邱健蓄电池存储体系的演变及电动轿车开展趋势

电池存储体系的演变及电动轿车开展趋势

电动轿车中的电池储能体系开展现已从传统电池转向了锂离子电池[9-11]。研讨人员经过重视容量、功率、能量密度、安全性和单体电压来前进电池功能。用于电动轿车的锂离子电池技能一般选用LiNiMnCoO2（NMC）阴极和石墨基阳极，以下降钴的水平，并从液体电解质转向固体替代品[12, 13]。电池储能体系有三代。上一代运用铅酸和镍基电池。当时一代运用根据锂（Li-based）的电池，在两个指标上有所改进[9]。未来的几代仍在研讨中，没有商业化[14]。图1供给了电动轿车电池演变的图形表示[9]。

图1.

电动轿车电池储能体系的代代演进。

2.1 上一代

上一代电池，包含铅酸电池和镍基（Ni-based）电池，代表了锂电之前的时代。大多数传统电池的技能、老练度和运用现已十分完备[9, 15]。

2.1.1 铅酸电池

铅酸电池家族敞开了电化学电池时代。法国的Gaston Planté在1859年提出了第一个铅酸电池的想法[9]。不同的运用需求不同类型的铅酸电池储能体系，每种都有特定的充放电特性。因为其老练性和较低的生产本钱，铅酸技能现已统治商场一个多世纪了[1, 16]。价格低价且制作简略，自放电率低，高功率合适大电流放电，以及在低温文高温度下体现优异是铅酸电池的首要长处[1, 17]。但是，典型的铅酸电池比能、能量密度和循环寿数相对较低。此外，铅是一种有毒元素，正确处理或许会很费事[16]。

铅酸电池用于电动轿车时，与其他电池技能比较具有共同的优缺陷。铅酸电池的首要优势之一是其低价的资料本钱，这使得它们在包含电动轿车在内的多种运用中经济上具有吸引力。这种本钱效益是一个重要的要素，尤其是在预算约束是首要考虑的商场中[18]。此外，铅酸电池的收回性很高，这为其他或许无法供给相同水平可收回性的电池类型供给了环境效益[19]。但是，铅酸电池确实有一些显着的缺陷。它们的能量密度低于许多较新的电池技能，如锂离子电池，这约束了由铅酸体系供电的电动轿车的续航路程和功率。总归，尽管铅酸电池供给了低本钱、可收回性和牢靠功能前史等显着优势，但它们也面临着与能量密度和循环寿数相关的应战。在评估其与其它电池技能比较适用于电动轿车的适应性时，有必要仔细考虑这些要素，特别是在行业转向更先进和高效的储能处理计划时。

2.1.2 镍基电池

除了铅酸电池家族外，根据镍的电池是最老练的电化学储能设备之一。在研讨[20]中，瓦尔德马·容格纳（Waldemar Jungner）于1899年在瑞典发明晰前两个根据镍的电池（镍铁和镍镉）。在电化学特性和毒性方面，镍比铅更好。但是，典型的根据镍的电池本钱显着高于铅酸电池。

轿车制作商喜爱镍氢电池，因为它在功能、循环寿数和老练技能方面体现出色[21]。镍氢电池的功能优于其他镍基和铅酸电池[22]。镍氢电池具有宽广的作业温度规模，并且环保。商业化的电动轿车和混合动力轿车，如丰田普锐斯、Mirai、本田Insight和丰田RAV4L广泛运用镍氢电池[23-25]。因为其杰出的功能，根据锂的设备正在取代镍氢电池。

镍基电池的首要优势之一是其强壮的功能特性。它们对过充和过放电具有很高的耐受性，这显着下降了电动轿车运用中电池故障的危险[26]。此外，镍电池在广泛的温度规模内都能有用运行，前进了它们在不同环境条件下的牢靠性[27]。这种较高的能量密度答应电动轿车具有更长的续航路程，处理了电动轿车用户的一个要害问题。但是，镍基电池也有其缺陷。一个重要的约束是它们的能量密度相对较低，与先进的锂离子电池比较，这或许会约束电动轿车的续航路程和功率[28]。此外，尽管镍氢电池比铅酸电池有更长的运用寿数周期，但它们仍然无法达到一些锂离子技能的耐久性，这或许会影响车辆的全体生命周期本钱[29]。此外，镍的开采和加工的环境影响也引起了重视，如果没有妥善办理，它或许导致生态恶化。总归，尽管镍基电池供给了比如耐用性、本钱效益和不错的能量密度等几个长处，但它们也面临着与能量密度约束和环境问题相关的应战。

2.2 当时一代

根据锂的电池现已逾越了铅酸和镍基电池，成为当时一代的首要焦点。尤其是在轿车和便携式设备范畴，这一点尤为显着。根据锂的电池更好，因为它们可以在更小的体积内供给相同的电力或能量，并且没有记忆效应、几乎不发生自放电，而且运用寿数更长[30, 31]。许多商业化的电动轿车和混合动力轿车，包含特斯拉3、宝马i3和日产Leaf[23]，都现已广泛选用了根据锂的电池，如表1所示。

电动轿车中锂电池类型的特征比较[32-38]。

EV车型	电池容量（千瓦时）	电池电压（伏特）	能耗（瓦时/英里）	间隔规模（英里）	50千瓦充电时刻（分钟）
本田e 2020		—
群众e-高尔夫
日产聆风
宝马i3
雷克萨斯UX 300e		—
特斯拉Model 3	55–82		225–265	278–360	40–60
起亚Niro日产Leaf Plus
日产聆风Plus
奔驰EQA
特斯拉Model S	75–100		305–310	283–388
福特野马Mach-E
极星2
极星Taycan
群众ID.4
捷豹I-PACE
奥迪E-Tron
特斯拉Model X			360–365	233–315

2.2.1 锂离子电池

电动轿车更偏好锂电池，因为它们具有更高的能量密度、安全性和运用寿数。根据有机溶剂的锂电池因其本钱效益和高技能老练度而备受欢迎[9]。咱们将锂电池分为三类：磷酸铁锂（LFP）、镍钴锰酸锂（NCM）和镍钴铝酸锂（NCA）[39,40]。其间，镍钴锰酸锂（NCM）电池类型供给了更好的运用寿数和功能，使其十分合适轿车运用。特斯拉广泛运用了镍钴铝酸锂（NCA）电池类型。另一种较新的、盛行的锂电池类型是磷酸钛锂（LTO）电池，它选用了纳米级的磷酸钛锂晶体，以供给更大的表面积。

全球锂离子电池商场的价值超过了240亿美元，估计从2017年到2024年将增加12%。研讨人员正在会集精力寻找含有较少钴的替代资料，以削减对这一要害资源的依赖。咱们现在将锂离子电池分为钴含量高、钴含量中等和钴含量低（无钴）三类[23]。因为其杰出的安全功能、长循环寿数和本钱效益，轿车行业增加了磷酸铁锂（LFP）的运用，这使得它们成为广泛布置在电动轿车中的可行挑选[41]。

电动轿车用商业化锂离子电池一般分为三类：圆柱形、方形和软包型[30, 42, 43]。圆柱形分类是一种特别合适快速和经济可行制作的钢壳包装。因此，特斯拉在其大部分初始车型中都首选圆柱形电池分类。方形电池因为其立方形状在电池热办理方面具有优势。一般来说，较大的表面积促进了电池与冷却介质之间的热交换。因此，包含群众轿车、丰田、日产在内的许多制作商广泛运用方形电池。软包型电池因为相关的安全问题仍处于试验阶段。

2.2.2 锂离子聚合物电池

与干流锂离子电池相同，锂聚合物电池也运用聚合物电解质，而不是液体。其结构类似于锂离子电池，选用过渡金属氧化物LiCoO2阴极（聚合物LCO）。聚合物电解质一般是高导电性的半固体凝胶[41]。锂聚合物电池具有更高的比能量，适用于对分量灵敏的运用，如便携式设备[44]。锂聚合物电池根据锂离子嵌入机理；与具有刚性外壳的锂离子电池不同，它们具有柔性外壳[45]。锂聚合物电池中的聚合物基电解质供给了更高的能量和功率，但制作本钱更高[30]。锂聚合物技能的最大缺陷是其全体制作本钱较高。咱们认为锂聚合物电池是当时和未来高功能电池之间的桥梁。

锂离子聚合物电池的能量密度、离子导电性、放电容量安稳性和高倍率功能等特性会影响它们在电动轿车中的体现[46]。此外，因为具有高能量密度、杰出的功率分量比以及经过继续改进前进车辆安全性的潜力，锂离子聚合物电池在电动轿车技能中迈出了重要的一步[47, 48]。跟着行业的不断开展，处理安全问题和环境影响将对电动轿车技能的可继续增加至关重要。先进的热办理体系（TMS）的集成和对固态替代计划的探索很或许在未来塑造轿车范畴中锂聚合物电池的开展。

2.2.3 锂金属电池

锂金属（Li-metal）电池家族包含各种以金属锂为负极的装备[49]，但因为其首要不可充电的特性，现在没有在商业上或轿车制作商中老练运用[50]。该家族中的一种闻名电池是锂金属（LMO）电池，利用金属锂作为负极，二氧化锰作为正极，并在有机溶剂中运用锂盐电解质[50]。这种电池供给了高达3860 mAh/g的高比容量，由一种硬币型LMO电池展现。它们具有低自放电、更长的运用寿数、紧凑的尺寸和轻便的特点。但是，它们需求大约0.15–0.3 kg的Li/kWh，导致制作本钱较高。这些电池适用于像起搏器和医疗设备这样的名贵和要害的便携式运用[51, 52]。

锂金属电池因其高能量密度和快速充电才能而成为电动轿车的有期望的技能。这些电池的阳极由锂金属制成，其理论比容量远高于选用石墨阳极的惯例锂电池。但是，锂金属电池在电动轿车中的实践运用面临一些应战，包含安全问题、枝晶构成和循环寿数有限[53]。这些电池在仅仅几个充放电周期后就会敏捷失掉贮存能量的才能，然后使其在电动轿车中长时刻运用变得不切实践[54]。在电动轿车中施行有用的热办理体系可以协助调节电池温度并减轻这些退化效应[55]。为了处理容量丢失的问题，现已发现了一种称为静置技能的有期望的办法。让锂金属电池在放电状态下休息可以恢复部分丢失的容量并前进其循环寿数[56]。这种技能与先进的电池办理体系相结合，可以优化充电模式并最小化对电池单元的压力，然后潜在地延长其运用寿数[57]。总的来说，锂金属电池有一些长处，比方更轻便和更高的能量密度[58]。但是，它们也存在一些问题，比方跟着时刻的推移失掉容量、构成枝晶以及对环境产生负面影响。这些问题需求经过新技能来处理。

2.3 电池的未来开展

未来电池”这一术语指的是或许在未来商用轿车中找到运用的新式技能。这些技能包含钠-贝塔、钠离子、金属-空气、锂金属（固态）等。咱们估计未来的电池最终将在功能上与当时的电池相匹配或逾越，并供给丰厚的矿产资源、环保和本钱效益等优势。

2.3.1 钠-β电池

钠-β电池，也称为Na-β电池，为固定用处供给了潜在的前进[59, 60]。因为其丰厚的原资料和固态及熔融态装备中的高能量密度，Na-β家族被认为是下一代的一部分[23, 30]。现在，两种办法现已得到了有用的完成：(i) 钠金属氯化物（Na-MCL2）和（ii）钠硫（Na-S）[61, 62]。当考虑在电动轿车中运用时，Na-S电池呈现出共同的一组优势和下风。

这是一种熔盐电池，具有硫阴极、钠阳极和β-氧化铝陶瓷电解质[63]。Na-S电池是圆形的。它具有很高的理论能量密度——是铅酸电池的五倍——并且本钱效益高且无毒。此外，Na-S电池具有很强的安全特性，例如电池之间填充沙子的安全体系和铝安全管，这使得它们更安全，并确保它们符合安全规范[64]。

尽管如此，钠硫电池在轿车中的运用面临着一个重大应战，那就是其有限的运用温度规模。这一特性也或许带来危险，特别是在热办理和安全方面[64]。1991年，福特公司展现了“Ecostar”电动轿车上的钠硫技能[65]。研讨人员正在努力前进钠硫电池在室温下的功能。但是，导电性下降、反应速率慢以及环境温度下的“穿梭效应”等应战都在影响着电池的寿数[66]。总的来说，钠硫电池有许多长处，包含高功率输出、安全特性、低本钱和更长的循环寿数。但是，它们的能量密度较低且分量较大，这些问题需求在将其用于电动轿车之前处理。平衡这些要素关于未来在轿车范畴开展和选用钠硫电池技能至关重要。

2.3.2 金属离子电池

钠离子（Na-ion）、锌离子（Zn-ion）和镁离子（Mg-ion）电池是金属离子电池，它们包含潜在的替代锂离子电池的挑选。与锂离子电池比较，金属离子电池具有显着的优势，例如更简单取得资料、生产本钱更低、安全性更高以及长时刻环保性[67]。研讨人员估计，跟着锂本钱的继续上升，钠离子电池将发挥重要作用。因为锂的本钱增加，运用载流子并结构类似于锂离子电池的钠离子电池变得越来越重要[67]。钠离子电池蓄电设备是一种可充电的能量贮存设备，它利用钠离子（⁠ N a + ⁠）作为其载流子。锂离子蓄电设备的作业原理和设置方式与钠离子蓄电设备十分类似，仅有的区别是用Na代替了Li[67]。电解液可以是水性的或非水性的；但是，水性电解液在电化学安稳性和能量密度方面存在缺陷。咱们更喜欢含有有机溶剂中的钠盐的非水性电解液。钠离子电池的能量密度低于锂离子电池，但功能类似[30]。研讨人员开发了一种钠离子固态电池（SSB），该电池选用金属Na负极和陶瓷/聚合物电解质[68]。

钠离子电池的优势包含本钱效益、安全性和环保性。此外，钠的储量丰厚且价格低于锂，这使得钠离子电池在大规模运用中成为一个经济高效的挑选。这种丰厚性转化为较低的生产本钱和较小的环境影响，因为钠广泛可用且无毒[64, 69]。此外，钠离子电池还具有长循环寿数和高倍率充放电功能，这关于电动轿车运用来说至关重要[69, 70]。但是，钠离子电池也存在显着的缺陷。钠离子电池的首要缺陷之一是其能量密度低于锂离子电池[71]。钠离子电池在坚持低温功能方面面临应战，这影响了其在冰冷气候下的功率和牢靠性。降解机制和电极资料的变异是造成这一约束的原因[64]。总的来说，与锂离子（Li-ion）电池比较，钠离子电池供给了几个优势，特别是在本钱和环境影响方面，但它们并非没有应战。较低的能量密度和低温功能问题约束了它们在高功能电动轿车中的适用性。但是，正在进行的研制作业会集在战胜这些局限性上，电极资料和电池规划的前进为未来带来了期望。跟着对可继续和经济高效动力存储处理计划的需求不断增加，钠离子电池很或许发挥补充作用。

2.3.3 金属空气电池

金属空气（M-air）类包含锌空气（Zn-air）、铝空气（Al-air）、铁空气（Fe-air）、镁空气（Mg-air）以及钙空气（Ca-air），还有锂空气（Li-air）[72, 73]。尽管是研讨的重点，但因为其高能量密度和安稳的动力学，锌空气电池很有前景。锌空气电池具有高达350 Wh/kg的理论能量密度，并且关于可以反复充电的模型具有安稳的动力学[74, 75]。此外，锌的丰厚性和安全性使其成为一种可行的、经济实惠的、用户友好的和环保的电池处理计划。许多顶级轿车制作商现已开始研讨Zn-air电池，并将其集成到比如梅赛德斯-奔驰MB410和通用-欧宝Corsa Combo等车辆中[23]。锌空气电池的首要长处是其高比能量，超过200 Wh/kg。这使得它们适用于需求长间隔储能的运用，如电动轿车[76]。锌空气运用的资料，特别是锌，丰厚且价格低价，导致生产本钱低于锂电池[74]。此外，因为运用无毒资料，它们对环境的影响较小[76]。但是，这种电池也有缺陷。充电过程中构成的锌树枝或许会导致短路和电池寿数缩短，这对锌空气的耐用性和牢靠性提出了应战[77]。锌钝化和空气电极腐蚀缩短了锌空气的循环寿数。

锂空气（Li-O₂）电池可以分为四类：固态、水性、混合水性和非水性以及非水性。非水电解质锂空气电池具有很高的理论能量密度，可以与汽油作为动力相竞赛[23]。水性（Li-O₂）版别具有较高的燃烧危险，但分化电压较低。各种努力旨在前进混合（Li-O₂）电池的功率和寿数，重点是电极保护。多年来堆集的广泛基础作业关于推动商业可充电（Li-O₂）电池至关重要[30]。锂空气电池的首要优势之一是它们的理论能量密度高达3500 Wh/kg，这显着高于锂电池的能量密度[77]。这种高能量密度与燃料电池适当，使它们成为需求长续航才能的电动轿车的有力候选者。此外，运用空气中的氧气作为反应物削减了重型和昂贵资料的需求，或许下降电池体系的总本钱[77]。此外，因为锂空气电池运用了丰厚和无毒的资料，因此被视为环保产品，这与可继续动力存储体系（ESSs）的目标是一致的[77]。但是，锂空气电池中含氧物种的高活性或许是坏事，因为它会导致严重的安稳性和副反应，然后损坏锂阳极和电解液[78]。这导致再充才能差，并约束了

2.3.4 固态电池

锂金属家族的固态电池（SSB）是先进电动轿车的要害研讨方向。这些电池包含锂金属负极、层状氧化物正极以及固体电解质。因为其潜力，轿车制作商十分喜爱锂硫（Li-S）和锂空气（Li-O₂）电池。运用固体电解质的锂硫电池是未来储能的有力候选者。研讨人员预见到，因为更高的能量密度、更好的安全性、更宽的温度规模和更低的制作本钱，这种电池有光亮的未来[80]。但是，根据硫的正极导电性差，阻止了商业承受度[80]。锂负极的钝化导致自放电率更高和容量更快衰减[81]。

锂硫电池的首要长处在于其理论能量密度高达2600 Wh/kg，显着高于锂电池，这可以前进电动轿车的续航路程[82]。此外，硫磺资源丰厚、价格低价且环保，使得锂硫电池成为电动轿车等大规模运用的抱负挑选[83]。但是，充电-放电循环过程中体积变化较大，或许导致机械不安稳性和循环寿数下降，这在前史上约束了它们在电动轿车中的实践运用[84]。总归，尽管锂硫电池在能量密度、本钱效益和环境影响方面具有显着优势，但现在其在循环寿数和功能安稳性方面的局限性仍需战胜，才能成为电动轿车的干流挑选。

固态电解质（SSE）和新式负极资料的最新进展对前进电池技能至关重要，尤其是在根据锂的体系中。这些打破旨在前进能量密度、安全性和全体功能，同时处理离子导电率和界面安稳性等要害问题。SSE的新开展，如选用纳米结构技能的纳米结构固体电解质，使其更加安稳并具有杰出的离子导电性，这关于全固态电池[85]十分重要。传统电解液不如混合电解液那样灵活或导电，混合电解液由无机和聚合物资料组成[86]。在所有固态锂金属电池中运用锂金属作为负极，也可以使它们具有更高的能量密度，但这带来了一些问题，例如枝晶的构成[87]。尽管取得了这些进展，电池技能面临着巨大的机遇，但制作本钱和长时刻安稳性等应战仍然是重要的妨碍，需求继续的研讨和立异。

SSE的首要优势之一是安全性得到了前进。这些电解液的固体性质削减了走漏和火灾的危险，这是运用液体电解液的传统锂电池中的要害问题[88]。另一个SSB可以比传统电池更快地充电，这最大极限地削减了用户的停机时刻，并增强了电动轿车的全体便利性[88]。此外，它们在-55°C至74°C的宽温度规模内有用运行，这前进了它们在不同环境条件下的通用性[85]。另一方面，SSB的能量密度低于传统液体电解质体系，这或许会使它们不那么有用，因为它约束了它们可以存储多少能量[89]。此外，这种约束或许会影响SSB在高需求场景下的功率和牢靠性。总归，SSE在安全、充电速度和操作通用性方面具有显着优势，但它们也面临着与能量密度和离子导电性相关的应战。但是，为了在电动轿车中充分发挥其潜力，咱们有必要处理它们的开展老练度问题。