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車用動力電池主要有蓄電池和燃料電池兩大類。顧名思義，蓄電池是利用化學(xué)物質(zhì)在電池正負極間進行可逆的充放電反應(yīng)儲蓄和釋放電能；燃料電池是利用化學(xué)物質(zhì)不可逆的燃燒反應(yīng)（氧化反應(yīng)）形成電子遷移在正負極間產(chǎn)生電流和電壓釋放電能。所以蓄電池需要充電，而燃料電池需要加“燃料”，如氫燃料電池需要加注氫燃料。蓄電池放電反應(yīng)通常沒有排放物，而燃料電池放電通常排放其氧化物，如氫燃料電池排放水（2H2+O2 =2H2O）。

燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前尚未達到規(guī)模應(yīng)用階段，僅有一些小規(guī)模應(yīng)用如氫燃料電池汽車或?qū)嶒炑芯侩A段。目前市場上規(guī)模應(yīng)用的動力電池都是蓄電池類，其中性能指標和應(yīng)用驗證最適合也是應(yīng)用最廣的是鋰離子電池。

鋰離子電池構(gòu)成： 正極材料

通常由鋰、鈷、鎳等金屬材料，與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑等加工而成，是決定電池性能的主要材料。

負極材料

主要作為儲鋰的主體，在充放電過程中實現(xiàn)鋰離子的嵌入和脫嵌，目前鋰電池負極材料主要是石墨。

隔膜

經(jīng)特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，可以讓鋰離子通過，而不讓電子通過，實現(xiàn)在充放電過程中鋰離子在正負極之間的遷移。

電解液

在電池內(nèi)部正負極之間形成良好的離子遷移導(dǎo)體，一般由有機溶劑、電解質(zhì)、添加劑等組成。

外殼

包裝電池的殼體，根據(jù)形狀不同主要分為：圓柱形，方形，軟包。

鋰離子電池充放電原理：

電池充電時：正極的鋰原子電離為帶正電荷的鋰離子和電子，帶正電的鋰離子從正極出發(fā)，穿過薄膜到負極，并在負極與電子合成鋰原子。

電池放電時：鋰原子從負極材料表面電離為鋰離子和電子，帶正電的鋰離子從負極出發(fā)，穿過薄膜到正極，并與電子合成鋰原子。

鋰離子電池的種類：

鋰離子電池主要根據(jù)正極材料名稱來命名，目前主要鋰電池有：三元鋰（NCM/NCA）、磷酸鐵鋰（LFP）、錳酸鋰，鈦酸鋰等。

各種不同的鋰離子電池其性能指標也有較大差異，三元鋰電池能量密度最高，單位體積重量下電池容納電量最多，從這個角度上來講最適合提升電動汽車的續(xù)航里程。由于其能量密度的顯著優(yōu)勢，以及新能源汽車補貼政策對續(xù)航里程的要求，一度被認為是電動乘用車未來的主流技術(shù)方向，但由于安全性較差，在數(shù)次失火事故后行業(yè)對其發(fā)展回歸理性態(tài)度，但隨著技術(shù)水平的不斷提升，安全性也得到有效提升，目前仍是電動乘用車最主要電池技術(shù)之一。代表車廠：特斯拉。

磷酸鐵鋰電池能量密度低于三元鋰電池，但安全性好，被認為是最安全的鋰電池技術(shù)之一，并且造價成本低于三元鋰電池，但低溫性能較差，其綜合性能是目前與三元鋰電池并駕齊驅(qū)的兩種主流電動汽車電池技術(shù)。

由于電動乘用車的空間和載重有限，對電池要求體積小、重量輕、容量大，目前以三元鋰和磷酸鐵鋰電池技術(shù)為主；大型車輛，如大型客車、貨車、泥頭車、工程車輛等，有更大的空間承載更重的電池，兼顧到安全性和成本因素，多使用磷酸鐵鋰電池。代表車廠：比亞迪。

錳酸鋰電池應(yīng)用較早，著名的日產(chǎn)聆風(fēng)（Leaf）電動汽車即使用錳酸鋰電池。自2010年上市，已經(jīng)銷往全球49個國家，據(jù)說創(chuàng)下了累計銷售突破30萬輛無一電池安全事故的記錄。但由于能量密度低，已逐漸離開主流技術(shù)行列，目前應(yīng)用較少。

鈦酸鋰電池具有幾項顯著的優(yōu)異特性：安全性好，特別是大功率快充性能好，循環(huán)壽命長，低溫適應(yīng)性好。但同時也有較大的缺陷：能量密度低，生產(chǎn)成本較高（鈦酸鋰價格較貴）。目前主要應(yīng)用在一些特殊用途和場景的車輛，如北方嚴寒地區(qū)公交車或工程車輛。代表車廠：珠海銀隆。

經(jīng)過前面的描述，小伙伴們應(yīng)該對目前幾種主要的電動汽車鋰電池技術(shù)有了一定了解，以后看到它們就知道它們的種類了：

Tesla主要使用松下產(chǎn)三元鋰電池，比亞迪e6使用自產(chǎn)磷酸鐵鋰電池，珠海銀隆新能源客車使用自產(chǎn)鈦酸鋰電池，比亞迪泥頭車使用自產(chǎn)磷酸鐵鋰電池。作了以上鋪墊，下面可以來談?wù)勪囯姵叵到y(tǒng)的安全性和充電快慢的問題。鋰電池的充放電是一系列非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，其中影響安全性的因素很多，最為重要和關(guān)鍵的是鋰電池充電過程中電池負極產(chǎn)生的鋰支晶現(xiàn)象。

根據(jù)前文鋰電池充放電原理可知，鋰電池充電時正極的鋰原子電離為鋰離子和電子，鋰離子從正極出發(fā)，穿過薄膜到負極，并在負極與電子合成鋰原子。

目前鋰電池負極材料通常為石墨，主要作用是吸收和嵌入從電池正極電離遷移而來的鋰離子，但由于石墨負極的吸收嵌入能力有限，一旦電離遷移來的鋰離子數(shù)量超過負極石墨可嵌入數(shù)量，在電流、離子濃度、負極表面粗糙度等一系列因素作用下鋰離子將在負極表面結(jié)晶，通常稱為鋰枝晶。

形成鋰枝晶是不可逆過程，鋰離子一旦結(jié)晶將不能再參與電離反應(yīng)，即造成了鋰電池的容量和使用壽命衰減。若鋰枝晶繼續(xù)增大，電池將可能出現(xiàn)鼓包，失效等問題。從而造成了電動汽車故障的主要原因。




鈦酸鋰電池具有良好的安全性，大功率快充性以及循環(huán)壽命長等特點，其原因就是鈦酸鋰電池用鈦酸鋰代替石墨作負極，鈦酸鋰負極即使在大功率充電情況下也不易形成鋰支晶，從而避免了產(chǎn)生的風(fēng)險和問題的可能，并延長了電池的循環(huán)壽命。

因而對于目前鋰電池技術(shù)原理來講，大功率快充與安全性及循環(huán)壽命是此消彼長不可兼得的關(guān)系，提高充電功率縮短充電時間勢必增加形成鋰支晶的風(fēng)險，影響安全性和循環(huán)壽命。同時提升兩方面的性能正是鋰電池廠家努力的方向。

另一方面科學(xué)家們也在另辟蹊徑，試圖通過改變鋰電池基本材料和結(jié)構(gòu)來解決安全性和能量密度的問題。如固態(tài)電池，將鋰電池中易燃易爆的液態(tài)電解液換成不易燃的固態(tài)物質(zhì)，將大大減少燃燒爆炸的風(fēng)險。但由于固態(tài)電解質(zhì)與正負極材料貼合度較低，影響鋰離子傳導(dǎo)，進而影響電池性能，同時由于成本原因，目前還尚未達到大規(guī)模應(yīng)用的階段。

所以要保障電動汽車使用安全，一方面要選擇制造工藝和產(chǎn)品質(zhì)量良好的鋰電池和整車，另一方面要選擇質(zhì)量可靠性能穩(wěn)定的充電設(shè)備，充電設(shè)備在為電池充電過程中與電池BMS交互信息，按照恰當?shù)闹噶罱o電池提供匹配的充電功率，同時發(fā)揮著充電狀態(tài)監(jiān)控，安全保護，智能管理等多項重要功能，充電樁通過對充電各項指標的監(jiān)控和分析，為充電提供全方位保護功能，包括過流保護、過壓保護、過熱保護、短路保護、反接保護、漏電保護、絕緣保護等，保障按電池實時狀態(tài)精準分配充電功率和提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的充電電能，是保障充電安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。技術(shù)先進，質(zhì)量良好，穩(wěn)定可靠的充電設(shè)備將是充電安全的重要保障。

隨著對電動汽車續(xù)航里程要求的不斷提高，動力電池能量密度和容量不斷增大，對充電時間要求不斷縮短，大功率直流快充成為行業(yè)發(fā)展的趨勢，目前國內(nèi)主流招標直流充電樁功率已達到120KW~180kw/臺， 特斯拉推出了最新一代超級充電樁Super charger V3，為Model 3充電功率到達250千瓦。國內(nèi)主流充電樁廠家科士達也推出了性能優(yōu)越的240KW直流大功率充電樁和360KW一托十分體式直流充電樁。預(yù)計到2021年~2022年單機功率達500KW以上的充電樁有望面市，單車充電功率也預(yù)計將達到200KW~250KW以上。 對提升電動汽車使用體驗的追求，也推動技術(shù)上必然向大功率快速充電方向發(fā)展，未來“充電10分鐘，續(xù)航300公里”類似這樣的廣告宣傳將是新能源汽車廠家有力的競爭砝碼，但在鋰電池的技術(shù)原理和物理結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)改變情況下，大功率快充仍然對鋰電池的循環(huán)壽命和安全風(fēng)險產(chǎn)生一定的影響，所以建議即使未來技術(shù)達到，也不必一味追求充電時間短，畢竟電池成本將近占整車成本的一半，電池的使用壽命和安全性直接決定了整車的使用成本和安全性，在可選的情況下可更多使用中小功率慢充，保持電池的使用壽命，也降低充電安全風(fēng)險。

在電動汽車選擇方面，若看重續(xù)航里程長，帶電量大等性能，可多關(guān)注三元鋰電池汽車，通常高端車型比較多；若看重安全可靠，使用壽命等性能，則可多考慮磷酸鐵鋰電池汽車，通常中低端車型比較多。隨著鋰電池技術(shù)發(fā)展，兩種電池技術(shù)的優(yōu)缺點都在逐步提升和改善，未來或?qū)⒁徊l(fā)展。

在國家政策層面，5月29日，工信部裝備工業(yè)發(fā)展中心發(fā)布關(guān)于實施電動汽車強制性國家標準的通知：實施《電動汽車安全要求》、《電動客車安全要求》、《電動汽車用動力蓄電池安全要求》三項強制性國家標準。

在新基建和電動汽車產(chǎn)業(yè)的共同的推動下，充電樁將向更大功率的方向發(fā)展，對充電樁的質(zhì)量和性能可靠性有了更高的要求，充電樁產(chǎn)品未來在安全監(jiān)測，安全保護方面的技術(shù)還需要持續(xù)提升。大品牌，技術(shù)領(lǐng)先，質(zhì)量優(yōu)良，性能可靠的充電樁廠家將逐步發(fā)揮出優(yōu)勢。

而對新能源車主來說，購買優(yōu)質(zhì)可靠的電動汽車，選擇質(zhì)量可靠的大品牌主流充電設(shè)備如科士達充電樁，形成快慢充相結(jié)合的使用習(xí)慣，也是延長電池壽命，降低安全風(fēng)險的有效方法。


原標題： 電動汽車鋰電池技術(shù)的應(yīng)用種類與安全性研究分析