新能源汽车“心脏”-动力电池

中汽协发布数据显示，2023年新能源汽车产销分别完成958.7万辆和949.5万辆，同比分别增长35.8%和37.9%，市场占有率达到了31.6%。数据表明，新能源汽车行业进入了的蓬勃发展的新阶段。作为新能源汽车的动力核心，动力电池的技术的发展与性能的提升是决定新能源车实现长久发展的核心动力。

动力电池从早期的铅酸电池发展到现在的高级锂离子电池，经历了漫长而复杂的历程。每一种电池技术都有其独特的优势和局限性，这决定了它们在各个发展阶段的应用范围。

就目前来看，锂离子电池占据了大部分的市场，性能也在不断的提升，与其他电池相比下寿命也较长。但是，新能源汽车的电池要具有更加强大的优势，各方面的性能仍需要提高。大多数的工况对新能源动力电池的需求是：充电快，配置设施相对完善，电池的体积小，但是蓄能量必须保证，续航里程要足够远，电池性能也必须保证安全、环保，电池的寿命也要提高等。

那么怎样提高电池的能量密度和安全性能呢？我们可以从电池的主要组成部分进行分析。电池是由正极材料、负极材料、电解液和隔膜材料四大部分组成。那么要提升电池的性能就需要提升电池各个组成部分的性能。

1.正极材料：

正极材料的创新是提升锂离子电池能量密度的关键。早期锂电池主要使用的是钴酸锂（LCO），随后研发出了磷酸铁锂（LFP）和镍钴锰三元材料（NMC）、镍钴铝三元材料（NCA）等含镍高能量密度材料。

这些正极材料各有优缺点，例如LFP具有优秀的热稳定性和安全性，但能量密度相对较低。NMC/NCM/NCA等三元锂电池具有更高的能量密度和较好的循环寿命，但原材料成本较高且在极端情况下可能存在安全隐患。

2.隔膜材料

在锂电池的结构中，电池隔膜是指在电池正极和负极之间一层隔膜材料，是电池中非常关键的部分，对电池安全性和成本有直接影响，锂离子电池隔膜占整个电池成本的15%～30%不等，仅次于正极材料。其作用是隔离正、负极并使电池内的电子不能自由穿过，让电解液中的离子在正负极之间自由通过。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等，直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性。

锂离子电池隔膜性能的优劣决定着锂离子电池的容量、循环性能、充放电电流密度等关键特性。因此，隔膜技术的不断革新也推动了整个锂电池行业的不断发展，尤其是最近发展快速的新能源领域。动力电池对锂电池的安全性、力学性能、能量密度及耐高温热收缩性能有更高的要求。现在科研人员对于新型隔膜材料研发的热情不断高涨，多种新型隔膜也逐渐报道出来。例如：PP/PE两层复合隔膜和PP/PE/PP三层复合隔膜。在复合隔膜中掺入无机纳米粉形成刚性骨架，可有效提高隔膜耐热性。还可以在聚烯烃隔膜的表面涂覆一层无机陶瓷粒子或有机物，这类涂覆隔膜也能够提高隔膜的耐高温性能。还有例如含氟聚合物涂覆隔膜、纤维素类锂电池隔膜、聚酰亚胺类锂电池隔膜等等也都相继报道出来。未来电池隔膜的发展将以提高隔膜耐热性能、大幅度提高安全性、提高产品良品率和提高隔膜吸液性能以及研发超薄隔膜为主要研究方向。

3.电解质

电解质作为锂离子电池的血液，承担着运输锂离子的重任，它质量的好坏，将直接影响锂离子电池的性能，同时也在一定程度上影响锂离子电池的安安全性。

现状技术成熟的液体液态有机电解质是新能源电池的电解液由溶剂、电解质和添加剂组成。目前，由于重量、体积和安全性诸方面的瓶颈，技术已经成熟的液态电解质不再是科研人员研发的最优选项。

4.电池负极

石墨负极材料是商用锂离子电池中常用的负极材料，其具有较高的能量密度和较低的制造成本。它主要由石墨构成，具有较高的导电性和良好的化学稳定性。但是石墨负极在反复充放电循环中会经历体积膨胀和锂离子嵌入/脱出过程中的结构变化，这可能会导致石墨负极的结构逐渐变得不稳定，降低负极的可逆容量和循环寿命。为了解决这些问题，研究人员正在探索一些新型的石墨负极材料，如对石墨引入添加剂形成复合材料、纳米结构石墨、掺杂石墨烯等。这些新型的石墨负极材料具有更高的可逆容量、更稳定的结构以及更好的循环寿命。

石墨负极材料的理论容量为372mAh/g。然而，实际应用中，石墨负极材料的比容量已经在330～370mAh/g范围内。其能量密度的开发已经接近理论极限，无法满足高能量密度储能系统需求。但为进一步提升能量密度，研究人员正在探索其他负极材料，如硅基负极材料，因为硅的理论容量（4200mAh/g）是石墨的11倍。但硅基负极产业化面临着硅在锂化时的严重体积效应，硅在完全锂化时，硅的体积会发生超过 300%的膨胀，巨大的体积变化会带来一系列问题。同时负极中随着硅含量的提升，首次库伦效率会越来越低。硅材料的首次充电不可逆循环损耗最高达到 30%（石墨为 5-10%）。

为解决硅基材料膨胀、失效问题，现有行业采用的硅基负极改性方法包括硅氧化、纳米化、复合化、多孔化、合金化、预锂化等。其中复合化、硅氧化、纳米化技术、预锂化技术已较为成熟，已开始应用于产业化中。

金属锂负极是最早研究的锂电池负极，然而，锂金属负极在充放电过程中会产生不可控的锂枝晶和电极表面粉化等问题，严重限制了锂金属负极的实际应用。但金属锂负极其具有极高的理论比容量（3860 mAh∙g-1）和极低的电化学电位（-3.04 Vvs. 标准氢电极）等优点，一直受到科研工作者的广泛关注。国内外科研工作者们为解决锂金属负极的问题，通过对锂金属负极表面进行化学行为调控、构件三维框架材料乃至三维集流体和使用固态电解质代替传统液体电解质等方法来改善锂金属负极表面的枝晶生长等问题。

总之，动力电池作为新能源汽车的心脏，其技术进步和性能提升对于推动新能源汽车的发展至关重要。未来，随着电池技术的不断突破和创新，新能源汽车将更加高效、环保，为人类的绿色出行提供更加坚实的保障。