电动汽车锂离子动力电池发展现状及趋势

胡敏 王恒 陈琪

摘 要：随着电动汽车的快速发展，对于动力电池的需求也就越来越高，而锂离子动力电池是目前应用最多的动力电池。文章就现在电动汽车上广泛应用的锂离子动力电池进行研究，首先介绍了锂离子动力电池的发展过程以及优势。其次就目前电动汽车市场上应用最普遍的磷酸铁锂电池、三元锂电池工作原理、性能特点以及发展现状进行介绍。最后就锂离子电池的发展趋势进行总结与分析。

关键词：电动汽车;动力电池;磷酸铁锂电池;三元锂电池

中图分类号：U469.7  文獻标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）09-08-03

Development Status And Trend Of Lithium-ion Power Batteries For Electric Vehicles

Hu Min， Wang Heng， Chen Qi

（ College of Automobile， Chang'an University， Shaanxi Xi'an 710064 ）

Abstract：With the rapid development of electric vehicles， there is a growing demand for power batteries， and lithium-ion power batteries are the most widely used power batteries. This paper studies the lithium ion power battery which is widely used at present. Firstly， it introduces the development process and advantages of lithium ion power battery. Secondly， this paper introduces the working principle， performance characteristics and development status of lithium iron phosphate battery and ternary lithium battery， which are widely used in the electric vehicle market. Finally， the development trend of lithium ion battery is summarized and analyzed.

Keywords：Electric Vehicle; Power battery; Lithium iron phosphate battery; Ternary lithium battery

CLC NO.：U469.7 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2020）09-08-03

引言

由于石油资源的日趋减少以及日趋严重的汽车尾气、噪声等污染，国内外对于发展可代替石油的清洁能源的汽车也愈发重视，而电动汽车作为一种零污染、低噪声的汽车逐渐走进了国内外汽车公司的视线^[1]。而锂离子动力电池作为目前市场占有份额最大的动力电池，其技术发展将直接影响到电动汽车未来的发展，因此，对于锂离子动力电池的研究是极其重要的。

根据我国发布的《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》征求意见稿中提到，2025年新能源汽车年销售总量应该达到汽车年销售总量的25%，而2019年新能源汽车销售量只占到了汽车年销售总量的4.8%，因此，可以预见未来五年新能源汽车产销量增长空间巨大，电动汽车作为目前世界上产销量最大的新能源汽车，其产业发展空间巨大，而作为现在最广泛应用于电动汽车上的锂离子动力电池也将得到更加长远的发展。

1 锂离子电池概述

锂离子电池是采用两个能够自由嵌入与脱嵌锂离子的材料作为正负极，在电池充电过程中，位于正极材料上的电子通过外接电路进入负极中，而正极材料上的Li⁺则是会通过电解液与正负极之间的隔膜材料最终达到负极，与电子和负极材料生成化合物留于负极之上;与之相反，在放电过程中，负极材料上的电子通过外接电路进入正极材料中，负极材料上的Li⁺则通过电解液与隔膜材料进入正极材料中。

电动汽车所常用的动力电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池以及锂离子电池，而锂离子电池之所以成为电动汽车商业电池中最广泛使用的电池，主要在于其拥有以下三方面的优势：一是能量密度高，在相同质量下，铅酸蓄电池的比能量密度仅为锂离子电池的1/4，镍氢电池仅为其1/2;二是能量转换率高，其转换率可以达到96%，是镍氢电池的1.4-1.7倍;三是自放电率小，在正常保存条件下其自放电率小于2%/月，是镍氢电池的1/10^[2]。如下表所示，是三种电池的性能指标对比。

2 常用锂离子动力电池的工作原理及性能特点

2.1 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂（LiFePO₄）电池采用磷酸铁锂作为正极材料，采用石墨或碳极作为负极材料，正负极之间允许电子自由通过而金属离子不能通过的隔膜材料，主要采用的的是PP（polypropylene，聚丙烯）/PE（polyethylene，聚乙烯）/PP多层复合微孔膜，电解液一般采用六氟磷酸锂为主要材料的混合溶剂^[3]，其充放电过程如下所示：

充电过程：

放电过程：

磷酸铁锂电池作为动力电池的主要特点有：一是具有良好的高温性能和安全性，在电池放电过程中，电池内部温度可比外部温度高出30℃，此时电池结构依旧完好，而且无论电池内外部结构遭到损坏，也不会发生燃烧、爆炸的风险;二是循环寿命长，经过2000次以0.5C倍率充电、1C倍率放电的充放电循环之后，其电池容量还有93%;三是无记忆性，相比于镍氢电池、镍镉电池，无论电池处于何种状态下，都可以进行充电操作，而不会产生容量低于额定容量值的情况。但磷酸铁锂电池也存在能量密度相对较低的这一劣势，在相同质量下，其续驶里程不如三元锂电池，这也是限制其发展的一个重要原因。表2为某磷酸鐵锂电池的相关性能指标。

2.2 三元锂电池

三元锂电池采用三元复合材料作为正极材料，目前较为常用的两种正极材料是NCA（LiNi_xCo_yAl_1-x-yO₂，镍钴铝酸锂）和NCM（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，镍钴锰酸锂），采用碳硅复合材料作为负极材料，隔膜材料与磷酸铁锂电池的隔膜材料一致，只是在隔膜的通过孔径大小方面不完全一致，而电解液材料也与磷酸铁锂电池差距不大，随电池型号和大小不同而存在差异。某型号NCM电池在充放电过程中的正负极反应方程式^[4]如下所示：

正极反应：

负极反应：

总反应式：

三元锂电池之所以作为目前广泛应用于电动乘用车的电池，其主要特点有：一是能量密度高，相同质量下三元锂电池的能量密度是磷酸铁锂电池的1.7-2.2倍;二是低温性能良好，在低温条件下，三元锂电池容量和能量保持率都比磷酸铁锂电池优越，在零下30度时以0.5C倍率放电，其放电电压为25℃时以0.5C倍率放电电压的93.2%，下降幅度比较低^[5];三是体积小，具有相同能量的磷酸铁锂电池与三元锂电池，后者的体积仅为前者的60%左右。但三元锂电池的安全性能相对较差，三元电池材料在200℃就会发生分化，由于内部的化学反应在高温下会更为剧烈，且在过程中会产生氧分子，会引起电解液材料的剧烈燃烧，在2019年国内发生了数起由于三元锂电池受到撞击或其他原因导致整车发生自燃的严重事故，这也让公众对于三元锂电池的安全性产生了担忧。表3所示是某NCM三元锂电池的性能参数：

3 锂离子动力电池的发展现状

3.1 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂锂电池由于其良好的安全性以及循环寿命长的优势，被广泛应用于日常经常使用的公共交通工具上，如城市运行的公交车、出租车等等，目前国内以比亚迪汽车公司为主的一部分公司的电动乘用车也在采用磷酸铁锂电池，其优秀的安全性能一直是这些公司所追求的目标。

为了改善磷酸铁锂电池能量密度较低的劣势，目前而言最具应用前景的是比亚迪研发出的“刀片电池”，其质量比能量密度达到了140Wh/kg，相较于传统磷酸铁锂电池的130Wh/kg，提升了约9%，体积比能量密度也能够提升约50%，而其成本却相较之前下降了20%-30%，并且据公布的数据来看，搭载“刀片电池”的汉EV车型续驶里程能够达到605km，电池能够使用8年，累计行程可达120万公里，相比于目前电动汽车3年10万公里而言有着极大的提高。

3.2 三元锂电池

因其能量密度高、体积小的优势，三元锂电池广泛应用于电动乘用车上，2019年我国电动车动力电池总装机量为62.37Gwh，其中三元锂电池装机量为38.75Gwh，占总量的62.13%，比2018年增长了26.22%。

三元锂电池主要有NCA和NCM两种技术路线，以特斯拉为代表是走的三元锂电池（NCA）技术路线，其目前采用的21700型三元锂电池，单体单电芯振实密度高达773Wh/L，比一般的三元锂电池高出50%;而以宁德时代为代表的电池公司则集中于三元锂电池（NCM）技术路线，目前宁德时代NCM 811（镍、钴、锰三者成分为8：1：1）三元锂电池已投入市场使用，其能量密度高达304Wh/kg、振实密度为700Wh/L，由于其优良的性能，所占市场份额也迅速上升，由去年6月份的4%增长至年末的18%。

4 锂离子电池发展趋势

4.1 磷酸铁锂电池

磷酸铁锂电池虽高温性能良好，但因电解液材质以及正负极材料颗粒直径而使其低温性能差，在温度低于零度时，其放电容量会下降30%-40%。研究发现利用纳米化技术和碳包覆技术可以改善磷酸铁锂电池的低温性能^[3]，随着技术进一步的发展，在低温地区的电动商用车上具有很大的应用潜力。与此同时，利用CTP（cell to pack）技术，减少传统“电芯-模组-电池包”三级结构中的模组，可以较大程度的提高磷酸铁锂电池能量密度，使其在电动乘用车上的应用前景变得令人期待。

4.2 三元锂电池

三元锂电池因其能量密度高而在电动乘用车上得到广泛

应用，但最近由于电动汽车自燃事件时有发生，造成了不小的人身财产损失，让人们对于三元锂电池的安全性能再次产生质疑。为解决这一问题，对整个电池包而言在电池包内部安装阻断结构，并且设计出功能更为完善的电池热管理系统来检测电池温度，对于单体电池而言则需要在电极材料以及电解液方面进行更深入的研究。此外，目前磷酸铁锂电池的市场价为每瓦时0.65元，而三元锂电池的市场价为每瓦时0.85元，因此为了进一步降低成本，减少三元电池中贵重金属钴的使用，增加市场竞争力，各大电池公司也开始研制高镍三元锂电池，特斯拉甚至已经着手开始研制无钴三元锂电池。

5 总结

锂离子动力电池是目前占有市场份额最多的动力电池，而磷酸铁锂电池和三元锂电池则是现在最普遍应用的两种锂离子动力电池。磷酸铁锂电池以其良好的高温性能和循环寿命长的优势在客车领域得到普遍应用，对于低温性能的改善以及能量密度的提升会使其拥有更为广阔的应用前景;三元锂电池的能量密度高，因而在乘用车方面得到了广泛的使用，对于其热失控性能的研究以及高镍三元锂电池的研制与投入市场，三元锂电池未来的发展空间巨大。除此之外，尚处于研发阶段的锂硫电池、全固态锂离子动力电池的出现，也为续驶里程更长、安全性能更好的电动汽车的发展奠定了坚实的基础。

参考文献

[1] T.R. Hawkins，B.Singh， 2012， Comparative Environmental Life Cycle Assessment of Conventional and Electric Vehicles （Journal of Indus -trial Ecology， vol 17， issue 1） p 53.

[2] 张红妮，张雅丽，王虹霞.电动汽车动力电池现状与发展[J].汽车实用技术，2019（06）：16-17+44.

[3] 谭义勇.浅析磷酸铁锂电池[J].信息记录材料，2019，20（06）：50-51.

[4] 张跃强，田君，高洪波，陈芬，高申.商业化磷酸铁锂与三元动力锂离子电池性能对比分析[J].电子世界，2019（07）：37-39+41.

[5] 涂超，黄清声，王伟，张绪洋，姚银花.NCM三元锂动力电池热失控研究[J].佳木斯大学学报（自然科学版），2018，36（05）：811-814.