新能源汽车动力电池应用现状及发展

范成君

广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院 广东省广州市 511434

动力电池是新能源汽车的核心部分，也是后者与传统燃油汽车进行区分的主要部分。目前多种动力电池被应用于新能源汽车之中，解决了最基本的安全问题、续航问题、充电问题，但是在这些方面依旧无法完全令人满意，还有不小的探索发展空间，值得就相应的应用现状以及发展趋势展开研究。

1 新能源汽车动力电池概述

新能源汽车是通过各种新能源生成电力并以电池作为动力源的汽车。新能源汽车的动力电池主要可划分为化学电池、物理电池以及生物电池三大类。化学电池即以物质的化学反应生成电能的电池，并可根据工作性质划分为原电池、蓄电池、燃料电池、储备电池等；物理电池即借助物理能量生成电能的电池，如太阳能电池、超级电容器等；生物电池即基于生物化学反应生成电能的电池，包括微生物电池、酶电池等。动力电池本身具有极高的电能以及输出功率，完全能够代替传统燃油汽车的动力装置。新能源汽车动力电池需要在电动势、开路电压、额定电压、工作电压、终止电压、电池容量、内阻、标称能量、实际能量、比能量、能量密度、功率、容量效率、能量效率、自放电率、放电速率、放电深度、使用寿命等方面达到一定的指标要求，而且需要满足比能量高、比功率大、充放电效率高、相对稳定性好、使用成本低、安全性好等基本优势。不过动力电池安全性与能量要求较高，这导致目前新能源汽车中动力电池的应用尚处于探索阶段，还有巨大的发展前景。

2 新能源汽车动力电池的应用现状

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池早在1859年就已经发明问世，并已经成为内燃机汽车的重要动力源。总体来看，铅酸蓄电池作为新能源汽车动力电池具有电压较高、价格低廉、高倍率放电性能好、高低温性能好、电能效率超过60%、易于识别荷电状态、价格低廉等，不过也有着比能量低、使用寿命短、充电时间长、存在重金属污染等缺陷。因此铅酸蓄电池并不适合作为电动轿车的动力电池，而是多作为速度不高、路线固定、充电站设立易规划的车辆的动力电池。不过近年国内研制开发的电动汽车用新型水平极板铅酸蓄电池是将极板进行水平放置，这与传统的垂直极板放置方式不同，能够有效避免活性物质脱落与电解液分层，能够促进氧复合以及提升电池充电效率、循环寿命。水平极板铅酸蓄电池10min持续比功率达到了80W/kg，快速充电性能实现了3C电流下充电20min电池容量能达80%以上，75min可充满电。铅酸蓄电池快速充电的方法包含脉冲式充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法等。对铅酸蓄电池的荷电状态进行估计，通常可采取放电实验法，即在恒定电流条件下连续放电后，以放电电流与时间的乘积计算剩余电量。该方法极为可靠，不过花费时间较长，而且必须中断蓄电池正在进行的工作。因此在实践中还可采取安时计量法、开路电压法、负载电压法、电化学阻抗频谱法、内阻法、线性模型法、神经网络法、卡尔曼滤波法等合适的方法，对铅酸蓄电池荷电状态进行估计。

2.2 镍氢电池

镍氢电池主要由正极、负极、极板、隔板、电解液等所组成。镍氢电池放电时负极金属氢化物会被氧化并生成金属合金，而正极的则会被还原并生成氢氧化镍。而在镍氢电池充电时，其化学反应则会反过来。镍氢电池一般可根据形状分为方形与圆形，其具有比功率高、循环次数多、无污染、耐过充过放、无记忆效应、使用温度范围广、安全性强等优势。目前镍氢电池的研制开发受到了全世界范围内各国的重视，我国2020年镍氢电池市场资产规模达到了81.45亿元，同时科研人员通过研发开发出了宽温域型、长寿命型、高容量型等适用于不同情况的宽温镍氢电池，使得镍氢电池在电动汽车中的应用具有一定优势，可谓是目前新能源电动汽车中技术最成熟的方案之一。镍氢电池的荷电状态估计一般采取神经网络法或卡尔曼滤波法。

2.3 锂离子电池

锂离子电池作为新型高能蓄电池，其本身具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无污染、充电速度快、安全性高等优势，较为适合作为新能源汽车的动力电池。锂元素作为原子相对质量小、得失电子能力强、电子转移比例高的元素，是仅次于氢元素的动力电池能量载体。锂离子电池中正极材料是锂元素的载体，如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂等，而负极材料则主要发挥存储转移后的锂离子的作用。锂离子电池的优势极为明显，同时也是新能源汽车动力电池技术攻关的重点。锂离子电池充电效率极高，十分接近100%，同时不会造成环境污染，自放电率低，可实现快速充电，作为新能源汽车动力电池十分合适。不过目前锂离子电池在新能源汽车中的应用还面临着成本较高的挑战，同时必须做好过充保护以免出现安全隐患。目前新能源汽车中锂离子电池的充电方法主要可根据电池最高电压或温度进行终止，当充电过程中锂电池电压或温度达到阈值时就会停止恒流充电状态。不同锂离子电池的特性有所差异，广泛体现在多个层面。其中钴酸锂电池循环次数为500～1000次，电压范围为3.0～4.5v，安全性能较差，使用温度为-20～55℃，价格为30.3万/吨，容量为135～150mAh·g-1，质量比能量为150～200Wh·kg-1，往往具有安全性差、价格高昂、寿命短等劣势，故而多应用于电子设备，不会应用于新能源汽车；锰酸锂电池的循环次数为500～2000次，电压范围为3.0～4.3v，安全性能良好，适用温度为不超过50℃，价格为6万/吨，容量为100～120mAh·g-1，质量比能量为130～180Wh·kg-1，其劣势为耐热性较差，同时能量密度偏低，故而主要适用于小型车；磷酸铁锂循环次数为2000～6000次，电压范围为3.2～3.7v，安全性能良好，适用温度为-20～75℃，价格为15.4万/吨，容量为130～140mAh·g-1，质量比能量为130～160Wh·kg-1，其优势在于安全性好、成本低，而劣势则为能量密度偏低，主要适用于大巴、商用车等新能源汽车；三元锂的循环次数为800～4000次，电压范围为2.5～4.6v，安全性能尚好，适用温度为-20～55℃，价格为17.2万/吨，容 量 为155～220mAh·g-1，质量比能量为180～240Wh·kg-1，具有综合性能好的优势，故而在新能源乘用车中被广泛应用。

2.4 超级电容器

超级电容器作为一种电荷的储存器，其能够实现快速充放电，同时比功率可高达1kw/kg，循环寿命可达10万次，工作时无污染、无噪声，质量轻且体积小，稳定性与安全性良好。不过超级电容器的比能量较低，这意味着其无法单独作为新能源汽车的动力电池，往往只能作为辅助电源。超级电容器的核心技术为双层电容技术，即电极上的极化电极在电压作用下会使得电解质分子重新排列，进而于两个电极表面形成双层电容，能够实现对电能的有效存储。超级电容器与传统蓄电池相比，其在功率性能方面的优势较为突出。目前新能源汽车中普遍存在电池与超级电容器混合能量系统，能够通过超级电容器辅助电池的应用，让电池设计将重心放在比能量、循环寿命等重点性能上而无需担心比功率的限制。

3 新能源汽车动力电池的发展前景

3.1 探索应用新型电池

3.1.1 钠硫蓄电池

钠硫蓄电池作为具有比能量高、充放电转化率高、循环寿命长、成本低廉、无污染等优势的电池，其在新能源汽车中具有一定的应用价值，不过却面临着高温腐蚀、安全可靠性差等挑战，因而目前并没有广泛应用，还需探索更加安全、稳定的应用模式。

3.1.2 空气电池

空气电池同样是化学电池的一种，其构造和干电池较为类似，只不过其氧化剂是空气中的氧。空气电池一般是以氧气作为正极的活性物质，而负极则为各种金属，如锌、铝等。空气电池的充电过程只需要对金属介质进行更换，就能在短时间内完成充电过程，一般只需要数分钟。而其放电过程则能实现大电流持续放电，同时自放电率接近零。另外空气电池还具有比能量大、性能稳定、安全性强等优势，也存在对空气湿度与二氧化碳等影响因素极为敏感的问题。铝空气电池在新能源汽车领域有着极为广阔的应用前景，不过目前还存在不小的技术瓶颈，需要在未来不断进行创新研发，从而提高续航能力、循环使用寿命以及降低产品重量、生产成本等，更好地适应未来行业发展。铝空气电池在工作时会通过铝和空气中的氧发生化学反应并放电，并能依靠其极高的比能量为新能源汽车提供更大的续航里程。实际上即便在目前铝空气电池受技术限制较为严重，但其应用于新能源汽车中能提供的续航里程依旧高于锂电池，可见其未来发展前景之巨大。国外不少企业已经在紧锣密鼓地推进铝空气电池在新能源汽车上的应用试验，譬如美国铝业公司和以色列Phinergy公司、印度石油公司与以色列Phinergy公司等就分别曾宣布合作开发铝空气电池。我国则早在上世纪90年代就已经开发出了以铝、空气、海水等为能源的空气电池，并在新能源汽车研发进程中积极探索铝空气电池的应用路径，大力布局相应的产业链，诸如云铝集团、空天科技均是其中的代表性公司。不过目前铝空气电池在新能源汽车中的应用尚未取得明显突破，仍需在续航能力、充电速度等方面加强研发。

3.1.3 飞轮储能器

飞轮储能器主要由转子系统、电机、输入/输出电路、真空室等部分组成。其中转子系统包含飞轮以及支撑两部分，飞轮形状多样，包含单层圆柱状、多层圆柱状、纺锤状、伞状等，而支撑则可根据实现方式分为超导磁悬浮支撑、点磁悬浮支撑、永磁悬浮支撑、机械支撑等不同形式。飞轮储能器的电机，一般会采取永磁同步电机。由于电机功耗受多方面因素如电枢电阻、涡流电流、磁滞损耗等，因而飞轮储能器中的电机一般会选用无铁定子、钕铁硼永磁铁。至于输入/输出电路则是整个系统的控制元件，是将储能器中的电能与机械能进行转换的关键部分。至于真空室则是提供真空环境以及屏蔽事故的关键部分，是确保飞轮储能器运行安全和稳定的部分。飞轮储能器虽然具有储能效率高、比功率大、可使用寿命长、受外界温度影响小等优势，但是目前相关技术并不成熟，同时成本较为高昂，安全隐患较大，还需要在未来探索其在新能源汽车中的应用路径。

3.1.4 燃料电池

纯电动汽车是新能源汽车中具有巨大发展潜力的类型。然而纯电动汽车目前最大的问题在于无法像传统燃油车一样在短时间内完成燃料加注，目前较为成熟的各种动力电池均难以平衡快速充电、续航里程、比效率等之间的关系。而燃料电池作为将燃料所具有化学能直接转化为电能的电池，其只需要通过氢气与来自空气中的氧发生反应并生成电能即可。在新能源汽车领域，燃料电池的应用不仅能为汽车提供动力，还能像燃油汽车加油一样快捷、方便地完成氢燃料的加注。不过目前燃料电池研发水平偏低，成本较为高昂，整个产业链不够完善，存在上游纯氢制备技术不成熟、大规模海水制氢技术待突破、氢的储存运输成本过高等问题，还需要不断加以优化和完善方能真正应用到新能源汽车之中。

3.2 市场需求量大

近年来，新能源汽车市场蓬勃发展，规模持续增长。作为新能源汽车核心的动力电池自然收到了广泛关注，大量消费者都对新能源汽车的续航里程、充电时间、安全性等十分重视，极为关注动力电池的发展。在巨大的市场需求之下，动力电池的研发、应用自然有着极为利好的条件。而且新能源汽车动力电池作为消费品的性价比优势会逐步体现，同时渗透率会有所提升、储能行业迎来突破，使得动力电池在未来长达十几年内的需求可能维持在25%以上的高复合增速状态，前景极为广阔。我国以宁德时代为首的动力电池企业不仅在国内占据着重要作用，在国际竞争中也占据着一定优势，能够凭借国际订单的支持进一步推动动力电池市场的扩张。

3.3 产业政策支持到位

新能源汽车动力电池的规模、持续、良好发展，离不开产业政策的支持。目前我国高度重视新能源汽车产业的发展，自然对相关产业尤其是动力电池产业极为关注。近年来，全国各个地区关于新能源汽车动力电池产业的政策数量逐步增加，并且广泛覆盖了战略规划、行业规范、补贴与投资、电池回收等领域，为产业健康发展提供了有力支持。可以预见的是，随着整个行业的不断发展，相关产业政策支持力度会进一步加大，政策数量会持续增加，政策利好条件也会明显改善。

3.4 专利技术水平稳步提升

技术是推动新能源汽车动力电池整体质量与水平不断提升的关键。而专利技术的申请情况，能够在一定程度上反映行业技术发展情况。自2014年以来，我国动力电池专利申请数量快速增长，而且这一增长趋势较为明显，2021年包括蜂巢能源、比亚迪、国轩高科、宁德时代、恒大新能源等在内的一系列企业均申请了大量动力电池相关专利，数量分别为878项、525项、489项、327项、272项。在动力电池技术不断突破的未来，这一趋势必然会在较长时间内持续下去，为整个行业的健康、良好发展提供必要的技术支持以及规范保障。

4 结语

综上可知，新能源汽车行业的发展离不开动力电池的支持。目前动力电池产业虽然已经能够为新能源汽车行业规模化、市场化发展提供支持，但无法充分发挥新能源汽车的优势，在续航里程、充电速度、安全性等方面还难以令人满意，尚需在技术、政策、行业规范等方面不断探索，进而为新能源汽车行业的健康、良好发展带来更多可能性。