电动汽车的三种常见锂电池

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电动汽车的三种常见锂电池

目前电动汽车的锂电池最主要有三种，依次为：磷酸铁锂电池、钴酸锂电池和三元材料电池
1.1.1磷酸铁锂电池：
磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池，主要用作动力电池，而且它的放电效率较高，倍率放
电情况下充放电效率可达到90%以上，而铅酸电池大约为80%。在电池中，磷酸铁锂电池的安
全性也高于其他的电池，理论寿命可以达到7~8年，实际使用寿命大约为3~5年，性能价格比理
论上为铅酸电池的4倍以上。
下面再来说说它的缺点，磷酸铁锂电池的价格高于其他类型的电池，而且，电池容量较小，续
行里程短，而且报废后基本上不能回收再利用，没有可回收价值。综上所述，磷酸锂铁电池在
电动汽车上的应用，会使整体的成本提升，而且电池不可回收利用，这样会造成资源的浪费和
消耗。
1.2钴酸锂电池：TESLA的专属电池
TESLA电动车的电池采用了松下提供的NCA系列（镍钴铝体系）18650钴酸锂电池，单颗
电池容量为3100毫安时。TESLA采用了电池组的战略，85kWh的MODELS的电池单元一共运
用了8142个18650锂电池，工程师首先将这些电池以砖、片逐一平均分配最终组成一整个电池
包，电池包位于车身底板。
钴酸锂电池具有结构稳定、容量比高、综合性能突出、但是其安全性差而且成本非常高，
主要用于中小型号电芯，标称电压3.7V。TESLA把这样的电池组合到一起，安全性就成了一个
很需要关注的问题，TESLA的工程师在电池包内的保险装置分布到每一节18650钴酸锂电池，
每一节18650钴酸锂电池两端均设有保险丝，当电池出现过热或电流过大时，保险丝会切断，
以此避免因某个电池出现异常情况（过热或电流过大）时影响到整个电池包。那么，就此来看，
钴酸锂电池虽然本身存在着缺陷，但是在TESLA的工程师的包装上安全性基本上可以忽略。显
然，这样的解决方案还是很适合在纯电动汽车上发展。
1.3三元材料电池：
以电池的正极材料作为命名方式，三元锂电池的全称为“三元聚合物锂电池”，指的是正极
材料使用镍钴锰酸锂三元聚合物的锂电池。三元锂电池多用于笔记本电脑等电子产品，后被用
于电动汽车领域。使用三元锂电池的纯电动汽车中，公众最为熟悉的或许就是特斯拉的ModelS
车型。
比亚迪董事长王传福表示，比亚迪最新研究的磷酸铁锰锂电池突破了传统的磷酸铁锂电池
的能量密度限制，达到了三元材料水平，而在成本控制上比普通的磷酸铁锂更加优秀，续航能
力得到了大幅度的提升。
2.1
锂空气电池是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。放电过程：阳极
的锂释放电子后成为锂阳离子（Li+），Li+穿过电解质材料，在阴极与氧气、以及从外电路流
过来的电子结合生成氧化锂（Li2O）或者过氧化锂（Li2O2），并留在阴极。锂空气电池的开
路电压为2.91V。
锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极（以多孔碳为主）很轻，且氧
气从环境中获取而不用保存在电池里。理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容
量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg（包括氧气质量），或11.14kWh/kg（不包括氧气）。
相对与其他的金属-空气电池，锂空气电池具有更高的比能（见下表）[1]?，因此，它非常有吸
引力。
科学家们非常希望锂空气电池有一天能取代我们目前使用的锂离子电池。“锂离子充电电池
已经被使用了近25年，”剑桥大学化学系的ClareP.Grey教授在电话中说，“25年前，结构更
为紧凑的锂离子电池为便携式电子产品的出现铺平了道路，使我们随身携带的电子设备变得更
为轻巧便携。锂离子电池技术在当时更适合消费者，而如今，是时候让锂空气电池来替代它了。”
没有哪位化学家或工程师会说，锂离子电池是完美的。随着电动汽车的越来越普及，研究
人员也开始将精力集中在研究锂空气电池上。因为锂空气电池比锂离子电池轻得多，更轻的汽
车意味着更长的续航里程。可以肯定的是，锂空气电池在理想情况下具有更高的能量密度。理
论上说，只有这种电池能让电动汽车在不必携带巨大而笨重的电池组的情况下，拥有可媲美汽
油车及柴油车的续航里程。
金属/空气电池 理论开路电压（V） 理论比能 （kWh/kg，含氧气） 理论比能
（kWh/kg，不含氧气）
Li/O2 2.91 5.210 11.140
Na/O2 1.94 1.677 2.260
Ca/O2 3.12 2.990 4.180
Mg/O2 2.93 2.789 6.462
Zn/O2 1.65 1.090 1.350
但当前锂空气电池仍然存在一些问题。电压间隙的减小以及石墨烯氧化物电极的大容量导
致其只能容纳较小倍率的充放电，位于电池负极的金属锂有时仍会形成影响电池性能的树突。
而且，正如我们在前文中所提到的，空气里不仅仅有氧气，在空气中的其他的化合物也可能导
致锂空气电池不稳定。
而这些问题的尚未解决，也意味着锂空气电池目前还是不能真正的投入商用。研发新的电
池技术是很容易的，但是要将其真正投入使用还是需要攻克许多技术上的难关。研究人员表示
他们目前正与多家公司合作，力求尽快推进这项技术
2.2耐高温锂电池
近日，日本大金工业和日本高度纸工业联合研制出用于电动汽车的锂电池高耐热技术。新
技术不需要电池冷却系统，在减少自身电力消耗的同时减轻了车体重量，一次充电行驶距离可
提高30%—40%。还可防止电池自燃事故，提高行车安全性。
现有车用锂电池发电时因化学反应而发热，当温度上升至45度以上时，发电性能降低，
需要装配冷却系统。夏季高温时节，冷却系统全程运转可致效率下降，行驶距离缩短30%左右。
新技术采用氟化合物代替易燃电解液成分，制成的新型电解液即使温度上升至60度也能
正常工作;采用植物纤维经精细加工制成的绝缘材料较现在通用的树脂膜制品耐高温、伸缩率降
低，可使绝缘组件耐热性能大大提高;用于电极的粘结剂更换了高耐热材料，即使高温也不会出
现溶出现象。
3.1全球主要国家电池专利技术状况
作为纯电动汽车的唯一动力来源，以锂电池为代表的电动汽车用蓄电池及管理系统相关专
利正引起各国家的重视，因为这是各国将电动汽车电池作为研发重点并取得成果的有效保护措
施。下面对全球排名靠前的主要国家作一分析，这些国家包括东亚的中日韩和欧美的美国与德
国。
1、日本：（1）研究集中在锂电池，其次为铅酸电池、镍氢电池、纳硫电池；（2）、
从专利数来看，有6782件，居全球之冠；（3）、从专利申请人身份看，在纯电动汽车用蓄电
池及管理系统的专利中，超过90%的专利申请来自日本人。所以说，日本掌控着绝大部分专利
技术，为全球最强者。
2、美国：该国是全球最大的汽车生产和消费国，是全球开展电动汽车相关技术研究
的最早国家。（1）研究集中在锂电池，其次为铅酸电池、镍氢电池、空气电池和纳硫电池；
（2）、从专利数来看，止于2010年6月排名全球第二，仅次于日本；（3）、从专利申请人
身份看，在纯电动汽车用蓄电池及管理系统的专利中，接近60%的专利申请来自日本人，来自
美国申请人的专利次之。
3、德国：（1）研究集中在锂电池，其次为铅酸电池、镍氢电池、纳硫电池和空气电
池；（2）、从专利数来看，止于2010年6月排名全球第6位（整个欧洲排名全球第4位），
仅占日本申请量6782件的11%；（3）、从专利申请人身份看，来自德国人的专利申请占总量
的43%，其次是日本人。
4、韩国：韩国汽车产量全球排名第5，出口量全球排名第4。（1）研究集中在锂电
池，远高于随后的镍氢电池、铅酸电池、纳硫电池；（2）、从专利数来看，在日美中之后排
名第4位，如果把欧盟看作一个市场，则韩国又在欧洲之后；（3）、从专利申请人身份看，
韩国人拥有的专利最多，其次是日本人，第三是美国人。
5、中国：（1）研究集中在锂电池，其次是动力镍氢电池，铅酸电池地位下降很快；
（2）、从专利数来看，排在日本和美国之后身列探花；（3）、从专利申请人身份看，日本人
最多，其次是本国人。本国人中比亚迪为实力突出者，该公司以锂离子电池和聚合物锂离子电
池为重点，2003年公司申请了第一个国内专利和美国专利。
从整个专利格局看，围绕锂离子电池的专利争夺将是未来专利战的主战场。趋势上来
看，日本仍将走在前列，由于电动汽车产业处在成长期，许多关键技术尚待突破，所以欧美基
于强大的基础研究优势或将有精彩表现。目前，在锂电池研发上投入最多、产量增长最快的是
中韩两国，它们的参战使这场专利博弈变得更加复杂化。