电动汽车用锂离子电池技术研究

电动汽车用锂离子电池技术研究

黄河

惠州亿纬动力电池有限公司  广东 惠州  516000

摘要： 动力电池作为新能源汽车的动力源，其能量密度与整车的续航里程及安全性等密切相关，而锂离子电池具有高能量密度、高安全和可靠性、及快速充电等技术特点，是当前新能源汽车动力电池的主流选择。基于动力电池应用场景的需求，从能量密度、循环寿命、快充、结构稳定性、生产效率、成组效率六个方面剖析了不同技术路线下锂离子电池技术方案的优势和不足。总结了不同应用场景下，新能源汽车对电池技术路线的选择趋势，展望了锂离子动力电池未来的发展趋势，为新能源汽车行业未来的发展提供参考。

关键词：新能源；锂离子电池；动力电池技术

1. 引言

随着全球“双碳”目标的规划和实施，新能源汽车成为了未来汽车产业的重要发展方向。动力电池作为新能源汽车的核心部件，其技术发展趋势和前景备受市场关注。锂离子电池以其技术成熟度高与产业化成熟度高的特点，成为电动汽车用动力电池的主要方向。

2. 电动汽车用锂离子电池技术现状与进展

锂离子电池由正极材料、负极材料、隔膜、电解液、内部连接件、外壳与盖子组成。锂离子在正极和负极中可逆的嵌入和嵌脱。充电时，锂离子从正极材料中的晶格脱出，经过电解液后迁移到负极材料的晶格中，使得负极富锂，正极贫锂；放电时，锂离子电池从负极材料的晶格中脱出，经过电解液后嵌入正极材料的晶格中，使得正极富锂，负极贫锂。

电动汽车用锂离子电池根据电池的外部形状可以分为：圆柱型电池、方型电池、软包电池。三种形状的电池从能量密度、循环寿命、快充、结构稳定性、生产效率、成组效率，六个方面各有特点。圆柱型电池是外形为圆柱体，外壳封装材料通常使用钢壳的电池。在能量密度、结构稳定性和生产效率上更具优势。圆柱电池采用钢壳圆柱结构，外壳不易变形，且配置合适的安全泄压设计，其能量密度可以设计更高。钢壳硬度是铝壳的600倍以上，使其在整个寿命周期中电池形态保持一致，不易出现变形。圆柱采用的是卷绕型的卷芯工艺，圆柱卷绕生产效率最高可设计至350ppm，其生产效率更高。方型电池是外形为棱柱体，外壳封装通常为铝壳的电池。卷芯可使用卷绕或叠片，其生产效率在10-25ppm。由于其棱柱体的外形，在pack设计时，可直接“无缝”堆叠，使其具有更高的成组效率，最高可达到70%以上。软包电池为外形是棱柱体，外壳封装材料使用的是铝塑膜，铝塑膜比钢壳和铝壳材质轻，所以软包电池可以设计成更高的质量能量密度。软包电池卷芯使用的是叠片结构，具备更优的循环性能和快充性能。

锂离子电池按照正极材料的种类，可以分为磷酸铁锂类、三元材料类、富锂锰基等。磷酸铁锂类电池的正极材料一般是材料微观结构为橄榄石结构的磷酸铁锂正极材料、磷酸铁锰锂正极材料。使用磷酸铁锂正极材料，质量能量密度可达180Wh/kg，改材料市场使用超10年。磷酸铁锰锂正极，质量能量密度最高可以达到210Wh/kg左右。三元材料类电池的正极材料一般是材料微观结构是层状氧化物的镍钴锰（铝）酸锂材料（NCM/NCA），根据镍金属元素占比，通常有3系（NCM333）、5系（NCM632）、6系（NCM622）、8系（NCM811）、9系。5系及以下的正极材料使用年限8年以上（镍含量越高市场批量使用年限越低），技术成熟度高。还有使用铝元素而不使用锰元素的正极材料为NCA。三元材料根据不同镍的含量，质量能量密度可以做到250-350Wh/kg。

动力电池根据应用场景具备相应的技术特点：高能量密度[1]、高安全和可靠性[2]、快速充电技术。能量密度越高，汽车的续航里程越长。因此提高动力电池的能量密度是发展目标之一。高安全和可靠性直接关系到新能源汽车的安全性，不断提高安全性和可靠性，减少电池燃烧、爆炸等安全事故的发生是动力电池技术发展的目标。充电时间较长，影响了用户的使用体验，缩短充电时间，提高用户的使用便利性是动力电池技术发展的目标。

结合电池的外形和正极材料的种类，电池可以分为方形磷酸铁锂电池、方形磷酸铁锰锂电池、方形三元电池、圆柱三元电池、软包三元电池等。

方形铁锂电池，由于其更低的成本优势，目前占据市场50%以上的份额。180Wh/kg的单体电池，封装成系统后，电动汽车可行驶200km-500km续航。续航在500公里以下的电动汽车选择方形铁锂电池。磷酸铁锂电池具有低成本、长寿命[3]、安全性能高的技术特点，但是由于其正极材料的本征动力学性能不高，导致其在极端环境下，比如低温-20℃放电容量低。无法在寒冷环境下长期使用。

500公里-700公里续航，由于里程数增加，单纯使用方形铁锂电池将无法实现目标续航。有多种解决方案：第一种是使用能量密度更高的三元材料，比如方形三元电池。但是由于金属镍、钴的价格比磷酸盐高，其价格上会存在劣势。第二种解决方案，使用三元材料与磷酸铁锂材料混合，即能保持更优的价格，更安全，也能实现质量能量目标和续航目标。第三种解决方案，使用质量能量密度更高的磷酸铁锰锂正极材料，但是此材料技术成熟度比磷酸铁锂材料低，批量使用还需要1-2年时间。此续航范围内的动力电池技术，属于百家争鸣的状态。一方面续航提升，汽车对动力电池的成本可以适当放宽，有机会增加三元的比例。另一方面三元电池的低温性能比磷酸铁锂电池高，伴随成本上升的情况下，可以拥有更高的续航，更优的极端工况驾驶体验。

700公里以上续航的高性能车，需要使用质量能量密度更高的圆柱三元电池或软包三元电池。

最近5年来，行业内对于快速充电技术的需求已经从45min充电提升到10min充电。目前，20min-30min充电技术已使用在动力电池上。10min-15min充电技术正在开发中，预计未来3年可实现。

3. 结束语

每种电池都有其各自的特点，以及各自的使用领域。对成本要求高的电池，将选择磷酸铁锂技术路线。对性能要求高的电池，选择三元技术路线。处于成本与性能交叠范围内的场景，则属于磷酸铁锂与三元技术路线的混合争锋状态。

参考文献：

[1] 杨续来，袁帅帅，杨文静. 锂离子动力电池能量密度特性研究进展[J]. 机械工程学报. 2023，59（06）.

[2] 邵丹，骆相宜，钟灿鸣. 动力锂离子电池安全性研究的进展[J]. 电池. 2020，50（01）.

[3] 田君，高洪波，张跃强. 电动汽车动力锂离子电池寿命预测方法研究[J].电源技术. 2020，44（05）.