电动汽车锂离子电池存在的问题及性能

电动汽车锂离子电池存在的问题及性能

任立英

天津市捷威动力工业有限公司  天津  300380

摘要：随着新能源技术的快速发展，在使用的过程中还存在着一定的问题，阻碍了电动汽车产业的进一步发展。为保证电动汽车电池的性能及用户的充电体验，要求电池具有较高的能量密度保证其续航能力，同时具有良好的高、低温充放电性能，以提高充电效率和充电时间。笔者主要梳理了电动汽车面临的问题及性能。

关键词：锂离子电池；新能源；电动汽车；续航里程；充电效率；安全

引言

近年来，在中国随着低碳环保政策的出台，新能源汽车行业迅猛发展。根据公安部统计的数据，2022年年底国内的新能源汽车保有量相比2021年大幅度提升，已经达到1310万辆，同比增长67.13%。2022年国内新注册登记的新能源汽车为535万辆，同比增长81.48%，表现出了非常快速的发展势头。作为新能源汽车主导的电动汽车具有污染低，效率高，噪音低，不依赖汽油，结构相比传统内燃机汽车更简单等优点。电池是纯电动汽车的关键核心部件。锂离子动力电池以其工作电压高、比能量高、循环寿命长、自放电率低、无记忆性、无污染、外形多样等优势，成为了纯电动汽车动力电池的主流之选，但在续航里程、充电时间、安全性等方面仍存在问题。

1锂离子电池特性

常规锂离子电池由正极、负极、隔膜和电解液（固态/液态）构成。电池组成中的正、负极材料可在表面顺利吸附脱附Li+，充放电过程中Li+在电解液中以游离态穿过正负电极，呈现往复循环运动以完成电池的充放电过程。常见锂离子电池以石墨作为负极，LiCoO2为正极的电池为例，其充放电化学反应式为：正极反应：LiCoO2=Li1-xCoO2+xLi++xe负极反应：Cn+xLi++xe-=LixCn总反应：LiCoO2+Cn=Li1-xCoO2+LixCn锂离子电池的主要特点表现为：（1）比能量高，锂离子电池的质量比能量和体积比能量分别达到120~200Wh/kg和300Wh/kg以上，在目前的蓄电池中是最高的。（2）自放电低，在正常存放情况下锂离子电池的月自放电率通常仅为l%左右。（3）循环寿命长、无记忆效应，二次电池100%的放电深度下充放电次数可达l00-l000次。（4）电解液多为有机体系，在过充、过放、短路及热冲击等滥用的状态下电池温度迅速升高，电池体系普遍存在易燃的问题。锂离子电池正极一般具备比电容大、安全性好等特点，负极材料一般为石墨等稳定高电导率材料，而锂电池电解质体系现主要为固态化电解质（无机固体电解质、固态聚合物电解质、固液复合电解质等），导致常规锂离子电池存在的漏液、易燃、易爆等安全性隐患。因此，选择合适的电极和电解质体系是获得高能量、长循环寿命和安全性能良好的锂二次电池的关键。

2锂离子电池在新能源汽车中的发展优势

2.1市场需求大

随着新能源汽车市场与规模的不断扩大，作为新能源汽车核心动力的锂离子电池得到了广泛关注，引发了消费者对于新能源汽车充电时间、续航里程等内容的关注与重视。在较大的市场需求下，锂离子电池的设计、研发以及应用均有着较为便利的条件。与此同时，新能源汽车锂离子电池的性价比优势也在逐渐显现，使得锂离子电池在未来的需求可能呈现高复合增速状态，储能行业也相应迎来新的发展与突破。以宁德时代为首的储能企业不仅在我国占据着至关重要的地位，在国际市场竞争中也存在一定优势，同时可以凭借其优势进行新能源汽车锂离子电池市场的推动与扩张。

2.2产业政策扶持新能源汽车

锂离子电池技术的发展离不开相关产业政策的扶持。现阶段，我国高度重视新能源汽车领域的发展，对相关产业特别是锂离子电池产业重点关注。近年来，全国关于新能源汽车锂离子电池产业的政策逐渐增加，广泛覆盖多领域，为产业发展提供大力支持。未来，随着行业的不断发展，产业政策扶持力度会逐渐加大，数量也会不断增加，政策条件会有显著改善。

3电动汽车锂离子电池存在的问题及性能研究

3.1续航能力

电动汽车的续航能力与电池的能量密度有直接的关系。电池的能量密度一般可以分为体积能量密度和质量能量密度两种类型。体积能量密度一般是指单位体积的电池所能够输出的电能大小，单位一般可以用Wh/L来表示。质量能量密度一般是指单位质量的电池所能输出的电能大小，单位一般可以用Wh/kg来表示。

一方面，电池组的体积制约表现在，现有电动汽车都是在传统燃料汽车的基础上经改装而来的，所以并没有大量的空间用来增加电池的体积，而且电池组可再利用的空间非常小。为了提高空间利用率和增加方便实用性，电池公司对电池进行模块化设计。另一方面，单纯通过增加锂离子单电池的数量来提升续驶里程是不现实的。因为随着单电池数量的增加，汽车的总质量也相应增加，从而汽车在行驶过程中消耗的功率也就增大。虽然增加电池后能量储备有所上升，续航里程理论上可以增大，但是随着质量的增大行驶过程中的能耗也增加了，行驶里程反而会减少。

此外，电动汽车的续驶里程与电池的寿命密切相关。有研究表明，随着电池容量的衰减，车辆的续驶里程也会大大缩减。影响锂离子电池循环寿命的因素是多方面的。更长的循环寿命意味着更少的能源消耗，包括放电深度与可充电频次、电池材料、充电习惯、使用温度等。

3.2充电技术

随着电动汽车的普及和推广，充电技术的提升对电动汽车的续航能力及整体性能的提升都起到了非常重要的作用。然而，充电排队时间长，充电桩利用率低，充电运营商盈利难等相关问题不断凸显。为了使车主达到良好的充电体验和使用感受，高效快捷的充电过程是电动汽车使用过程中的关键环节，也会推动整个电动汽车行业的发展。便捷、高效、安全的充电方式，能够减少充电时间，让充电效率得到显著的提升，还能提升用户的使用感受，此外还可以降低电池损耗，延长电池的使用寿命，集快充和高续航里程于一身。

纯电动汽车的充电模式有三种，分别是更换电池、无线感应、有线传导。纯电动汽车充电技术有电磁感应技术、驱动电机技术、大功率充电桩、柔性充电技术、换电技术、无线电波式等。无线充电技术由于具有充电便捷、充电时间短、成本低、运行效率高等优点，或将成为未来纯电动汽车的主流充电方式。因此，如何降低充电时长、提高电动汽车充电桩充电速率成为目前急需解决的问题。

截至目前，电动汽车快速充电桩常用的充电方式有恒压充电、恒流充电、大电流脉冲充电、间歇恒流或恒压充电等方式。近年来，脉冲充电法已成为锂离子电池的一种主要的快速充电方法。通过脉冲技术能够大大提高充电效率，缩短充电时长，更好地减小了电池的极化效应和析气量。关蕾通过放电实验得出，脉冲充电技术与恒定电流充电技术相比，充电时间有所减少，充电效率明显提高，电池极化效应有效降低。虽然脉冲充电技术是一种有效的电池快速充电方式，但是其能量转换效率还有待提高，同时对控制要求复杂。间歇充电法由于其具有超高的能量效率，近几年发展迅猛，但是在控制上也提出的更高的要求。

3.3安全性

近年来，虽然中国新能源汽车产业持续快速发展，但是动力电池的安全隐患问题突出，燃料爆炸导致的火灾等引起人们的持续关注。热安全依然是限制动力电池甚至电动汽车产业发展的一个重要因素。锂离子电池安全工作的范围比较狭窄，过高或者过低的温度，都可能导致电池内部发生短路，引起爆炸。目前，动力电池热失控是发生汽车火灾事故的主要原因。当电池发生短路时，电池内部温度急速升高，并迅速地向外散发热量，从而导致过热，引发爆炸等事故。对热失控产生影响的因素可划分为内因和外因两方面。内因主要有电动汽车电池的生产材料（包括电解液等）的材料安全和产品质量等原因。外因主要有电动汽车电池在运行使用的过程中，由于机械或者电气等的滥用，比如挤压或者碰撞等，引起电池变形或者开裂，从而导致了电池内部短路或者温度异常，引发了一系列的安全问题。

为了确保电动汽车锂电池的安全性，电池生产商们必须要对电池的材料、生产和加工过程等方面做进一步的改善。此外，电池管理系统的使用能够实现对电动汽车电池热失控的预估和报警，对电池系统运行过程中的各项数据进行实时分析，从而达到对电池的运行安全进行监控和预警的目的。这是目前能够提升锂离子电池运行安全的一种切实可行的措施。

结束语

综上所述，电动汽车的发展和普及是汽车工业发展的必然趋势。只有注重电动汽车电池的各个方面的性能提升和使用安全性，加强对锂电池新材料的研发力度，降低用电成本，并对新技术新工艺进行创新，从而克服续航里程短、充电时间长、性能不稳定、安全性差等短板，才是兼顾个人出行、全球减排和提升空气质量需求的关键。

参考文献

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