電動汽車電池技術(shù)及材料介紹

10電動汽車電池技術(shù)及材料的將來進展趨勢初步分析一、電動汽車技術(shù)路線車，是涉及機械、電子、電力、微機掌握等多學科的高科技產(chǎn)品。依據(jù)Plug-in力氣。1、混合動力汽車〔HybridElectricVehicleHEV〕在過去的十余年間，由于技術(shù)相對成熟，節(jié)能和環(huán)保效果明顯，Prius和Civic年來，歐美主要汽車制造廠也紛紛推出具有各自特色的混合動力汽車，以日本為主導的格局正在打破，可以預見在2~3電動汽車將逐步成為各大汽車公司的主流競爭車型?；旌蟿恿﹄妱悠囍饕侵冈趥鹘y(tǒng)內(nèi)燃機汽車根底上增加一套10%~40%不等。2、外接充電式混合動力電動汽車〔Plug-inHybridElectricVehiclePHEV〕Plug-in〔110V/220V〕或?qū)Ｓ秒娫础?80V/500V〕為系統(tǒng)中燃機實行的并聯(lián)或串聯(lián)混合動力模式行駛。PHEV實現(xiàn)了真正意義上的油電混合，既可“加油”，亦可“充電”，可以實現(xiàn)較長里程的零排放行駛，比常規(guī)混合動力更為清潔。PHEVHEVHEV到BEV可外接充電式混合動力汽車的動身點是要使用純電動模式行駛。3、純電動汽車〔ElectricalVehicleEV〕純電動汽車也稱為電池電動汽車〔BatterryElectricalVehicle，簡稱BEV〕，其動力系統(tǒng)主要由動力蓄電池、電動機組成，從電網(wǎng)取電〔或更換蓄電池〕獲得電力，并通過動力蓄電池向電動機供給電能來驅(qū)動汽車。純電動汽車的主要優(yōu)點有：零排放、振動噪聲小、能效高，并可在夜間利用電網(wǎng)的廉價“谷電”進展充電，起到平抑電網(wǎng)峰谷差作用等。純電動汽車的主要缺點：一是充電根底設(shè)施投入的社會本錢高，格昂貴，同時電池容量和壽命也有待提高。目前，純電動汽車在美、日、歐等國家和地區(qū)已得到商業(yè)化的推廣應(yīng)用，重點是市政特別用車〔郵政運輸車、環(huán)衛(wèi)車等〕、固定線路的公交車、公務(wù)車隊用車和私人用車等領(lǐng)域。目前，法國電動汽車的普及程度和保有量都位居世界前列。技術(shù)不斷提高，節(jié)能效果顯著；高性能的鋰離子電池、鎳氫電池取代傳統(tǒng)的鉛酸電池；高效的一體化電力驅(qū)動系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的直流電動機；電動關(guān)心系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提高了整車能量的利用效率和整車性和電器構(gòu)造安全性技術(shù)得到了系統(tǒng)的應(yīng)用。2023推出層出不窮，傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)企業(yè)、預備轉(zhuǎn)型的電動輕型汽車、汽車零部件企業(yè)甚至與汽車產(chǎn)業(yè)不相關(guān)的其他企業(yè)投資動輒數(shù)千萬甚國內(nèi)迎來了一個春天。4、燃料電池汽車〔FuelCellElectricalVehicle，簡稱FCEV〕燃料電池電動汽車是利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下，車。其動力系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)動機、燃料箱〔氫瓶〕、電動/發(fā)電機驅(qū)動車輛行駛。60%~802~3可以從可再生能源獲得，不依靠石油燃料。燃料電池汽車的研發(fā)模式目前均是在政府主導下的產(chǎn)學研聯(lián)合性能，在車輛的牢靠性、本錢掌握等方面取得了長足的進步。二、動力電池比較動力電池作為電動汽車的能量來源，是電動汽車產(chǎn)業(yè)鏈的核心。因素?，F(xiàn)為蓄電池的比能量、比功率不夠大，造成續(xù)駛里程不夠長；充電時間較長，使用不便利；使用壽命短，本錢高。但是隨著科學技術(shù)的進展，現(xiàn)在電動汽車的電池技術(shù)得到了飛速進展，已到達有用化要求。11各種車用電池的性能比較電池類型比能量比功率能量密度功率密度循環(huán)壽命//(W·h/kg)/(W/kg)(W·h/L)/(W/L)次鉛酸蓄電池3513090500400~600鎳鎘蓄電池5517094278500鎳氫蓄電池802251434701000鋰離子蓄電池1002002157781200燃料電池50060---1、鉛酸電池用的動力電池，主要用于汽車和電動自行車。缺點：壽命低；比能量、比功率和能量密度都比較低，充電時間3倍；對環(huán)境腐蝕性強。優(yōu)點：單價最低，可高倍率放電。應(yīng)用范圍：三分之一用于電力、交通、信息等產(chǎn)業(yè)備用電源，在汽車、叉車等運輸工具和大型不連續(xù)供電電源系統(tǒng)中處于掌握地位。95%以上的電動自行車電池承受鉛酸蓄電池。鉛酸電池技術(shù)最為成熟，雖然其比能量、比功率和能量密度都比較低，但較高的性價比及高倍率放電性能，成為目前唯一大批量生產(chǎn)的電動汽車用電池。2、鎳氫電池鎳氫電池已成功應(yīng)用于豐田Prius混合動力汽車，目前應(yīng)用較為成熟的動力電池，搭載鎳氫電池的混合動力汽車全球銷量已超過170萬輛。缺點：續(xù)航力量差，低溫性能差，技術(shù)提升空間不大；適合大電流快速充放電、耐過充放電力量強；只能用于汽車的關(guān)心動力，純電動車必需選用更高比能量的動力電池；自放電率高，常溫下放置3030%～35%；比能量較小。優(yōu)點：安全性高，耐過充過放性能優(yōu)秀。3、大容量鋰離子電池動力電池最關(guān)注的是大功率放電、長壽命、低的自放電。20余家主流企業(yè)進展車載鋰離子動力電池研發(fā)，如富士重工、三洋電機、NEC、東芝、美國江森自控公司等。缺點：耐過充過放力量差，有安全隱患。優(yōu)點：高能量密度，可達150WH/kg；體積小，重量輕，比能量達〔2倍〕；循環(huán)壽命長；自放電率低；無記憶效應(yīng)等等。4、燃料電池燃料電池〔FUELCELL〕是一種不經(jīng)過燃燒直接以電化學反響方式將富氫燃料的化學能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。其工作原理與一般的電池相像，根本上由電子導電的陰極和陽極及離子導電的電解質(zhì)構(gòu)成。燃料電池的種類按電解質(zhì)不同分類，主要有磷酸燃料電池〔PAFC、熔融碳酸鹽型燃料電池〔MCFC、固體氧氣物燃料電池〔SOFC和質(zhì)子交換膜燃料電池〔PEMFC磷酸燃料電池〔PAFC〕電解質(zhì)承受磷酸H3PO4酸的燃料電池工作溫度適中〔200℃左右簡潔實現(xiàn)大型化應(yīng)用。磷酸燃料電池〔PAFC〕是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛和商業(yè)化程度最高的燃料電池。熔融碳酸鹽型燃料電池〔MCFC〕型燃料電池的商業(yè)化比PAFC型晚近10年，要解決的關(guān)鍵是壽命問題，即在高溫下液態(tài)電解質(zhì)的腐蝕與滲漏問題。 固體氧化物燃料電池〔SOFC〕使用高溫下成為氧離子導體的陶瓷〔氧化鋯系等〕為電解質(zhì)，因此不會消滅電解質(zhì)的蒸發(fā)和析出，也沒有電解液引起的材料腐蝕和電極析出等問題。工作溫度900-1000〔50-65%、出力密度大、構(gòu)造簡潔、壽命長等優(yōu)點，可用于替代大型火電。缺點是必需有能適應(yīng)高溫的材料和較高的制造技術(shù)。〔PEMFC〕也稱為固體聚合物〔有機膜〕電解質(zhì)燃料電池，相對于其它幾種燃料電池進展較遲。工作溫度50-100℃，啟動快，固體有機膜的電解質(zhì)不怕震驚。實際應(yīng)用效率80%缺點：目前尚未產(chǎn)業(yè)化，燃料電池的牢靠性、壽命有待改進，氫氣的根底設(shè)施有待建立，氫氣的來源和供給有待解決優(yōu)點：燃料電池屬于能量直接轉(zhuǎn)換的裝置，效率很高。各種燃料發(fā)電的平均理論效率在90%以上，應(yīng)用中因電解質(zhì)的電阻以及陰陽極的化學反響阻力，實際效率也均在 。假設(shè)進一步將化學反響中產(chǎn)生的熱能加以利用，燃料電池的總效率可到達80%燃料電池的環(huán)境兼容性好。SOXNOX且噪音微小。設(shè)備牢靠性高，對負荷的適應(yīng)力量強，可以無人操作。燃料來源廣、建設(shè)工期短、使用便利。從以上這些突出的特點可以看出，燃料電池是一種高效干凈便利的發(fā)電裝置，格外適合作移動、分散電源和接近終端用戶的電力供給，尤其適宜應(yīng)用于重要的政府與軍事等部門。隨著燃料電池的商業(yè)化推廣，其本錢價格會快速降低，民用市場的前景也將格外寬闊。我國格外重視燃料電池汽車等清潔汽車技術(shù)的進展?！秶窠?jīng)濟和社會進展第十一個五年規(guī)劃綱要》提出：“增加汽車工業(yè)自主創(chuàng)力量,加快進展擁有自主學問產(chǎn)權(quán)的汽車發(fā)動機、汽車電子、關(guān)鍵總成及零部件。鼓舞開發(fā)使用節(jié)能環(huán)保和型燃料汽車”。20232規(guī)劃綱要(2023～2023及燃料電池技術(shù)”分別列入優(yōu)先主題和前沿技術(shù)。我國燃料電池公共汽車示范工程是由科技部和全球環(huán)境基金(GEF)(UNDP)實施的,該工程于2023327行的3輛燃料電池公交車從2023年6月開頭至2023年10月已安全運行9萬多km,車輛完好率到達92%,在氫氣安全使用、車輛認證方法、車輛維護以及人員培訓等方面積存了有益閱歷。同時 為燃料電池公共汽車配套的全國第1202311UNDPGEF1示范運行的進展中國家。目前該示范工程二期也得到批準,將于近期啟動。8635汽車已試驗運行了50000km,2023電池公共汽車0～50km/h的加速時間為245s,764dB,高車速為80km/h,100km耗氫量為1968L100～100km/h19s,122km/h,100km耗氫112kg(423L)和提高。5、綜合評估鉛酸電池由于材料性能的極大局限，注定了鉛酸動力電池壽命短。遲早被替代的命運，之所以現(xiàn)在還占據(jù)肯定市場，主要是由于其價格廉價，而其他電池照舊較貴。法超越這些日本企業(yè)。因此美國通用汽車等公司也已放棄鎳氫電池，的研發(fā)。鎳氫動力電池，如不能在2～3年內(nèi)搶占市場，依據(jù)現(xiàn)在鋰電池的從示范運行到量產(chǎn)，到占據(jù)市場，至少要花2～3年，此時日美等生開發(fā)型鋰離子動力電池。路線。燃料電池發(fā)電的高效率、無污染、低噪音性能符合將來工業(yè)的進展趨勢。三、鋰離子電池材料關(guān)心材料還有作為基底材料的超薄銅箔和鋁箔。1、正極材料在鋰電池制造的材料本錢中，正極材料占的比重最大，在30%以上。目前市場化的鋰電正極材料主要有鈷酸鋰、三元材料、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等產(chǎn)品類型，其他更型的鋰電正極材料也在間續(xù)開發(fā)之中。產(chǎn)業(yè)化的正極材料性能比較進呈現(xiàn)狀用；磷酸鐵鋰目前主要使用在電開工具和電動汽車領(lǐng)域。市場格局現(xiàn)狀20232023以年均17.924％的40下降趨勢三元材料和錳酸鋰漸漸被市場承受磷酸鐵鋰材料處于起步階段1113將來進展趨勢鋰電正極材料市場可以細分為小型鋰電和動力鋰電正極材料市場。小型鋰電正極材料主要包括鈷酸鋰、三元材料和錳酸鋰，而動力鋰電正極材料主要為錳酸鋰、磷酸鐵鋰和三元材料。2、負極材料進呈現(xiàn)狀為豐富，且價格廉價，簡潔制備，存在大規(guī)模應(yīng)用的可能。市場格局現(xiàn)狀據(jù)鋰電中國的調(diào)研統(tǒng)計，2023年中國企業(yè)的碳負極材料產(chǎn)銷量均在9,0005收入根本上占到了半壁江山，較上一年度有明顯增加，特別是出口的惡化，短期內(nèi)可能難有轉(zhuǎn)變。將來進展趨勢量為372mAh/gSEI造成可逆容量的損失；碳電極的性能簡潔受制備工藝的影響；碳電屬鋰，而造成電池短路，從而導致安全隱患等。隨著人們對鋰電池性到肯定階段后，碳負極材料可能難以滿足實際需求。因此，在對碳材非碳負極材料前的爭論方向主要有極材料鈦酸鋰雖然能量密度低，但電化學性能優(yōu)異，安全性也高，可滿足電動汽車比容量，但因從氧化物中置換金屬單質(zhì)消耗了大量鋰而導致巨大容鋰合金類負極材料極材料納米化，利用材料的納米特性削減充放電過程中體積膨脹和性，是一個重要的爭論方向。3、電解液電壓、高必能的保證，被形象稱為鋰電池的“血液”。電解液一般由高純度的有機溶劑〔PCEC、碳酸二乙酯DEC、碳酸二甲酯DMC等〕、六氟磷酸鋰〔LiPF6〕、必要的添加劑等原料，在肯定條件下，按肯定比例配制而成。由于鋰電池充放電電的選擇上，最終集中到了六氟磷酸鋰身上。進呈現(xiàn)狀好的電化學穩(wěn)定性，但也存在缺乏，如經(jīng)釘穿后，有可能會消滅漏液爆炸等安全性問題。基于此，爭論人員又開發(fā)出固態(tài)電解液，通常稱固體聚合物電解質(zhì)。固體聚合物電解質(zhì)具有良好的柔韌性、成膜性、子的電解液用。使用固體聚合物電解質(zhì)，可將鋰電池做得更薄〔厚度0.1mm〕、能量密度更高、體積更小，且不存在漏液問題。市場格局現(xiàn)狀在鋰電池制造所需的材料本錢中，電解液所占的比重或許在12-1330迅猛進展，國內(nèi)電解液材料產(chǎn)業(yè)的進展速度也格外快，涌現(xiàn)出了10電解液產(chǎn)品。國產(chǎn)電解液是從20232023產(chǎn)電解液。據(jù)鋰電中國的調(diào)研統(tǒng)計，2023年中國市場共銷售鋰電9,0008.5的銷售額占到了40%以上，局部產(chǎn)品出口。至于電解液的年產(chǎn)量，已經(jīng)到達了萬噸以上。將來進展趨勢隨著鋰電池朝大型、動力方向進展，更高功率、更大容量和更安等方面。首先，在溶劑上盡量選擇工作溫度范圍寬的，能防止在荷電狀次，選擇適宜的溶質(zhì)，提高電池的環(huán)境適應(yīng)性。目前市場上出了一種的電解質(zhì)鹽“雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰〔LITFSI〕”，根本上還處于試用階段，具體狀況尚不清楚。第三，可以考慮添加適量的阻燃添加劑、氧化復原穿梭添加劑、保護正負極成膜添加劑等。密鼓進展中。4、隔膜鋰電池隔膜材料是我國鋰電產(chǎn)業(yè)進展中一個明顯的短板，已成快速傳輸。隔膜性能的優(yōu)劣直接影響著電池內(nèi)阻、放電容量、循環(huán)使用壽命以用安全性能。隔膜越薄，孔隙率越高，電池內(nèi)阻越小，高倍率放電性能越好的隔膜對提高電池的綜合性能具有重要的作用。進呈現(xiàn)狀PEPPPP/PE/PP復合膜。隔膜生產(chǎn)分為兩大類，其中干法又可細分為單向拉伸工藝和雙向拉伸工藝。市場格局狀況利率維持在70%以上，占鋰電池制造所需材料本錢的20-30%。由于的國產(chǎn)化已經(jīng)呈現(xiàn)出喜人的局面，現(xiàn)在國內(nèi)3種類型的聚烯烴隔膜質(zhì)量也在快速提高。據(jù)鋰電中國的調(diào)研統(tǒng)計，2023年，國內(nèi)鋰電池企業(yè)對隔膜材料1.2億m220%左右，上由深圳星源材質(zhì)、佛山金輝高科和鄉(xiāng)格瑞恩3家企業(yè)供給，700m220232023年也相當；桂林時科技和山東正華等企業(yè)有少量隔膜供給。目前國內(nèi)企業(yè)的隔膜生產(chǎn)技術(shù)，總體來說，隔膜的厚度、強度、速進展，技術(shù)的進一步提高是當務(wù)之急，同時，設(shè)備的改進和基體材級以上，目前國內(nèi)能生產(chǎn)的企業(yè)寥寥無幾。將來進展趨勢提高基體材料〔添加劑〕電池領(lǐng)域。性要求較高，對隔膜厚度的要求則相對較低，因此動力鋰電池用隔膜的方向是耐高溫、多層隔膜〔40μm〕承受?？松梨诨ぱ邪l(fā)的高熔點聚乙烯材料后，