摘要：鉴于锂离子电池的能量密度逐渐接近其理论上限，所以应投入一定的精力去研发其他类型的电池。各种备选的电池都有各自的优缺点，应对其进行全面的评估。掌握新能源汽车核心技术，自主创新，发展新能源汽车产业还可以拉动国内经济的发展。
关键词：纯电动汽车；发展；面临问题
1电池能量密度
目前，最适合纯电动汽车的电池是锂离子电池。因此，本文主要讨论锂离子电池。在众多的锂离子电池中，以三元材料锂电池和磷酸铁锂电池最为普遍。纯电动汽车对电池系统的能量密度的需求约500W.h/kg。根据计算，500km的续驶里程需要电池包的能量密度达到约300W.h/kg，需要单电池的能密度至少达到350W.h/kg。这已经是锂离子电池能量密度的极限。虽然金属锂的能量密度（高达43.1MJ/kg）与汽油不相上下，但是锂离子电池的能量密度却远低于该值：不能充电的锂离子电池只有1.8MJ/kg；能充电的锂离子电池更低，只有0.36—0.875MJ/kg。究其原因，可以归结为以下三条：首先，为保证电池内部的化学反应有序地进行，锂离子电池必须要配有一定质量的电解液；其次，锂离子必须均匀地分布在电极表面：无序地分布在电极表面会发生析晶，导致隔膜穿刺、电池短路；最后，为了保证正极的结构完整和强度，正极通常会保留约50%的锂离子，而这些锂离子基本不参加化学反应。由于上述原因，锂离子电池的能量密度始终难以与汽油相抗衡。
2电池材料
锂离子电池的制造过程是高成本、高污染、高能耗的。为保证电池性能，电极材料必须采用一定比例的钴和镍：100kg的锂离子电池正极约需6—12kg的钴和36—48kg的镍。钴在地壳中含量稀少、开采过程高污染且成本高昂：全球大多数的钴矿含量较低，仅约0.003%，而高于0.1%才值得去开采，但成本高达100—150美元/kg。市场需求的增加，钴和镍的产量完全无法满足需求，即使回收电池也无法弥补需求上的缺口。这将进一步地推高原材料价格从而增加纯电动汽车的成本。因此有研究建议将研发的重点放在更普遍、更廉价、更容易获得的材料上，如铁、铜等。此外，鉴于锂离子电池的能量密度已经接近其理论上限，确实有必要去研发其他电池来更好地满足纯电动汽车的需求。
除三元材料锂电池和磷酸铁锂电池之外，有观点建议采用锂硫电池、钠离子电池、金属空气二次电池、全固态电池等技术。为了实现高能量密度电池，负极采用金属锂，正极应采用O2、H2O、CO2和S等。在电池结构等方面，有研究建议采用梯度包覆型。该结构热稳定性好、倍率高、循环保持率稳定。但是在产业化过程中会面临电压衰减、制造工艺等问题。也有观点推荐尖晶石、富锂异质结构。该结构能量密度高、动力性能好。但是材料的相变问题、成品材料的振实密度与高能量密度之间的矛盾等问题仍有待解决。值得注意的是，一些实际效果并不太理想的材料受到过度地热捧。在此投入大量的研发精力，可能会造成不必要的浪费。首当其冲的便是石墨烯，与其他碳系材料竞争，无明显优势。石墨烯只能用做负极活性材料和导电添加剂，且成本高昂、体积密度低下。使用过程中会产生结构变化、分散等一系列问题。石墨烯并没有改变电化学特性和存储机理，因此在化学原理上没有颠覆性。锂空电池在最近也受到热捧。有研究解决了锂空电池只与纯氧反应、循环寿命差等问题，在基础研究方面取得了重要的突破。但是，业界指出锂空电池结合了锂离子电池和燃料电池的缺点，且副反应过多。因此，锂空电池也不适合纯电动汽车。
3电动汽车生命周期
纯电动汽车是否节能环保，不能仅考虑汽车运行时产生的能耗和排放，还需要对汽车进行生命周期分析，包括汽车的制造、回收等环节。中国的汽车生命周期分析已经发布相应的行业标准。锂离子电池的制造过程会产生一定的污染。但是，与燃油汽车相比孰高孰低，目前尚未找到系统的方法去评估。关于纯电动汽车运行时能耗的问题，业界尚存在一定的争议。有观点认为，纯电动汽车耗电成本确实低于燃油汽车。也有计算表明，鉴于中国以煤电为主，从碳排放的角度，纯电动汽车与燃油汽车相比并不具备优势。即使技术较为领先的特斯拉，也因为能耗过高在新加坡遭到罚款。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆但是随着清洁发电技术的普及，纯电动汽车在节能减排等方面更有潜力，而燃油车始终无法摆脱化石燃料的限制。锂离子电池的回收与环保问题密不可分。废旧锂离子电池中的物质进入环境，可能会造成镍污染、钴污染、氟污染、有机物污染、粉尘和酸碱污染等。鉴于此，对锂离子电池进行回收是十分必要的。
4充电技术
纯电动汽车的充电时间通常远高于燃油汽车的加油时间，这也不利于纯电动汽车的商业化。纯电动汽车如果采用“慢充”，所需时间通常达到6h以上。这与燃油汽车的加油时间根本不在一个数量级上，完全无法抗衡。因此，业界提出了“快充”来解决充电时长的问题。“快充”通常是小时级别的，充电电流大于0.1C。“快充”要求电池具有良好的功率密度，而续驶里程要求电池拥有优秀的能量密度。这两种要求通常是矛盾的，需要妥协与平衡：功率密度高的电池往往是以牺牲能量密度为代价的。在基础设施等方面，纯电动汽车充电技术也面临一定的问题，无论“快充”还是“慢充”。纯电动汽车通常在夜间接入处于用电高峰的居民配电网，而居民配电网容量较小。在“峰上加峰”的情况下，居民配电网难以支撑纯电动汽车大规模充电。即使是现有的商用配电网，也难以满足需求。因此，纯电动汽车充电对于居民配电网来说是非常高的负荷，会对电网造成相当的冲击。即使相对保守的计算，纯电动汽车以1.4kW的“慢充”进行充电，居民配电网的夜间负荷上升了一倍多。无论是建设专用的配电网络还是建立微电网，都有着不小的资金和技术上的难度。或许改变用户习惯，错峰充电是个可选择的解决方案。隔夜充电8—10h可续驶100km，同时不会对配电网产生很大的冲击。但是这需要改变消费者的使用习惯，需要用户的配合。
5换电模式
鉴于充电技术存在的上述问题，蔚来公司提倡的换电模式逐渐地走进业界的视野。换电模式有着充电模式不可替代的优势：提高电网负荷率，电池可以采用“慢充”延长寿命，谷底充电时电价成本较低；虽然换电站初期投资高，但是比充电站盈利性更强，投资回收期更短。各车企不愿意剥离，难以达成统一的行业标准。这不利于换电模式的推广；其次，电池价格过于昂贵，消费者不愿负担换电产生的成本；再次，随着换电次数的增加，电池的容量和能量密度逐渐地衰减，续驶里程不断地下降：中国国家电网和众泰汽车在杭州的试点项目中，多次换电后，出租车的续驶里程由100km下降到不足70km；此外，涉及多方的利益冲突，利润主要被换电服务商拿走，整车厂没有积极性。
6电池管理系统
为保证锂离子电池包安全、可靠地工作，锂离子电池包必须要配备电池管理系统。电池管理系统的目标主要有三个：（1）防止电池和电池包的损坏；（2）让电池工作在合适的电压和温度区间，保证安全的同时，尽可能延长寿命；（3）让电池包尽可能地满足纯电动汽车的要求。
电池管理系统的硬件架构，包括电流、电压传感器、温度传感器、加速或刹车传感器、运行或禁止充电传感器；软件系统的功能应包括：电池参数监测、预测电池状态、在线监测、电池安全控制及预警、充电控制、电池均衡、热管理、网络连接和信息储存等。电池管理系统的关键问题包括电压测量、电池状态预测，电池的一致性和错误诊断等。众多的企业、研究所和高校均推出了各自的电池管理系统。国内也涌现出相当数量的产品。当前市场上，特斯拉的电池管理系统是优秀系统的典型范例。
结语
从汽车生命周期分析的角度，纯电动汽车节能减排的能力尚存在一定争议。鉴于中国以煤电为主，纯电动汽车的能耗与燃油汽车相当。然而，随着清洁发电能源的比例逐渐增加，纯电动汽车具有更大的节能减排潜力。
参考文献
[1]胡婉.新能源汽车动力电池产业报告[N].盖世汽车研究院，2018.
[2]弗雷刘.如何筛选靠谱的锂离子电池技术[N].2017.
论文作者:黄小明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第22期
论文发表时间:2019/11/11
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