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锂离子动力电池及其在电动汽车中的关键材料

来源:平板车 时间:2025/7/24
在日常生活和工作中,可以当作一台纯电动车来使用,做到零排放和零油耗,电池电量将耗尽时,再以混合动力模式(以内燃机为主)行驶,并适时向电池充电,可以解决电动车驾驶者的“里程焦虑”问题,驾驶者易于接受,如比亚迪的“秦”即属于此类车型,但仅在充电基础设施完备使充电变得方便时才能实现以电力驱动为主,因为它不充电仅靠加油也可具有同样的动力性能。爱迪生和他的汽车电池要完全摆脱汽车对化石能源的依赖,还是要发展纯电动汽车。纯电动汽车的电池要求具有高比能量、长寿命、安全和低成本等一系列特性。锂离子电池技术的突破为电动汽车的商业化奠定了基础,锂离子电池首先应用于手机、电脑等消费类电子产品,汽车动力电池的发展相对慢一点。但电动汽车的发展对高性能动力电池要求极为迫切,甚至有特斯拉这样的公司已将笔记本电脑电池应用于大规模生产的电动汽车,但因此创新性的设计和营销方式,形成了巨大的影响力。锂离子电池具有工作电压高、重量轻、体积小、无记忆效应、自放电率低、循环寿命长等优点,已广泛应用于移动电话、笔记本电脑、PDA等移动终端产品。纯电动汽车动力电池的容量决定了车辆的续航能力,大电流放电能力决定车辆加速能力,因此,高比能量和大功率锂离子电池成为首选的电动汽车电池。4种可充电电池特性比较锂离子动力电池正极材料钴酸锂正极材料广泛应用于智能手机和平板电脑电池,但因成本和安全性问题不适用于汽车电池。可用于动力电池的正极材料包括改性锰酸锂、磷酸铁锂、高压锂镍锰尖晶石和三元材料(含富锂锰基层状材料)。尖晶石结构的锰酸锂(LiMn2O4)具有三维锂离子扩散通道,原料成本比较低,生产工艺简单,热稳定性高,耐过充性好,放电电压平台高,安全性高。缺点是它理论容量比较低,循环过程中可能有锰元素的溶出,影响电池在高温环境中的寿命等,可在其表面包覆Al2O3,形成LiMn2-xAlxO4的固溶体,来改善LiMn2O4的高温循环性能和储存性能,适合于作为轻型电动车辆的低成本电池。LiFePO4充放电反应机理为两相反应(LiFePO4/FePO4),充放电平台非常平稳。FePO4与LiFePO4具有相同的空间群,在充电过程中,体积仅减小了6.81%。由于(PO4)3-中强的P—O共价键的存在,其中的氧非常稳定,使用该材料的电池具有高安全性和长循环寿命,为提高其倍率性能,Armand等人通过在小尺寸的磷酸铁锂材料表面包覆碳来改善其电子电导,使该材料的实际应用成为可能。锂离子动力电池负极材料可用于动力电池的负极材料有石墨、硬/软碳、钛酸锂以及合金负极材料。石墨材料是目前广泛应用的锂离子电池负极材料,特点是性能稳定,成本低,寿命长。其不足之处是,对于作为高功率电池的材料应用时,大电流充电接受能力较弱;对于作为能力型电池的材料应用时,比容量则需要进一步提升。硬碳和软碳负极材料的大电流充电接受能力较高,循环寿命长,但实用比容量较低,适用于制造高功率型电池。钛酸锂是接受大电流快速充电能力、安全性和寿命均最优的负极材料,缺点是容量低,制成电池的电压低,比能量就更低,适用于制造快速充电的电池。硅碳复合材料等负极被认为是下一代车用电池负极材料,比容量可比石墨材料高一倍,但因锂嵌入硅后体积膨胀,导致其在电池中实际使用时循环寿命偏差的问题还需要解决。一部手机用的锂离子电池重约20g,基本要求是发生安全事故的概率要小于百万分之一,这也是社会公众所能接受的最低标准。电脑电池比手机电池大5—10倍,约多克。混合电动汽车所用电池组重量为30—kg,纯电动小轿车则要用—kg重的蓄电池。如采用同样的材料和设计,一般情况下锂离子电池储存的总能量和其安全性是成反比的,随着电池容量的增加,电池体积也在增加,其散热性能变差,出安全事故的可能性将大幅度增加。汽车动力电池的寿命要求远高于手机和电脑电池,价格还不能高,一次使用的材料和设计需要更加注重安全、寿命和成本。车用动力电池的容量与车辆一次充电的续驶里程相关,买车时消费者立即能感受到,但电池的寿命往往要很多年后才能反映出来,电池设计需基于对材料特性和应用需求的充分理解,要充分保证电池安全性和寿命的设计冗余,加之精良的工艺和装备以及严格的管理,才能做出好电池。

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