新能源汽车电池发展潜力与未来趋势探索

韦增欣　黄海东　袁功林

摘 要：全球不断增长的能源需求和环境污染问题形成了严峻的挑战，使新能源汽车备受社会瞩目。新能源汽车关键三要素（动力电池、电驱、电控）等相关科学问题的研究和发展是该领域的中心课题，特别是动力电池在高密度、续航能力、循环寿命等方面的进展和突破急需亟待解决。现以新能源汽车电池为切入点，深入剖析了电池的现状，进一步研究了电池新型材料的创新趋势，包括钠离子电池替代锂、四元以上电池以及负极材料的突破，为新能源汽车的不断创新和可持续发展提供了积极助力。

关键词：新能源汽车 动力电池 新型材料 可持续发展

1 引言

在全球不断增长的能源需求和加剧的环境污染问题下，新能源汽车成为国际社会应对挑战的焦点。新能源汽车以其环保、高效、可持续的特性，成为解决方案的重要组成部分。然而，新能源汽车的兴起不仅依赖于非传统能源的利用，更关键的是创新的动力装置技术。

电池技术作为新能源汽车的核心，关键性能如能量密度、充电速度、寿命和稳定性、成本、安全性、资源供应以及环境影响等方面仍面临重大挑战。其中，电池能量密度直接关系到新能源汽车的续航里程，因此提高电池的能量密度成为当前亟需解决的问题。同样，快速充电技术的发展对提高用户体验至关重要。

电池的寿命和稳定性直接关系到整车的可靠性和经济性，解决电池组件在不同环境下的性能稳定性成为当前的研究重点。而电池成本一直是新能源汽车普及的制约因素，需要提高电池的制造效率、降低原材料成本，寻找更经济的生产工艺。

电池安全问题是关注的焦点，包括防止过热、过充、过放等问题以及电池在交通事故中的安全性能。此外，电池生产所需的稀有金属和材料的供应问题，特别是钴、锂等元素的资源稀缺性，对电池产业的可持续发展构成挑战。

电池的生产、使用和废弃对环境都有一定的影响，因此实现电池生产和回收的环保化，减少对环境的不良影响是未来努力的方向。

本文着眼于新能源汽车电池的现状，对电池的正负极材料进行深入探讨，并研究了其发展潜力和未来趋势，为新能源汽车产业的可持续发展提供新的方案，为新能源汽车的可持续发展做出积极贡献。

2 动力电池系统

新能源汽车动力电池的核心材料主要包括正极、负极、隔膜和电解质等。本文主要研究在正、负极材料。

2.1 正极材料迭代创新

正极是电池的关键部分，其性能直接影响到电池的能量密度、功率密度、循环寿命等参数。根据正极材料中金属元素的种类数量，可以将正极分为一元、二元、三元、四元以上（含四元）等多種类型。

2.1.1 一元电池

一元电池是指具备单一电化学反应的电池系统。其工作特点在于在整个工作过程中只涉及一种电化学反应来释放能量以供应电流。在放电时，电子从负极（阳极）向正极（阴极）移动，产生电能；而在充电时，电子沿反向路径移动，将电能存储回电池。

铅酸电池和镍氢电池是一元电池的常见类型。铅酸电池的正极主要由二氧化铅（PbO2）构成，而镍氢电池的活性物质包括NIOOH、Ni（OH）2等，正极都只含有一种金属元素或其氧化物。

尽管一元电池具有技术简单、安全性高、生产成本低等优点，但其能量密度相对较低。此外，一元电池还存在容量衰减、温度依赖性强等问题，因此需要进行改进以提高性能。

2.1.2 二元电池

二元电池是指具备两种电化学反应来产生和储存能量的电池系统。锂离子电池是典型的二元电池，其内部化学反应涉及到锂离子在负极（阳极）和正极（阴极）之间的移动。在充电时，锂离子从正极移动到负极，储存能量；而在放电时，锂离子从负极移回正极，释放能量以供应电力。锂离子电池包括氧化锰锂（LiMO2）、氧化钴锂（LiCoO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）、氧化镍锂（LiNiO2）等，还有硫化物锂硫电池（Li-S）。其中磷酸铁锂电池在新能源汽车领域展现出明显优势。其耐高温性和安全性出色，不燃烧且循环寿命较长，适用于对电源稳定性和人员安全要求较高的场景。然而，磷酸铁锂电池的能量密度相对较低，可能在轻量化和高能量密度要求较高的应用中显现劣势。此外，其结构较为复杂，制造和维护难度较大[4-5]。

二元电池广泛应用于电动汽车、便携设备和储能系统等领域，具有良好的能量密度和相对较长的使用寿命。然而，这类电池仍面临一些挑战，包括成本、安全性和循环寿命等问题。随着科技的进步，这些挑战有望在未来得到解决，使得二元电池的技术更加成熟和可靠。

未来的研究和发展可能集中在提高二元电池的能量密度、降低生产成本、提高安全性、延长循环寿命等方面。这将有助于推动电动交通、便携设备和储能技术的进一步发展，为可持续能源应用提供更加可靠的能源存储解决方案。

2.1.3 三元电池

三元电池通常指的是具有三种活性材料的电池，其中较为典型的是镍锰钴（NMC）电池。在NMC电池中，镍（Ni）、锰（Mn）和钴（Co）按特定比例混合，例如Li（Ni1/3Mn1/3CO1/3）O2、（Ni2/5Mn2/5CO1/5）O2、（Ni1/2Mn3/10CO1/5）O2等，被用于电池的正极。其中三元锂电池作为新能源汽车的主流电池之一，具有较高的能量密度、长循环寿命、低自放电率等优势，使其成为电动汽车领域的首选。然而，三元锂电池在高温下可能出现安全隐患，且相对较高的成本也是其劣势之一。尽管不断的研发努力正在改善其高温性能和成本问题，但在实际应用中仍需综合考虑这些因素[5-7]。

NMC电池的优势在于其在镍、锰和钴的比例灵活可调，可以根据需要优化电池性能，包括提高容量和充放电速度，并同时保持较高的稳定性。NMC电池不仅在提供卓越性能方面有所帮助，同时也有助于降低电池的成本。然而，安全性、温度管理以及资源短缺等问题仍需不断改进和创新。

三元电池代表了电池技术的一步进步，其高能量密度和灵活性使其成为电动汽车、便携设备等领域的重要选择。随着科技的不断发展，对三元电池的研究将有望进一步解决其存在的挑战，推动电池技术的不断演进。

2.1.4 四元以上电池探究

元素周期表中相邻元素具有相近的半径和价态特性，因此通过更换正极或负极材料，可以发掘新的电池结构和正极材料。例如钠、镁、钙、铝、锌、铁、锰、钛、钒、铬等元素具有巨大的潜力，比如一种名为“Fe-Ni-Co-Mo”的多元金属氧正级材料，具有较高的容量和稳定的结构，可以有效地抑制副反应的发生，从而提高电池的安全性和稳定性。不斷优化新元素的重组和配比，迭代开发新的电池类型，为电池行业带来更大的可能性。

尽管这些新型正级材料在实验研究阶段显示出潜力，但尚未实现大规模商业化应用，需不断优化新元素的重组和配比，迭代开发新的电池类型，将为电池行业带来更大的可能性，代表了电池技术领域对更高性能、更安全可靠的能源存储解决方案的追求。实际应用中，这些元素可能会用于正极或负极的材料，具体取决于其化学性质和应用场景。

2.1.4.1 钠（Na）

钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，将工作中的钾离子替换为钠离子。由于钠元素储量丰富、价格低廉，具有较高的能量密度，有望成为替代锂的理想元素，因此可能降低电池制造成本，提高电池性能，为电动汽车提供更具竞争力的能源解决方案。

2.1.4.2 镁（Mg）

镁被研究用于电池，可作为正极或负极材料，应用于镁离子电池。镁离子电池的研究目标是提高电池的能量密度，并寻找可再生且成本较低的材料。

2.1.4.3 铝（Al）

铝被视为一种有潜力的正极材料，特别是在铝离子电池中。铝离子电池具有较高的能量密度和相对较低的制造成本，有望成为新型能源存储解决方案。

2.1.4.4 锌（Zn）

锌通常用于锌空气电池等，作为负极材料。锌空气电池以锌作为负极具有一定优势，是一种有望应用于能源存储的技术。锌液流电池的产业化应用可能为能源存储提供一种可行的技术。

2.1.4.5 钙（Ca）

钙目前在一些电池中被考虑作为正极材料，尽管应用较为有限。钙离子电池的研究处于研究阶段，未来可能解决某些问题后应用范围扩大。

2.1.4.6 铁（Fe）

铁储量丰富，无毒性，氧化物价廉，在市场上用磷酸铁锂（LifePO4）用做正极材料，市场占有率较高，提供一种相对成熟的正极材料，已经在市场上取得成功。

2.1.4.7 钒（V）

钒比铬和锰价格低廉，是多价金属元素，可生成多种氧化物，是锂离子正极材料的发展前景之一。钒液流电池有望提高电池性能，延长电动汽车续航里程。

2.1.4.8 铬（Cr）

铬的氧化物（Cr2O5、Cr3O8、Cr6O15等）具有高价态，可以考虑将其做成正极。铁铬液流电池的产业化应用可能为电动汽车提供一种可行的能源存储解决方案。

现在三元系电池在新能源汽车市场中占据着主导地位，而磷酸铁铝电池则在其后迅速发展。同时，其他正极材料正经历着加速的研究和商业化应用推广。然而，新能源汽车电池在技术发展的同时，依然面临一系列挑战，包括提高能量密度、延长循环寿命以及确保可持续资源供应等问题。

为解决这些挑战，正积极投入深入研究，致力于推动电池技术的进步。在提高电池能量密度方面，着重追求高比能，通过正极材料的不断创新，从高电压镍基材料到高镍、超高镍和富锂锰基材料的逐步演进，为电池提供更高容量和更稳定的结构。

另一方面，降低电池成本仍然是电池技术研究的重要方向。在这个领域，磷酸铁锂正极材料成为研究的焦点，作为磷酸铁锂材料的迭代升级产品，旨在提供更经济实惠的解决方案。结构创新方面，各种新颖的电池设计不断涌现，包括刀片电池、大圆柱电池以及电池到系统（CTP）、电池到底盘（CTC）、电池到车身（CTB）等结构的尝试，旨在提高电池及其系统的能量密度和安全性。

新材料的引入和应用也为电池技术的不断发展提供了新的动力。富锂锰基正极材料和磷酸锰铁锂材料等新材料的使用，进一步增强了磷酸铁锂类电池的能量密度。

2.2 负极材料替换升级

负极材料在新能源电池中扮演关键角色，直接影响能量密度、循环寿命和整体稳定性。以下是对负极材料研究的主要方向：

2.2.1 石墨材料

石墨作为传统负极材料，因其优越导电性和可逆容量而备受推崇。近年来，通过对其微观结构和表面进行改良，旨在提高性能。引入氮掺杂石墨烯等新型材料，具有高比表面积和卓越电子导电性，以提高电池能量密度和充放电效率。

2.2.2 硅基材料

硅基材料因其高比容量备受关注，但体积膨胀一直是商业应用的制约因素。研究方向包括通过纳米结构设计和复合材料应用解决硅材料的膨胀问题，以提高循环寿命。

2.2.3 锡基合金材料

锡基合金由于高理论容量和低成本备受期待，但溶解问题限制了实际应用。当前研究集中在寻找涂层和结构设计，改善锡基合金的循环稳定性。

2.2.4 钛酸锂的安全性

钛酸锂因其卓越安全性备受瞩目。未来研究可能包括通过合成方法和结构优化，提高电化学性能，以更广泛应用于电池系统。

2.2.5 其他新型负极材料

碳纤维、镁基合金等新材料的涌现丰富了负极材料的选择。它们不仅提高比容量，还为满足不同应用场景和性能需求提供更多可能性。

负极材料的研究致力于平衡能量密度、循环寿命和安全性，通过创新设计和材料选择推动新能源电池技术不断进步，为电动汽车提供更先进的动力电池技术支持，从而推动清洁、可持续的能源选择。

3 结束语

本文系统梳理了新能源汽车的现状、关键技术以及主要障碍，旨在揭示新能源电池的发展潜力和未来趋势。电池技术的创新是推动新能源汽车发展的核心，主要集中在提高电池能量密度和性能稳定性的方向。正极材料方面，高电压镍基材料逐步演进至超高镍和富锂锰基材料，提供了更高容量和更稳定结构的可能性。同时，新型正极材料的探索致力于降低电池成本。钠离子电池作为锂离子电池的替代方案，具备资源丰富、成本低和安全性高的优势，虽仍需克服挑战，但有望在更广泛范围内应用。负极材料方面，从传统石墨到硅基负极和锂金属负极的创新转变旨在提高电池能量密度和解决循环过程中的挑战。新材料的引入，如氮掺杂石墨烯、锡基合金等，为负极材料性能提升提供了新可能性。通过这些创新将为电动汽车提供更先进的动力电池技术支持，助力未来出行实现更可持续、清洁的能源选择。

注：本文由广西科技基地和人才专项基金支持（编号：AD22080047）。

参考文献：

[1]崔胜民.新能源汽车技术解析[M].2版.北京：北京大学出版社，2021.

[2]麻友良.新能源汽车动力电池技术[M].北京：北京大学出版社，2016.

[3]徐艳民.电动汽车动力电池及电源管理[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[4]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].清华大学，2011.

[5]周嫣.三元锂电池在新能源汽车上的设计与应用[J].北京工业职业技术学院学报，2020年10月第19卷第4期.

[6]彭忆强，芦文峰，邓鹏毅，王洪荣，马媛媛，徐磊，何波，杨丽蓉. 新能源汽车“三电”系统功能安全技术现状分析. 西华大学学报（自然科学版）2018年1月第37卷第1期.

[7]王相宇.基于锂电池技术演化的新能源汽车业技术整合创新问题研究[J]. 中国集体经济（科技创新），2022年03期.