参数为：加速到达100km的时间15s；行驶100km消耗的电能为十千瓦时。这些数据说明该车的动力性能与同类燃油轿车相当，但运行成本仅相当于燃油车的十分之一。

在西方科技发达国家，近年来在铅酸以及镍氢和镍铬二次电池基础上开发出的控制系统和驱动系统技术已经取得了进展，而安全的高能量密度锂离子二次动力电池技术的突破，使得电动汽车整体技术的实用化由多年的等待成为了现实。鉴于传统的汽车产业在短期内即可以为电动汽车提供所需要的零部件，而不用油，没有废气排放，没有噪音的电动汽车或利用夜间多余的电力充电即可，或使用太阳能和风力发电设备产生的电能，因此随着三大电动汽车尖端技术的进步，在短时间内让人们接受电动汽车这一新型的节能环保产业是有可能的。现在，由于人们有足够高的环保意识，电动自行车、电动摩托车、电动船、轻型电动汽车、公共场所的电动载人载货车等发展迅速。

全球性大规模节能减排运动发展迅速，限制燃油车的废气排放是节能减排最重要的内容之一，包括中国在内的一些国家已经宣布要开始采取强制性措施。由于安全可靠的锂离子二次电池电动汽车技术是最切实可行的节能环保手段，因此预计上述的这些行动都将会大大加速电动汽车产业的发展。