纯电动汽车用锂离子电池技术

张晓琳

摘要：在石油能源供需矛盾日益突出，世界各国均致力于温室气体减排的大背景下，清洁能源受到世界各国的青睐。目前，全世界汽车厂家纷纷开发并推广使用电动车，电动车的蓬勃发展及远大前景，促进了电池技术的发展，世界各大汽车公司纷纷投巨资并采取结盟的方式研究各种类型的电池。电动车可分为纯电动车和混合动力车两种，对于不同的电动车类型，需要配有适合自身需要的储能装置。锂离子电池作为未来电动车的能源，具有广泛的应用前景。

关键词：电动汽车;清洁能源;锂离子电池

一、纯电动汽车用电池情况概述

电动车对电池的要求目前还没有具体的标准，一般应满足如下要求：（1）高容量-以支持一定的续行里程，评价的参数为质量比能量或体积比能量;（2）高功率-能大电流放电，启动快，加速和爬坡能力强，评价的参数为比功率;（3）单体电池电压高-减少串联数量，评价的参数为电压;（4）循环寿命长、容量衰减率小-降低使用成本，其评价的参数为循环寿命;（5）体积小、重量轻-减轻汽车的负荷和体积，其与评价参数质量比能量或体积比能量相关;（6）免维护、能快速充电;（7）无泄漏、不爆炸-安全性有保障;（8）生产过程无污染、废弃电池无公害，评价的参数为污染物项;（9）成本低-降低电动汽车的价格，评价的参数为电池的价格。目前还没有一种电池能完全满足上述要求，实际选择电池时，会根据应用情况有侧重点地选择，比如为了提高安全性，一般不选择高容量、高功率的电池，因为这类电池发热量大，在电动车实际运行过程中会产生爆炸等危险。

目前，实际在电动车中使用的电池有密封铅酸蓄电池、镍-镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等。

对电池性能来说，能量密度指的是平均单位体积或质量所释放出的电能;循环寿命指的是在一定放电条件下，电池工作至某一容量规定值之前，电池所能承受的循环次数;安全性是指电池在正常或非正常使用条件下存在的安全隐患;可靠性是指电池在多种操作环境或工作条件下电池放电特性或存贮特定等;使用成本是指电池在使用过程中损耗的成本与因充电等原因所花费的成本之和;环保性是指电池中含有的重金属、废酸、废碱等电解质溶液对环境的污染度。

考虑电动车对电池高能量密度的要求，锂离子电池被认为是未来最具有发展前景的电动车用电池。锂离子电池具有电压高、比能量高、循环性能好和环保性好等特点，越来越广泛地应用到3C市场领域、电动车和混合型电动车市场领域、军事用途及空间技术领域。目前锂离子电池技术在便携式电子产品应用方面已日趋完善，但是对于电动车用锂离子电池来说，还需要较长时间的研究，以满足电动车对电池的要求。

二、纯电动汽车用锂离子电池技术分析

为了系统地反映电动车用锂离子电池的技术点，按照电动车用锂离子电池的技术发展方向，主要技术细分为正极材料、负极材料、隔膜和电解质。

（一）正极材料

锂离子电池正极材料一直是限制锂离子电池发展的关键。和负极材料相比，正极材料能量密度和功率密度低，并且也是引发锂离子安全隐患的主要原因。寻找热稳定性较好、能量密度高的正极材料是锂离子动力电池的关键。

正极材料主要有锂镍氧化物、锂钴氧化物、锂锰氧化物、磷酸过渡金属锂化合物以及镍钴锰三元或镍钴、镍锰和钴锰二元化合物。正极材料制备方法有固相合成法固相合成法包括高温固相法、碳热还原法和微波法等，液相法包括水热合成法、共沉淀法、溶胶凝胶法等。正极材料的改性方法有表面包覆改性包括碳包覆及掺碳表面改性、碳层和金属结合的其他包覆层，掺杂改性包括Li位掺杂、Fe位掺杂、P位掺杂等。

（二）负极材料

负极材料主要有碳基负极材料、硅基负极材料、锡基负极材料、不含有锡和硅的锂合金、锂金属负极材料、氮化物负极材料、钛酸锂以及多种负极活性材料的混合使用等。

碳基材料技术相对成熟，成本较低，因此各大公司、机构都对碳类材料做了较多的深入研究;锡类材料具有比容量大的优势，但是也存在循环特性差等缺陷，因此对其的研究不如碳类材料多;而最近由于钛酸锂材料在电动车用锂离子电池负极上应用的崛起，其本身具有的例如循環特性好等优势，引起了全球的关注，在最近几年，有关钛酸锂材料的专利申请增长很快，但是如果将其应用到电动车用锂离子电池上也需要克服其导电性差等缺陷。随着全球保护环境意识的进一步加强、随着化石能源的日趋紧张，电动车用锂离子电池负极材料的需求量将进一步增加，而碳基材料、锡基材料、硅基材料、合金材料、氧化物材料都因为其各自的特性决定其发展前景，而对于负极材料的研究也会紧紧围绕着克服现有材料的缺陷，发挥其优良特性的材料性能改进为主体方向，不断尝试其他新型负极材料为大体路线。

（三）隔膜

电动车用锂离子电池隔膜大致可分为两类，聚合物隔膜和聚合物/无机材料复合隔膜。聚合物隔膜主要在以下几个方面进行技术攻关，增强隔膜的机械强度、调整孔隙率、增强导电性、增加隔膜柔性、增加隔膜耐热性等。复合隔膜主要是在原有聚合物隔膜中和/或之上添加无机颗粒/陶瓷颗粒，从而形成良好的耐热性和优异的机械强度等优良性能。

电动车用锂离子电池隔膜领域中，聚合物隔膜仍然占到很重要的位置，针对聚合物隔膜存在电解液浸润性不足、熔融温度过低、力学性能较差等缺陷，经常采用隔膜改性的方法来克服上述缺陷。而聚合物/无机材料的复合隔膜也能够克服上述聚合物隔膜存在的缺陷，并且，由于添加了无机物更能提高隔膜的机械强度以及对电解液的浸润性等特征。

（四）电解质

电动车用锂离子电池电解质主要可分为非水电解液和凝胶固体电解质。非水电解液主要涉及添加剂，添加剂的添加以改善电池的高、低温性能、提高电解液的导电性、促进SEI膜的形成，还有防止电池过充电的添加剂以及大量的阻燃性添加剂。凝胶固体电解质相对于非水电解液来说，最大的特点就是其电解质为非液体形态，以类凝胶状态存在，如果分子量足够大，那么会以固体电解质形态存在，而该固体电解质也能起到电池的隔膜的作用，由于省去了隔膜的空间占用，从而能够起到增加电池比容量的效果，并且，由于采用了非液态电解质，那么就不会被电池中非常普遍的漏液缺陷所困扰，就有可能制造更安全的锂电池。

非水电解液技术在电动车用锂离子电池电解液领域处于主导地位，在这一类技术中主要还是非水电解液中添加剂的使用，使用各种添加剂来改变电解液的各种性能，从而能够得到期望性能的电池。由于凝胶固体电解质相对于非水电解液进一步提高的安全性，因此对于凝胶固体电解质的专注程度明显增加，但是需要解决的是此类电解质的离子导电性等相对缺陷。而针对离子导电性更好、安全性更高的电解质盐的研发也是电动车用锂离子电池电解液领域的一个研究重点。

三、结语

锂离子电池作为未来电动车的能源研发的主要方向，不仅在能量密度方面具有优势，而且业已得到业界的广泛研究，因而成为各大电池厂商开发的热点。锂离子电池作为电动车上广泛应用的新能源，未来的研发方向仍然将以安全性能为主，另外在使用过程中还要能够适应各种恶劣的环境。寻找新材料是电池性能取得突破性进展的关键，国内外也一直在探索适合电动车用锂离子电池的新材料，例如正极材料从LiCoO2、LiNiO2发展到LiMnO2，再发展到磷酸过渡金属锂化合物。锂离子电池的电解质方面，使用熔点低、沸点高、分解电压高的有机溶剂，是提高锂离子电池安全性能的有效途径之一。而另一个重要途径是添加阻燃性添加剂，降低电池放热值和电池自热率，同时增加电解液自身的稳定性。

（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心）