浅析新能源汽车动力电池研发方向

罗乾城

摘 要：在2015年4月6日，美国斯坦福大学戴宏杰教授团队在正式提出新能源汽车动力电池之后，就得到社会大众高度关注。现阶段，戴宏杰教授小组的研究结果在美国获得专利保护，同时多家国际化企业也相继希望买断该技术。虽然新能源汽车动力电池还没有成熟，但是其依旧凭借低廉原材料与良好循环性能，让人们确信其必然成为主要化学电池。

关键词：新能源汽车；动力电池；循环性能

1 新能源汽车动力电池研究背景

在过去十多年时间内，全球范围内化石燃料消耗量不断增加，温度效应现象越加明显，PM2.5浓度不断增加，新能源受到了公众的高度关注。[1]因此，研究人员相继将研究重点放在可再生绿色能源研发上，如水能、风能等。因为传统绿色可再生能源在空间与时间分布上存在一定偏差，进而在实际应用内需要配备高效能量储存装置。在上世纪90年代之后，锂钴酸锂离子为阳极，石墨为阴极，在社会内得到了广泛应用，但是也逐渐显示出一些问题，例如成本昂贵、安全性能低下等。除此之外，新能源汽车动力电池在制备过程中所需要应用到的锂离子资源属于不可再生能源，地壳中储存的锂量有限，分布不均。这也限制新能源汽车动力电池在电动汽车与智能电网内应用。[2]

锂离子在应用十多年时间之后，随着其应用范围与生产数量不断增加，造成锂资源销售价格持续增加。就可持续发展战略角度而言，使用地球内储存更加豐富的资源研发化学电池体系，降低化学电池经济成本，延长化学电池可循环寿命，提高化学电池安全性能，已经成为化学电池今后必然发展趋势。所以，二次电池也成为研究人员的研究热点，尤其是和锂离子点化学性质比较相似的钠离子，其化学电池在研发上具有新能源汽车动力电池经验与技术作为进行参考。[3]而现阶段需要特别注意的是，不管是钠离子电池还是其他类型电池，其可循环性能与充放电容性能并未达到预期效果，进而尚不能与新能源汽车动力电池进行竞争。

2 新能源汽车动力电池原理与优劣分析

2.1 新能源汽车动力电池原理

新能源作为地壳内金属储存量之首，其可开采含量大约为锂资源1000倍，同时以新能源作为电池载体，可以有效降低新能源生产成本。在之前三十多年时间内，人们始终对新能源进行研究，但是所取得的研究成果数量十分有限。在1988年美国新泽西州某公司就对可充放电新能源汽车动力电池进行过报道，但是由于当时所使用的阴极材料容易分解，进而并未得到社会大众关注。2011年，美国Archer教授所带领的团队也对可充放电新能源汽车动力电池进行过报道，但是由于该新能源汽车动力电池放电电压等级较低，进而所取得的成果也并不理想。正是由于这些问题存在，新能源汽车动力电池早期研究十分艰难。截止到目前为止，新能源汽车动力电池有关专研究依旧将铝看作一次性金属燃料，尚未实现充放电循环。但是在斯坦福团队对新能源所做出的报道内，在新能源汽车动力电池循环性能与材料上取得了较大突破。

新能源车辆的动力电池如图1所示，其以金属铝作为负极，以三维泡沫石墨烯作为正极，以四氯化铝阴离子作为电解液，在常温状态下可以完成电池可逆充放电。但是石墨烯材料属于层状结构，其可以像锂阳离子容纳其他阳离子一样，容纳四氯化铝阴离子，这也是新能源汽车动力电池可以高效稳定运行前提条件。当新能源汽车动力电池放电时，四氯化铝阴离子可以从石墨烯正极脱离出来，然后和金属铝出现发生负极反应，形成Al3Cl7-。当新能源汽车动力电池放电时，上述反应将发生逆转，进而让新能源汽车动力电池可以完成充放电循环。[4]

2.2 新能源汽车动力电池优势

本文所分析的新能源汽车动力电池与常规二次电池相比较，其具有一定显著优势，具体主要表现在以下几方面：

2.2.1 快速充放电特性与超长循环寿命

斯坦福团队在实验研究之后发现，负极电池采用三维泡沫石墨烯，可以借助其良好导电性能与表面积，有效缩短专新能源汽车动力电池充放电时间，同时提升新能源汽车动力电池循环性能。如，新能源汽车动力电池在5000mAh/g电流状态下，电池在一分钟之内就可以充满。同时，新能源汽车经过7500次循环后的电池充放电，电池容量基本不会变化。7500次循环也就表示专要是每天进行一次充放电，新能源汽车动力电池在20年之后依旧可以完好应用，这已经远远超过人们对新能源汽车动力电池充放电1000次寿命预期。[5]

2.2.2 安全性突出

新能源汽车动力电池应用致命问题就是安全性能较差。新能源汽车动力电池和新能源汽车动力电池是不同的，本文新能源汽车动力电池专采取离子液体作文电解液，进而在实际应用内并不存在易燃易爆安全问题。在斯坦福大学研究小组播放的视频中，该团队成员使用电钻钻入正在应用的新能源汽车动力电池，电池依旧可以正常运行，并未出现燃烧问题。除此之外，新能源汽车动力电池原材料获取更加方便，经济成本低廉，虽然三维泡沫石墨烯当前经济成本较高，但是在不远将来，随着新能源汽车动力电池生产规模与应用范围更加广泛，生产成本也将大大降低。

2.3 新能源汽车动力电池缺点

虽然新能源汽车动力电池在实际应用内具有上述优势，但是也存在一定缺点。当前，新能源汽车动力电池只能够释放2V电压，电压等级要远远低于3.6V电压等级的新能源汽车动力电池。仅对电池活性物质进行计算，新能源汽车动力电池能量密度的活性物质只有40 wh /公斤，活性物质能量密度远远低于原有新能源汽车动力电池100Wh/kg。[6]

要是从电池能量密度与工作电压角度来说，本文所提出的新能源汽车动力电池更加与人们所了解到的铅酸电池与碱性电池等水相电池相似，和现在正在研究的钠离子电池还存在较大差距，更加不要说现在应用广泛的新能源汽车动力电池。除此之外，新能源汽车动力电池在运行内还需要成本相对昂贵的离子液体电解液，新型能源汽车动力电池成本较高。

3 新能源汽车动力电池应用注意事项

作为最适合便携式设备的充电电池，新能源汽车动力电池的应用也在不断扩大。随着移动设备的多样化，其重要性在未来将变得越来越重要。为了今后的进一步发展，我们必须注意以下几点：

3.1 降低材料开发成本

特别是，有必要减少正极材料钴酸锂，隔板，电解液的成本，阳极碳材料。人们正在尝试使用镍（LiNiO 2）和锰（LiMn2O4）作为正极活性材料。

3.2 在重量能量密度方面

新能源汽车动力电池虽然保持了其优势，但镍氢二次电池的体积能量密度正在提高。为了保持新能源汽车动力电池的优势，有必要继续提高其容量。从这个角度看，硬碳负极材料包含的可能性大，非常希望。

4 新能源汽车动力电池未来展望

虽然当前对新能源研究仅仅为一个初步分析，但是这也为今后新能源汽车动力电池分析研究吹响了号角，今后新能源汽车动力电池研究工作非常容易就集中在大内存容量与高运行电压的正极材料上面，进而最大程度提升新能源汽车动力电池工作电压与功率密度，同时积极探索成本更加低廉的电解液也是新能源汽车动力电池今后在研究分析上重点考虑的一个问题。要是新能源汽车动力电池现在所存在的这些问题都能够得到有效解决，同时与其他技术指标相结合，其经济成本与应用优势将会更加显著，新能源汽车动力电池这种安全、充放电灵活、可循环使用、低廉的化学电池必然将会在人们日常生活内普及。需要特别强调一点的是，因为新能源自身特征，其无法在高能量密度行业内应用，进而无法和新能源汽车动力电池之间形成直接竞争关系。相反，新能源汽车动力电池会凭借良好安全性能、可循环寿命与低廉经济成本让其在大规模电网儲能等领域内应用。不管新能源研究是否取得成功，新能源汽车动力电池的产生为人们提供了一种新的可能性。

参考文献：

[1]曹文卓，汪君洋，陈汝颂，索鎏敏，李泓.多电子转移镁/铝电池体系能量密度热力学计算[J].储能科学与技术，2018，7（03）：437-449.

[2]国内首个新能源汽车动力电池或在大亚湾诞生[J].铝加工，2017（04）：9.

[3]谷思辰. AlCl_3/[BMIM]Cl离子液体电解液对新能源汽车动力电池性能的影响[A]. 中国化学会.中国化学会第30届学术年会摘要集-第三十分会：化学电源[C].中国化学会：，2016：1.

[4]郑进.泡沫石墨在新能源汽车动力电池中的应用研究[J].化工管理，2016（01）：220.

[5]本刊编辑部.电池的革命性变化——快速充放电新能源汽车动力电池诞生[J].实验室研究与探索，2015，34（05）：3-4.

[6]贾磊.斯坦福大学成功研发新能源充电电池[J].无机盐工业，2015，47（05）：47.