电动汽车电池技术及材料介绍

10电动汽车电池技术及材料的将来进展趋势初步分析一、电动汽车技术路线车，是涉及机械、电子、电力、微机掌握等多学科的高科技产品。依据Plug-in力气。1、混合动力汽车〔HybridElectricVehicleHEV〕在过去的十余年间，由于技术相对成熟，节能和环保效果明显，Prius和Civic年来，欧美主要汽车制造厂也纷纷推出具有各自特色的混合动力汽车，以日本为主导的格局正在打破，可以预见在2~3电动汽车将逐步成为各大汽车公司的主流竞争车型。混合动力电动汽车主要是指在传统内燃机汽车根底上增加一套10%~40%不等。2、外接充电式混合动力电动汽车〔Plug-inHybridElectricVehiclePHEV〕Plug-in〔110V/220V〕或专用电源〔380V/500V〕为系统中燃机实行的并联或串联混合动力模式行驶。PHEV实现了真正意义上的油电混合，既可“加油”，亦可“充电”，可以实现较长里程的零排放行驶，比常规混合动力更为清洁。PHEVHEVHEV到BEV可外接充电式混合动力汽车的动身点是要使用纯电动模式行驶。3、纯电动汽车〔ElectricalVehicleEV〕纯电动汽车也称为电池电动汽车〔BatterryElectricalVehicle，简称BEV〕，其动力系统主要由动力蓄电池、电动机组成，从电网取电〔或更换蓄电池〕获得电力，并通过动力蓄电池向电动机供给电能来驱动汽车。纯电动汽车的主要优点有：零排放、振动噪声小、能效高，并可在夜间利用电网的廉价“谷电”进展充电，起到平抑电网峰谷差作用等。纯电动汽车的主要缺点：一是充电根底设施投入的社会本钱高，格昂贵，同时电池容量和寿命也有待提高。目前，纯电动汽车在美、日、欧等国家和地区已得到商业化的推广应用，重点是市政特别用车〔邮政运输车、环卫车等〕、固定线路的公交车、公务车队用车和私人用车等领域。目前，法国电动汽车的普及程度和保有量都位居世界前列。技术不断提高，节能效果显著；高性能的锂离子电池、镍氢电池取代传统的铅酸电池；高效的一体化电力驱动系统取代传统的直流电动机；电动关心系统的广泛应用提高了整车能量的利用效率和整车性和电器构造安全性技术得到了系统的应用。2023推出层出不穷，传统的汽车生产企业、预备转型的电动轻型汽车、汽车零部件企业甚至与汽车产业不相关的其他企业投资动辄数千万甚国内迎来了一个春天。4、燃料电池汽车〔FuelCellElectricalVehicle，简称FCEV〕燃料电池电动汽车是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下，车。其动力系统主要由燃料电池发动机、燃料箱〔氢瓶〕、电动/发电机驱动车辆行驶。60%~802~3可以从可再生能源获得，不依靠石油燃料。燃料电池汽车的研发模式目前均是在政府主导下的产学研联合性能，在车辆的牢靠性、本钱掌握等方面取得了长足的进步。二、动力电池比较动力电池作为电动汽车的能量来源，是电动汽车产业链的核心。因素。现为蓄电池的比能量、比功率不够大，造成续驶里程不够长；充电时间较长，使用不便利；使用寿命短，本钱高。但是随着科学技术的进展，现在电动汽车的电池技术得到了飞速进展，已到达有用化要求。11各种车用电池的性能比较电池类型比能量比功率能量密度功率密度循环寿命//(W·h/kg)/(W/kg)(W·h/L)/(W/L)次铅酸蓄电池3513090500400~600镍镉蓄电池5517094278500镍氢蓄电池802251434701000锂离子蓄电池1002002157781200燃料电池50060---1、铅酸电池用的动力电池，主要用于汽车和电动自行车。缺点：寿命低；比能量、比功率和能量密度都比较低，充电时间3倍；对环境腐蚀性强。优点：单价最低，可高倍率放电。应用范围：三分之一用于电力、交通、信息等产业备用电源，在汽车、叉车等运输工具和大型不连续供电电源系统中处于掌握地位。95%以上的电动自行车电池承受铅酸蓄电池。铅酸电池技术最为成熟，虽然其比能量、比功率和能量密度都比较低，但较高的性价比及高倍率放电性能，成为目前唯一大批量生产的电动汽车用电池。2、镍氢电池镍氢电池已成功应用于丰田Prius混合动力汽车，目前应用较为成熟的动力电池，搭载镍氢电池的混合动力汽车全球销量已超过170万辆。缺点：续航力量差，低温性能差，技术提升空间不大；适合大电流快速充放电、耐过充放电力量强；只能用于汽车的关心动力，纯电动车必需选用更高比能量的动力电池；自放电率高，常温下放置3030%～35%；比能量较小。优点：安全性高，耐过充过放性能优秀。3、大容量锂离子电池动力电池最关注的是大功率放电、长寿命、低的自放电。20余家主流企业进展车载锂离子动力电池研发，如富士重工、三洋电机、NEC、东芝、美国江森自控公司等。缺点：耐过充过放力量差，有安全隐患。优点：高能量密度，可达150WH/kg；体积小，重量轻，比能量达〔2倍〕；循环寿命长；自放电率低；无记忆效应等等。4、燃料电池燃料电池〔FUELCELL〕是一种不经过燃烧直接以电化学反响方式将富氢燃料的化学能转化为电能的发电装置。其工作原理与一般的电池相像，根本上由电子导电的阴极和阳极及离子导电的电解质构成。燃料电池的种类按电解质不同分类，主要有磷酸燃料电池〔PAFC、熔融碳酸盐型燃料电池〔MCFC、固体氧气物燃料电池〔SOFC和质子交换膜燃料电池〔PEMFC磷酸燃料电池〔PAFC〕电解质承受磷酸H3PO4酸的燃料电池工作温度适中〔200℃左右简洁实现大型化应用。磷酸燃料电池〔PAFC〕是目前技术最成熟、应用最广泛和商业化程度最高的燃料电池。熔融碳酸盐型燃料电池〔MCFC〕型燃料电池的商业化比PAFC型晚近10年，要解决的关键是寿命问题，即在高温下液态电解质的腐蚀与渗漏问题。 固体氧化物燃料电池〔SOFC〕使用高温下成为氧离子导体的陶瓷〔氧化锆系等〕为电解质，因此不会消灭电解质的蒸发和析出，也没有电解液引起的材料腐蚀和电极析出等问题。工作温度900-1000〔50-65%、出力密度大、构造简洁、寿命长等优点，可用于替代大型火电。缺点是必需有能适应高温的材料和较高的制造技术。〔PEMFC〕也称为固体聚合物〔有机膜〕电解质燃料电池，相对于其它几种燃料电池进展较迟。工作温度50-100℃，启动快，固体有机膜的电解质不怕震惊。实际应用效率80%缺点：目前尚未产业化，燃料电池的牢靠性、寿命有待改进，氢气的根底设施有待建立，氢气的来源和供给有待解决优点：燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。各种燃料发电的平均理论效率在90%以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳极的化学反响阻力，实际效率也均在 。假设进一步将化学反响中产生的热能加以利用，燃料电池的总效率可到达80%燃料电池的环境兼容性好。SOXNOX且噪音微小。设备牢靠性高，对负荷的适应力量强，可以无人操作。燃料来源广、建设工期短、使用便利。从以上这些突出的特点可以看出，燃料电池是一种高效干净便利的发电装置，格外适合作移动、分散电源和接近终端用户的电力供给，尤其适宜应用于重要的政府与军事等部门。随着燃料电池的商业化推广，其本钱价格会快速降低，民用市场的前景也将格外宽阔。我国格外重视燃料电池汽车等清洁汽车技术的进展。《国民经济和社会进展第十一个五年规划纲要》提出：“增加汽车工业自主创力量,加快进展拥有自主学问产权的汽车发动机、汽车电子、关键总成及零部件。鼓舞开发使用节能环保和型燃料汽车”。20232规划纲要(2023～2023及燃料电池技术”分别列入优先主题和前沿技术。我国燃料电池公共汽车示范工程是由科技部和全球环境基金(GEF)(UNDP)实施的,该工程于2023327行的3辆燃料电池公交车从2023年6月开头至2023年10月已安全运行9万多km,车辆完好率到达92%,在氢气安全使用、车辆认证方法、车辆维护以及人员培训等方面积存了有益阅历。同时 为燃料电池公共汽车配套的全国第1202311UNDPGEF1示范运行的进展中国家。目前该示范工程二期也得到批准,将于近期启动。8635汽车已试验运行了50000km,2023电池公共汽车0～50km/h的加速时间为245s,764dB,高车速为80km/h,100km耗氢量为1968L100～100km/h19s,122km/h,100km耗氢112kg(423L)和提高。5、综合评估铅酸电池由于材料性能的极大局限，注定了铅酸动力电池寿命短。迟早被替代的命运，之所以现在还占据肯定市场，主要是由于其价格廉价，而其他电池照旧较贵。法超越这些日本企业。因此美国通用汽车等公司也已放弃镍氢电池，的研发。镍氢动力电池，如不能在2～3年内抢占市场，依据现在锂电池的从示范运行到量产，到占据市场，至少要花2～3年，此时日美等生开发型锂离子动力电池。路线。燃料电池发电的高效率、无污染、低噪音性能符合将来工业的进展趋势。三、锂离子电池材料关心材料还有作为基底材料的超薄铜箔和铝箔。1、正极材料在锂电池制造的材料本钱中，正极材料占的比重最大，在30%以上。目前市场化的锂电正极材料主要有钴酸锂、三元材料、锰酸锂和磷酸铁锂等产品类型，其他更型的锂电正极材料也在间续开发之中。产业化的正极材料性能比较进呈现状用；磷酸铁锂目前主要使用在电开工具和电动汽车领域。市场格局现状20232023以年均17.924％的40下降趋势三元材料和锰酸锂渐渐被市场承受磷酸铁锂材料处于起步阶段1113将来进展趋势锂电正极材料市场可以细分为小型锂电和动力锂电正极材料市场。小型锂电正极材料主要包括钴酸锂、三元材料和锰酸锂，而动力锂电正极材料主要为锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料。2、负极材料进呈现状为丰富，且价格廉价，简洁制备，存在大规模应用的可能。市场格局现状据锂电中国的调研统计，2023年中国企业的碳负极材料产销量均在9,0005收入根本上占到了半壁江山，较上一年度有明显增加，特别是出口的恶化，短期内可能难有转变。将来进展趋势量为372mAh/gSEI造成可逆容量的损失；碳电极的性能简洁受制备工艺的影响；碳电属锂，而造成电池短路，从而导致安全隐患等。随着人们对锂电池性到肯定阶段后，碳负极材料可能难以满足实际需求。因此，在对碳材非碳负极材料前的争论方向主要有极材料钛酸锂虽然能量密度低，但电化学性能优异，安全性也高，可满足电动汽车比容量，但因从氧化物中置换金属单质消耗了大量锂而导致巨大容锂合金类负极材料极材料纳米化，利用材料的纳米特性削减充放电过程中体积膨胀和性，是一个重要的争论方向。3、电解液电压、高必能的保证，被形象称为锂电池的“血液”。电解液一般由高纯度的有机溶剂〔PCEC、碳酸二乙酯DEC、碳酸二甲酯DMC等〕、六氟磷酸锂〔LiPF6〕、必要的添加剂等原料，在肯定条件下，按肯定比例配制而成。由于锂电池充放电电的选择上，最终集中到了六氟磷酸锂身上。进呈现状好的电化学稳定性，但也存在缺乏，如经钉穿后，有可能会消灭漏液爆炸等安全性问题。基于此，争论人员又开发出固态电解液，通常称固体聚合物电解质。固体聚合物电解质具有良好的柔韧性、成膜性、子的电解液用。使用固体聚合物电解质，可将锂电池做得更薄〔厚度0.1mm〕、能量密度更高、体积更小，且不存在漏液问题。市场格局现状在锂电池制造所需的材料本钱中，电解液所占的比重或许在12-1330迅猛进展，国内电解液材料产业的进展速度也格外快，涌现出了10电解液产品。国产电解液是从20232023产电解液。据锂电中国的调研统计，2023年中国市场共销售锂电9,0008.5的销售额占到了40%以上，局部产品出口。至于电解液的年产量，已经到达了万吨以上。将来进展趋势随着锂电池朝大型、动力方向进展，更高功率、更大容量和更安等方面。首先，在溶剂上尽量选择工作温度范围宽的，能防止在荷电状次，选择适宜的溶质，提高电池的环境适应性。目前市场上出了一种的电解质盐“双三氟甲烷磺酰亚胺锂〔LITFSI〕”，根本上还处于试用阶段，具体状况尚不清楚。第三，可以考虑添加适量的阻燃添加剂、氧化复原穿梭添加剂、保护正负极成膜添加剂等。密鼓进展中。4、隔膜锂电池隔膜材料是我国锂电产业进展中一个明显的短板，已成快速传输。隔膜性能的优劣直接影响着电池内阻、放电容量、循环使用寿命以用安全性能。隔膜越薄，孔隙率越高，电池内阻越小，高倍率放电性能越好的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。进呈现状PEPPPP/PE/PP复合膜。隔膜生产分为两大类，其中干法又可细分为单向拉伸工艺和双向拉伸工艺。市场格局状况利率维持在70%以上，占锂电池制造所需材料本钱的20-30%。由于的国产化已经呈现出喜人的局面，现在国内3种类型的聚烯烃隔膜质量也在快速提高。据锂电中国的调研统计，2023年，国内锂电池企业对隔膜材料1.2亿m220%左右，上由深圳星源材质、佛山金辉高科和乡格瑞恩3家企业供给，700m220232023年也相当；桂林时科技和山东正华等企业有少量隔膜供给。目前国内企业的隔膜生产技术，总体来说，隔膜的厚度、强度、速进展，技术的进一步提高是当务之急，同时，设备的改进和基体材级以上，目前国内能生产的企业寥寥无几。将来进展趋势提高基体材料〔添加剂〕电池领域。性要求较高，对隔膜厚度的要求则相对较低，因此动力锂电池用隔膜的方向是耐高温、多层隔膜〔40μm〕承受埃克森美孚化工研发的高熔点聚乙烯材料后，