電池的能量密度是否是制約電動汽車普及的唯一因素？
啟明星
2018-09-11
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在電動汽車的發(fā)展歷程中，續(xù)航里程一直是人們最為看重的指標(biāo)，這需要它的動力來源─鋰離子電池具備很高的能量密度，但這是否是制約電動汽車在我國普及的唯一因素?本文就此問題進(jìn)行了簡要分析。
摘要：在電動汽車的發(fā)展歷程中，續(xù)航里程一直是人們最為看重的指標(biāo)，這需要它的動力來源─鋰離子電池具備很高的能量密度，但這是否是制約電動汽車在我國普及的唯一因素?本文就此問題進(jìn)行了簡要分析。
由于國家政策的大力支持，新能源汽車行業(yè)在我國發(fā)展迅猛。近年來隨著電動汽車的續(xù)航里程不斷增加，越來越多的人將目光從傳統(tǒng)的燃油汽車轉(zhuǎn)移到純電動汽車上，每當(dāng)一款新的電動汽車上市，廠商重點宣傳的是其續(xù)航里程，同時這也是消費者極其看重的指標(biāo)。為什么人們對電動汽車的續(xù)航能力如此關(guān)注?主要原因有以下兩點：
(1)充電設(shè)施不完善：許多購買電動汽車的家庭都不具備安裝私人充電設(shè)施的條件，而對于公共充電設(shè)施，雖然國家加大了建設(shè)力度，但其密度遠(yuǎn)無法達(dá)到傳統(tǒng)加油站的程度，因此人們在駕駛電動汽車時常常要為尋找充電設(shè)施而耗費精力。
(2)充電所需的時間成本過高：目前主流的電動車慢充到滿電量需要耗費6～8小時，即使是快充到80%電量也需要30分鐘以上，這遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)燃油車加油所需要的時間，因此人們選擇用電動車代替燃油車就意味著要付出更高的時間成本。
由于目前電動汽車的續(xù)航里程相比燃油車還有較大的差距，頻繁的充電會讓以上兩點弊端更加凸顯。這些不利因素的存在阻礙了電動汽車的普及，特別是在幅員遼闊、地域發(fā)展不均衡的我國尤為明顯。為此人們希望電動車具備更高的續(xù)航里程，因為這樣可以相對減少為汽車充電的次數(shù)，從而減輕以上不利因素的負(fù)面影響。為了提高電動汽車的續(xù)航能力，需要對其動力核心─鋰離子電池進(jìn)行改進(jìn)。由于一輛汽車裝載電池的能力有限，只有提高單體電池的能量密度，才有可能顯著增加電動汽車的續(xù)航里程。因此我國在《中國制造2025》中明確提出：到2020年，我國動力電池要達(dá)到能量密度300瓦時每千克以上。為了達(dá)到此目標(biāo)，許多企業(yè)已經(jīng)開始著手對鋰離子電池的組成材料進(jìn)行更新?lián)Q代，例如用高比容量的高鎳、富鋰正極、硅碳負(fù)極材料，代替原有的三元、磷酸鐵鋰正極、石墨負(fù)極材料。但是為了實現(xiàn)電動汽車在我國的普及，僅僅追求鋰離子電池的能量密度是不夠的，在滿足能量密度需求的同時以下幾個方面仍必須注意：
倍率性能。鋰離子電池的充放電倍率決定了其作為儲能裝置存儲和釋放能量的速度，這直接影響了電動汽車的動力以及充電所需的時間。如果電動汽車的充電時間能夠與傳統(tǒng)燃油車的加油時間處于同等水平，必將加快電動車的普及速度，因此倍率性能的提高顯得尤為重要。決定鋰離子電池倍率性能的因素有很多，如正負(fù)極材料的電導(dǎo)率，鋰離子在正極、負(fù)極和電解質(zhì)中的擴(kuò)散速率，電池內(nèi)部的接觸電阻等。以目前市場主流的三元正極-石墨負(fù)極鋰離子電池為例，在充電過程中，鋰離子從正極由內(nèi)向外擴(kuò)散脫出，隨后在電解液中形成溶劑化的鋰離子并遷移到負(fù)極表面，在去溶劑化后嵌入到負(fù)極中形成LixCn化合物。在此過程中，鋰離子在石墨負(fù)極中的擴(kuò)散速率相對較慢，在大電流充電時鋰離子容易在負(fù)極表面還原成金屬鋰并形成鋰枝晶，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電池內(nèi)部短路并引發(fā)惡性事故，這是當(dāng)前制約鋰離子電池充電速度的主要原因。因此，在鋰離子電池更新?lián)Q代時，選用的高能量密度材料也需具備良好的倍率性能。
安全性能。近年來隨著鋰離子電池的相關(guān)產(chǎn)品大量進(jìn)入人們的生活，與之相關(guān)的事故報道也逐漸增多。而電動汽車需要裝載大量鋰離子電池作為動力來源，其安全問題也受到了人們的重點關(guān)注。鋰離子電池作為能量的載體，在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，這在大電流充放電時更為嚴(yán)重。熱量的持續(xù)累積會導(dǎo)致電池內(nèi)部的溫度過高，由此引發(fā)的內(nèi)部材料分解是造成鋰離子電池安全事故的主要原因。例如常用的三元正極材料，在發(fā)生熱分解時會釋放大量熱量和氧氣，這會促進(jìn)電池在熱失控時的燃燒。目前為了增加三元鋰電池的能量密度，需要提高正極材料鎳元素比例，但這也會進(jìn)一步降低材料的熱穩(wěn)定性。因此在提升材料能量密度的同時，還應(yīng)當(dāng)保證其安全性，因為安全隱患的增加也會阻礙它的應(yīng)用。
循環(huán)性能。循環(huán)性能直接關(guān)系到鋰離子電池的使用壽命。使用壽命的縮短意味著更換電池頻率的增加，這變相地提高了電池使用成本，也為使用者帶來了許多不便。反復(fù)地對鋰離子電池進(jìn)行充放電會在某種程度上破壞電池的正負(fù)極材料，并且電極與電解液之間副反應(yīng)的累積也會在電極表面形成較厚的惰性層，這些都會阻礙鋰離子在充放電時的擴(kuò)散行為，進(jìn)而導(dǎo)致電池能量密度的衰減。目前高容量的正極材料(如高鎳三元材料、富鋰材料)和負(fù)極材料(如硅/碳復(fù)合材料)，它們相對不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其循環(huán)性能不夠理想，這一點還需要繼續(xù)改進(jìn)。
高低溫性能。由于鋰離子電池的性能與溫度關(guān)系密切。在較低的溫度下，鋰離子擴(kuò)散速率的減慢會導(dǎo)致電池的容量和倍率性能下降，同時負(fù)極的析鋰問題更加突出。而較高的工作溫度會加快電池中不利的副反應(yīng)，進(jìn)而降低電池的循環(huán)性能和安全性能。由于我國南北跨度很大，使用條件的差異也應(yīng)當(dāng)在設(shè)計高能量密度鋰離子電池的時候予以考慮。
傳統(tǒng)燃油車逐漸被新能源汽車所代替是汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前為了加速電動汽車在我國的普及，僅僅提高鋰離子電池的能量密度是不夠的，電池的其它性能指標(biāo)(如倍率、安全、循環(huán)、高低溫性能等)同樣很重要。除此以外，還需要繼續(xù)降低鋰離子電池的制造成本，并對基礎(chǔ)充電設(shè)施進(jìn)行完善。
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