鉅大LARGE | 點擊量：526次 | 2022年08月08日
鋰電池在電動汽車上的進展和挑戰(zhàn)
近日，德國明斯特大學(xué)的TobiasPlacke教授和MartinWinter教授(通訊作者)在Natureenergy上發(fā)表綜述文章Performanceandcostofmaterialsforlithium-basedregeableautomotivebatteries。文章回顧了鋰離子電池材料在電動汽車上的進展和挑戰(zhàn)，特別是在成本和性能參數(shù)方面;討論了正負極材料的生產(chǎn)過程，重點介紹了材料的豐度和成本以及不同電解液對電動汽車的優(yōu)點和挑戰(zhàn);最后，嚴格評估了有前景化學(xué)電池的能源密度和成本，以及實現(xiàn)電動汽車推進目標的可能性。
【引言】
1900年到1912年這幾年是電動汽車歷史上的黃金時代，到1912年，電動汽車在美國的使用量達到了3萬人，這些電動汽車的動力主要是一種鉛-酸電池(LAB)，單個電池電壓大約為2V。由于LABs中較差的質(zhì)量利用率和充電-放電機制，其實際容量含量僅為40Wh/kg和90Wh/l，庫侖效率和能源效率也僅為80%和70%，所以這種電動汽車被內(nèi)燃機汽車所取代。隨著科技的進步，環(huán)保意識的提高，減少汽車排放量必不可少，電動汽車將會進入另一個黃金時代：2016年，在美國有16萬混合動力電動汽車(PHEVs)的銷售量。
鎳氫(NiMH)電池是混合動力電動汽車(HEVs)的首要選擇，NiMH電池的標稱電池電壓為1.2V，可以提供的容量達到80Wh/kg和250Wh/l，不過，其庫侖效率(70%)和能源效率(65%)比LABs的還要低。
如今，PHEVs和電動汽車(BEVs)只使用鋰離子電池(LIBs)，其提供的容量最高可達260Wh/kg和700Wh/l，以及更高的庫倫比(99%)和能源效率(高達95%)。為了實現(xiàn)大眾市場的滲透，美國能源部和先進電池協(xié)會估計至少需要500公里的里程，這相當(dāng)于電池組的電池容量需要達到235Wh/kg和500Wh/l，電池單元的電池容量需要達到350Wh/kg和750Wh/l，此外，電池組的成本必須要低于125US$kWh–1。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
【負極材料】
人工石墨(SGs)和天然石墨(NGs)以及無定形碳(硬碳和軟碳)，是應(yīng)用較多的碳質(zhì)負極材料，與NGs相比，SGs的純度高、波動低，通常用非晶態(tài)和石墨化碳的混合物來進行優(yōu)化，如優(yōu)化P:E的比值。目前，在一些商業(yè)電池中(如松下或日立)，在碳電極中加入少量的硅(大部分為SiOx)以進一步提高電池的容量。
此外，鈦酸鋰(LTO)也被用于商業(yè)電池(如東芝的SCiB)，由于其低的電池電壓(這里說的應(yīng)該是形成的全電池電壓低)和高功率能力，LTO-基電池更適合高功率上的應(yīng)用，特別是在電動巴士中。鋰金屬被認為是未來最有希望的負極材料，特別是在使用陶瓷或聚合物電解質(zhì)的全固態(tài)電池(ASSBs)中，現(xiàn)在已經(jīng)用在鋰金屬聚合物電池上。
目前，SGs的市場份額為43%，NGs的市場份額為46%(2016年數(shù)據(jù))，而無定形碳的所占比例僅為7%，這顯然證明了碳基負極材料的主導(dǎo)地位。相比之下，LTO基和硅基的負極材料僅占2%左右。
【正極材料】
自從LIBs的商業(yè)化以來，正極已經(jīng)成為電池整體容量提高的一個瓶頸。對汽車電池的正極活性材料的關(guān)鍵要求包括：高比容量，高放電電位，高安全性，高能量密度，快速的電池反應(yīng)動力學(xué)和良好的穩(wěn)定性等。目前技術(shù)比較成熟的是具有LiMO2型的層狀氧化物正極，包含了過渡金屬(M)，如鎳、鈷和錳(NMC)或鎳，鈷和鋁(NCA)被廣泛用于汽車電池的正極活性材料。
【電動汽車上的電池】
最近幾年，電動汽車的容量在不斷的增加，已經(jīng)可以實現(xiàn)300km的里程。由于市場的推動，在LIBS的研究上的大量投入，其能量增速很大，目前圓柱形18650型電池的能量密度可以到(約250Wkg-1和670Wkg-1)。在電動汽車的應(yīng)用上，設(shè)計出了不同形狀的電池結(jié)構(gòu)，如棱柱形、圓柱形或袋狀，被用在特定場合下。大多數(shù)的EV電池是基于石墨負極，而最近的研究是在負極上添加少量硅。如果硅可以成功添加在負極上，不僅不會縮短循環(huán)壽命，而且能夠進一步提高能量密度。
目前，NCA、NMC-532和NMC-622可以被認為是最先進的正極材料，主要是由于其較低的體積膨脹。磷酸鐵鋰(LFP)正極材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在電動汽車上，目前應(yīng)用的規(guī)模是最大的，這是由于LFP的很好的穩(wěn)定性，具有較好循環(huán)壽命和倍率性能，如公共汽車和卡車已經(jīng)廣泛使用。
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