新能源汽车供能电池技术的应用分析

摘要：随着全球环境问题的日益突出，新能源汽车的发展越来越受到关注。供能电池技术是新能源汽车的关键技术之一，其性能和应用领域的不断扩展将推动新能源汽车的快速发展。与此同时，智能化技术的不断创新和应用，也将为电池管理和车联网等领域的发展提供新的机遇和挑战。据此，针对新能源汽车供能电池技术的分类、优缺点及应用领域进行阐述，探讨了智能化技术在电池管理系统和车联网技术中的应用，同时分析了新能源汽车供能电池技术的环境和社会影响，提出了相应的解决方案。

关键词：新能源汽车；供能电池；应用

中图分类号：U469.7  收稿日期：2023-03-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.08.020

1 新能源汽车概述

1.1 新能源汽车的定义

新能源汽车是指采用新型动力技术和燃料的汽车，主要包括电动汽车、燃料电池汽车、混合动力汽车等。相较于传统燃油汽车，新能源汽车具有更高的能量利用效率、更低的污染排放和更少的能源消耗，被认为是未来汽车行业的发展趋势。同时，新能源汽车也是推动环保和可持续发展的重要手段之一。

1.2 新能源汽车的发展历程

在20世纪60～70年代，一些国家开始尝试开发电动汽车、太阳能汽车等新型汽车技术，但由于技术水平和市场需求等因素的限制，新能源汽车并未得到广泛推广。1990～2000年代，随着环境保护意识的增强和能源危机的加剧，各国开始加大对新能源汽车的技术研发投入。其中，电动汽车成为研究的重点，同时燃料电池汽车和混合动力汽车等新型动力技术也开始得到关注。进入21世纪后，随着新能源汽车技术的不断进步和政策的推动，全球范围内新能源汽车市场逐渐迎来快速发展。2010年代以来，各国政府相继推出了一系列新能源汽车政策，如购车补贴、免费停车、免费充电等，极大地刺激了新能源汽车市场的发展。在各国政府和汽车厂商的不断努力和创新下新能源汽车技术逐渐成熟，并逐步成为汽车产业转型升级和绿色发展的重要方向[1]。

2 锂离子供能电池技术的优点

锂离子电池技术的优点体现如下：

a.相对于其他电池技术，锂离子电池具有较高的能量密度，可以存储更多的能量。

b.锂离子电池的寿命相对较长，可以充放电多次，有较长的使用寿命。

c.不含重金属等有害物质，对环境比较友好。

d.体积及重量相对轻巧，可以减轻电动汽车等设备的重量负担，但该电池在使用过程中容易受到高温、过充等因素的影响，安全性相对较差。

e.锂离子电池的制造成本相对较高，不利于降低电动汽车等产品的制造成本。

f.存在寿命衰减等问题，使用寿命有限[2]。

3 锂离子电池的技术进展

3.1 正极材料的研究与发展

正极材料是锂离子电池中的关键组成部分，直接影响着电池的性能和性质。在锂离子电池的研究与发展中，锂铁磷酸盐正极材料和锂镍锰钴氧化物正极材料是两个备受关注的重要领域。鋰铁磷酸盐正极材料具有很高的安全性和热稳定性，成为锂离子电池中一种理想的正极材料，由锂离子、铁离子和磷酸根离子组成，具有较高的放电电位和优异的循环寿命。相较于传统的锂钴酸盐正极材料，锂铁磷酸盐正极材料更加稳定和环保，能够有效降低电池的热失控和安全风险，且该种材料价格相对较低，具有良好的市场前景和应用潜力。锂镍锰钴氧化物正极材料是一种多元金属氧化物，其组成包括镍、锰和钴等金属离子，兼具了锂钴酸盐和锂铁磷酸盐正极材料的优势，具有较高的能量密度和优异的电化学性能，不仅能够提供较高的放电电位，还具有良好的循环寿命和快速充放电性能。

3.2 负极材料的研究与发展

锂离子电池的负极材料对电池的性能和循环寿命有着重要影响，在锂离子电池的研究与发展中，石墨负极材料和硅负极材料是两个备受关注的研究领域。

石墨负极材料具有良好的导电性、化学稳定性和结构稳定性，能够实现较高的充放电效率和循环寿命，其优点包括低成本、良好的电化学性能和较高的比容量，在锂离子电池领域得到广泛应用，但其比容量相对较低，限制了电池能量密度的进一步提升。

硅负极材料因其较高的理论比容量而备受关注，相较于石墨负极材料，硅负极材料具有更高的储锂能力，理论比容量达到了4 200 mA·h/g，能够存储更多的锂离子，实现更高的能量密度。然而，硅负极材料在充放电循环过程中容易发生体积膨胀，导致电极结构的破坏和容量衰减。因此，解决硅负极材料体积膨胀的问题是其应用和发展的关键。

为了克服硅负极材料的体积膨胀问题，研究人员开展了许多创新的设计和改进措施。例如，引入纳米结构和多孔结构可以缓解硅负极材料的体积膨胀，并提高电极的稳定性，采用复合材料、包覆材料和导电添加剂等方法也可以改善硅负极材料的循环性能和稳定性，为其实现商业化应用提供了前景。

3.3 电解质的研究与发展

液态电解质是传统锂离子电池中最常用的电解质类型，通常采用有机溶剂和锂盐混合物，具有良好的离子传导性能和电化学稳定性，能够提供较高的离子迁移率，实现较高的功率密度和循环寿命。然而，液态电解质存在一些缺点，如挥发性、易燃性和安全性等方面的隐患。

聚合物电解质因其优越的离子传导性能和较高的机械强度而备受关注，采用含锂的聚合物材料，具有较低的挥发性和较高的热稳定性，从而提高了锂离子电池的安全性。聚合物电解质具有较高的离子传导率和良好的机械柔韧性，能够在较宽的温度范围内工作。此外，聚合物电解质还具有较好的界面稳定性，可以减少电池内部的电极界面反应，从而提高电池的循环寿命。

3.4 电池封装与管理系统的技术进展

电池封装技术是将电池单体、电池模组或电池组件进行有效封装和保护的过程，旨在提供电池的物理保护、热管理和环境隔离，以确保电池的安全性和稳定性。电池封装技术包括外壳设计、密封材料、导电和隔离层等方面的工艺和材料创新。通过合理的封装设计和材料选择，可以提高电池的结构强度、温度管理和防护性能，从而增强电池的安全性和可靠性。

电池管理系统通过监测电池状态、电压、温度和电流等参数，实时掌握电池的工作状态，并根据需要进行电池充放电控制和保护，还能进行电池故障诊断和安全防护，避免过充、过放、过温和短路等问题。随着电池管理系统技术的发展，智能化和自适应控制成为电池管理系统的重要特征。电池管理系统通过数据采集、处理和控制算法的优化，实现对电池的精确管理和优化控制，从而提高电池的性能和寿命。

電池封装技术和电池管理系统的进展为锂离子电池的应用提供了更广阔的空间。通过优化封装设计和材料选择，可以提高电池的能量密度、循环寿命和安全性，满足不同应用场景的需求。同时，电池管理系统的智能化和自适应控制能够最大程度地发挥电池的性能，并确保电池在工作过程中的安全可靠性。未来的发展趋势包括更高集成度的电池管理系统、更精确的状态监测和更智能的控制算法，以推动锂离子电池技术的进一步发展。

4 新能源锂离子汽车供能电池技术的应用现状

锂离子电池被广泛应用于汽车制造行业，如特斯拉公司的电动汽车Model S和Model X等，均采用高能量密度的锂离子电池，能够实现长时间的续航里程和较高的性能表现。锂离子电池也是智能手机等移动设备的主要电源之一，如苹果公司的iPhone系列和三星公司的Galaxy系列等智能手机，均采用锂离子电池，能够实现较长时间的使用寿命。还可以作为笔记本电脑等便携式电子设备的电源，如苹果公司的MacBook系列和戴尔公司的XPS系列等笔记本电脑，均采用锂离子电池，能够实现较长时间的使用寿命和较高的性能表现。无人机等无人驾驶飞行器的动力来源也可以依靠锂离子电池实现，如DJI公司的无人机Phantom和Mavic系列等，均采用高能量密度的锂离子电池，能够实现较长的飞行时间和较高的性能表现。

随着环保意识的提高和电动汽车市场的快速发展，锂离子电池市场规模不断扩大，市场竞争也愈加激烈。目前，锂离子电池行业主要由日本、韩国和我国台湾等的企业主导，其中比较知名的企业包括松下、三星、LG化学、宁德时代等[3]。

5 新能源汽车供能电池技术的未来发展趋势

5.1 电池技术创新

电池技术的创新是推动电动汽车、可再生能源等领域发展的关键。当前电池技术创新包括以下几点：a.固态电池技术，使用固态电解质代替了传统的液态电解质，具有高能量密度、安全性高、长寿命等优点，固态电池技术正在不断发展，未来有望取代锂离子电池成为主流电池技术。

b.金属空气电池技术，主要通过金属和氧气进行反应产生电能，具有高能量密度、无污染、可重复充放电等优点，但目前尚存在电极寿命短等问题。

c.多离子电池技术，可以利用多种离子进行电荷传输、具有高能量密度、快速充放电、长寿命等优点。

d.柔性电池技术可以将电池制成柔性的形态，具有轻薄柔软、可弯曲、可穿戴等特点，目前已经在智能手表、智能眼镜等产品中得到应用。

由此可见，现代电池技术仍然处于不断创新和发展中，新的电池技术不仅可以提高电池的能量密度、安全性和寿命，还可以适应更多的应用场景[4]。

5.2 智能化技术

智能化技术是指利用计算机、物联网、人工智能等技术手段对生产、服务、管理等过程进行智能化改造的一种技术，其主要特点是通过数据的采集、分析和处理，实现对设备、流程和人员的智能化控制，从而提高生产效率、降低成本、提升服务质量。智能化技术在新能源汽车供能电池技术中的应用包括以下几点：

a.电池管理系统。该系统能够对电池状态进行实时监测、控制、保护和优化，提高电池的性能、寿命和安全性的智能化技术。

b.BMS系统。该系统可以对电池的电量、电压、温度、充放电速率等参数进行实时监测，并通过调节充放电速率、控制电池温度等方式，实现电池性能的优化和安全性的保障。BMS系统已广泛应用于电动汽车、储能电池等领域，成为保障电池安全性和提高电池寿命的重要手段。

c.车联网技术。该技术是通过无线通信技术将车辆与互联网连接起来的智能化技术，实现车辆的实时监测和远程控制，包括车辆位置、车速、油耗、故障等信息的实时获取，以及远程锁车、开车、寻车等控制指令的下发。车联网技术不仅提高了车辆的安全性和驾驶舒适性，还为车辆的管理和服务提供了新的手段。目前，车联网技术已广泛应用于汽车、物流等领域，成为智能交通和智能物流的重要组成部分[5]。

6 新能源汽车供能电池技术的影响

6.1 环境影响

新能源汽车供能电池技术的应用可以减少传统燃油车的尾气排放，降低空气污染和全球温室气体排放，对改善环境质量具有积极作用。同时，电池制造、使用和回收过程中产生的废弃物和污染物，也对环境造成一定影响。

6.2 资源影响

新能源汽车供能电池技术的发展需要大量的资源支持，包括稀有金属、钴、锂等材料。这些材料的采集和加工会产生环境污染和资源浪费，同时也会带来资源的紧张和价格上涨的问题。

6.3 社会影响

新能源汽车供能电池技术的发展，将带动相关产业的发展，创造就业机会。同时，电动汽车的普及也将改变人们的出行方式和生活方式，促进城市可持续发展。但是，电动汽车的价格较高，普及程度受到一定限制，需要政府和企业的支持和推动。

7 结语

新能源汽车供能电池技术是推动新能源汽车发展的关键技术之一，其应用领域和性能不断拓展和提高，将为环境保护和经济发展做出贡献。与此同时，智能化技术的应用也将为电池管理和车联网等领域的发展带来新的机遇和挑战。但是，新能源汽车供能电池技术的应用还存在一系列的环境和社会问题，需要各方共同努力，加强技术研发和管理，实现经济、环境和社会的协同发展。

参考文献：

[1]盖盼盼，李峰.基于酶生物燃料电池的自供能生物传感研究[C]//中国化学会第十四届全国电分析化学学术会议会议论文集（第一分册）.北京：中国化学会，中国仪器仪表学会，2020：136.

[2]张萌，王坤.万用表作为读出策略：一种基于光助双极燃料电池的便携式自供能传感器[C]//中国化学会第十四届全国电分析化学学术会议会议论文集（第三分册）.北京：中国化学会，中国仪器仪表学会，2020：135-136.

[3]陈颖旭，张敬东.基于双光电极无膜光燃料电池的自供能传感器电容放大后性能的比较研究[C]//中国化学会第十四届全国电分析化学学术会议会议论文集（第二分册）.北京：中国化学会，中国仪器仪表学会，2020：277-278.

[4]祝俊伦，伍珍，熊成义，等.基于可见光辅助锌空气电池系统的竞争型自供能电化学传感器[C]//中国化学会第十四届全国电分析化学学术会议会议论文集（第二分册）.北京：中国化学会，中国仪器仪表学会，2020：408-409.

[5]孙咪咪，周明.基于介孔碳纳米棒和碳纳米片的葡萄糖/氧气生物燃料电池的构筑及其用于自供能型电化学生物计算逻辑传感[J].分子科学学报，2020，36（5）：383-390.

作者简介：

陈碧雯，女，1989年生，讲师，研究方向为汽车机械与动力职业教育。