新能源产业：电动汽车锂离子电池存在的问题及性能
目前电动汽车电池在续航里程、充电效率、安全性等方面存在不足，所以不能完全满足人们的用车需求，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。此外，为了减少交通事故引发的短路、热冲击、爆炸等安全问题，需要对电池的安全性提出更高的要求。笔者主要梳理了电动汽车面临的问题及性能，并提出了电动汽车电池的日常维护和保养建议。
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。笔者主要梳理了电动汽车面临的问题及性能，并提出了电动汽车电池的日常维护和保养建议。
一、锂离子电池工作原理
锂离子电池的构成包括正极、隔膜、负极、有机电解液及电池外壳。按照正极材料不同，电动汽车行业使用比较广泛的锂电池主要有磷酸铁锂电池和三元锂电池。以磷酸铁锂电池为例，正极材料采用磷酸铁锂，负极采用石墨，聚合物隔膜把正负极分开，带电荷的锂离子在其中能够自由移动。其工作原理如下：
（来源：中机院）
充电时，带正电荷的锂离子从正极磷酸铁锂上出发，穿过隔膜到达负极的层状石墨上，并被储存在那里。这样，电池就完成了充电。当电池放电时，也就是当能量以电能的形式从电池中释放出来时，锂离子通过电解液，从负极出发，穿过隔膜返回到正极。电机会将电能转化为机械能，从而让汽车行驶。
二、电动汽车锂离子电池存在的问题及性能研究
电池是电动汽车的“心脏系统”，所以其性能对汽车的运行起到关键的作用，制约着电动汽车的普及和发展。受到成本、生产技术、制造工艺、电池材料等多方面客观因素的影响，目前电动汽车电池仍然存在着续航里程短，充电效率低，使用安全性等缺点，不能完全适应人们的用车需求，阻碍电动汽车产业的进一步发展<2>。为此，电动汽车制造商应该加大科研投入的力度，正视电动汽车在使用过程中存在的问题，并对其进行改进，同时降低用电成本，从而使电池变得更实惠，并在汽车传动系统中得到广泛应用。
为了保证电动汽车电池的性能能够满足日常所需，使电动汽车具有较好的续航能力，就要求电动汽车电池必须具有较高的能量密度。同时，由于电动汽车的销售跨越的地域范围广泛，因此要求电动汽车的电池具有良好的高、低温充放电性能。为了保证用户的充电体验，需提高充电效率和充电时间。在发生交通事故导致碰撞等情况下，电动汽车的电池可能会因为短路、热冲击等情况引发爆炸等安全问题，所以对电动汽车电池的安全性提出了更高的要求。
（来源：中机院）
2.1 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<3>。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。
能量密度低是目前电动汽车电池存在的核心问题。能量密度低意味着汽车的连续续航能力弱。目前，对于市面上所用电动汽车，在维持合适的行驶速度的情况下，每次充电后续驶里程通常在100～300km之间，电池组质量约150～500kg。很明显，电池的能量密度还有很大的提升和改进空间。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。当然了一味地增加电池的能量密度，也会带来成本、安全性等方面的问题。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。而电池的成本一般占汽车总成本的 30 % 左右，有的甚至达到 50 %，因此更换电池的成本会极大的影响电动汽车的广泛推广和普及。
2.2 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<7>。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。
韩国电池制造商 SK On 研究出的最新电池充电技术<8>，与目前普遍的电动汽车充电技术（一般充电时长 30 min）相比，充电时长仅需 18 min。据了解，该技术的关键是通过一种独特的涂层材料有效地降低了电池在充电过程中的阳极电阻。YANG X G 等的研究成果显示<9>，仅需充电 10 min，热调控硫酸铁锂电池可续航里程约 250 km。装载热调控硫酸铁锂电池的新能源汽车，百公里加速时间在 3 s 以内。热调控硫酸铁锂电池可以同时满足电动汽车的多项需求，集低成本、高安全、高功率、快速充电、全气候、长寿命于一身。目前，纯电动汽车充电技术的发展动向主要是提高充电速度和效率，革新纯电动汽车电池续航能力，推进充电设备智能互联，规范统一交易结算模式，配合新能源发电等。
2.3 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。但是，截至目前，电动汽车电池的安全性问题尚未得到根本性的解决。热失控在电动汽车电池的全生命周期中都存在安全风险，而现有的一些检测电动汽车电池安全性的方法由于成本高、具有破坏性等缺点，还无法全面有效地大规模施行。在当前的电动汽车电池产业中，还是以“预防为主，灭火为辅”的原则作为热失控安全防护的重点。
三、纯电动汽车锂电池的维护与保养策略
针对电动汽车电池存在的一系列问题，有效的维护和保养可以提高电池的使用寿命和安全性。比如：定期对电池进行日常检查，真正做到“防患于未然”；正确掌握充电时间，避免充电时间控制不当影响电池性能（一般情况下，保持电池的放电深度维持在 50 %～80 %，可获得最好的充电效果）；保持良好的驾驶习惯，尽量避免在驾驶过程中紧急加速或者减速，而且在凹凸不平的路面驾驶汽车时，尽量保持慢速匀速，以免造成电池的挤压变形，从而对电池的物理性能造成不可逆的损坏；尽量避免阳光暴晒及深度馈电发生；保护好汽车充电器等。
四、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。(作者：芮含笑)
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