半导体

动力锂离子电池为电动汽车产业发展做好准备

作者:黄学杰来源:中国电子报发布时间:2008-08-06 01:39我要评论



 


中国科学院物理研究所研究员 黄学杰


发展电动汽车是降低汽车石油消耗和减少车辆尾气排放的最佳途径,正处在快速发展阶段的锂离子电池即将为电动汽车产业的发展做好准备。锂离子电池的负极是储锂材料,正极是含锂的过渡金属化合物LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等,电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。与其他蓄电池比较,锂离子蓄电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点,电池寿命/成本比正在进一步提高,应用锂离子电池的电动车使用成本上将会比汽油车更低,采用换电模式将利用低谷电并能克服充电时间长的缺点,易于为电力企业和车辆驾驶者接受。


制造方式正在发生变革


目前锂离子电池行业正在发生结构上的重大调整,汽车工业要求锂离子动力电池的寿命比小型电池长两倍以上,成本降50%%,单体容量增加十倍以上,生产规模增加几十甚至上千倍。电池的制造涉及材料筛选和评价、极片制造、电芯制造、电池管理系统制造和电池组装配等一系列流程,制造过程直接关系到电池的一致性和安全性。动力电池的产业化正伴随着材料、工艺和装备的重大革新起飞,传统的钴基氧化物正极材料正在被成本更低和安全性更优的锰基氧化物和磷酸盐材料取代,用于小型电池的电极制备工艺也将会逐渐地被高效、低能耗和低排放的新工艺所取代,大型动力电池的散热和高功率输入/出要求使电芯设计也发生变化,相应地在材料制备技术、电池制造技术、工艺和装备方面人们不断的创新。大规模的产业发展对资源和环境也造成了挑战,发展锂离子电池回收处理技术以实现材料的循环使用也已成为一个紧迫的任务。


安全性需要综合解决方案


锂离子电池的安全性事故是指锂离子电池使用过程中发生爆炸和起火事故,在充电过程中、充电后使用过程中和交通事故引起电池组机械性损坏时均有可能发生。影响锂离子电池安全性的主要因素有电池的电极材料、电解液以及制造工艺和使用条件等。电池滥用时,内部发生的不可控化学反应与放出的热量直接相关,锂离子电池电解液的有机成分为碳酸酯,闪点低,沸点也较低,正极为强氧化性化合物,负极为强还原性化合物,当电池中热量的产生速度大于散热速度时,就会造成电池内部压力过大引起爆炸,或外壳破裂后与空气接触,因温度高和锂负极的高活泼性引燃起火。

一般来说,安全性是和锂离子电池储存的总能量成反比的,电动自行车所用锂离子电池组的重量为3~4公斤,比手机大了100多倍。随着电池容量的增加,电池体积也在增加,其散热性能变差,出安全事故的可能性大幅度增加。因此,将锂离子蓄电池做成动力电池,就必须提高其安全性能,单体电池愈大,要求达到的安全性指标也就愈高。

国内刚开始开展锂离子电池电动车研发时,曾出现若干爆炸和燃烧事故,一个主要的原因是使用通常手机电池采用的钴酸锂作为电池的正极材料。在使用过程中发生某些意外的情况下,比如管理系统损坏而导致电池充电电压过高,正极中剩余的一部分锂就会脱出经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积,而金属锂的表面电沉积极易形成“枝晶”,从而刺穿隔膜,将正负极短路,引起起火爆炸等安全事故。另外,金属锂非常活泼,熔点也低,在电池温度局部过高或者壳体破损接触空气的情况下易于着火。我国高功率锂离子电池安全问题在“十五”期间,得到了较好的解决。采用改性锰酸锂材料降低了正极的氧化性,活性锂的含量也比钴酸锂的低。有关负极、电解液和制造、使用等方面也采取了一系列创新。


电池产业为电动汽车产业做好准备


电动汽车产业发展的迫切需要高功率动力电池的支撑,我国锂离子电池产业的技术升级也需要发展动力电池技术。我国已成为仅次于日本的锂离子电池生产大国,竞争激烈,目前宽幅涂布机等锂离子电池关键生产设备也已国产化,为锂离子动力电池的发展打下较好的基础。经过科研、工程技术和管理人员的共同努力,预期未来几年会在材料、技术、工艺和装备等方面取得突破性进展,“汽车级”的锂离子电池将批量进入市场,服务于即将快速发展的电动车行业。

 


责任编辑:电子信息产业网
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