新能源汽车动力电池调研报告.docx

1、新能源汽车动力电池调研报告新能源汽车动力电池调研报告社会经济正在迅速发展，但随之而来的是环境资源问题日益突出，全球各国及各行业都在向着本世纪中叶前后实现碳中和的目标努力，汽车产业作为其中的焦点领域之一，面临着更为严峻的挑战。根据国际能源署发布的数据，2020年，全球与能源相关的二氧化碳排放量为315亿吨，占全球碳排放总量的91.3%，由此可见，能源低碳化转型是实现碳中和的关键路径。能源低碳化转型主要包括两个方面的内容：一是实现能源的生产革命，由化石能源向可再生能源转型，从能源生产、输送、转换和存储全面进行改造或者调整，形成新的能源体系，全面提升可再生能源利用率；二是实现能源的消费革命，可再生能

2、源的大规模发展也会极大推进终端能源消费环节的电能替代进程，促进能源的清洁化发展。在全球范围内，交通运输行业碳排放量约占能源相关碳排放量的1/4，是全球第二大碳排放源，其中公路运输碳排放量约占交通行业碳排放量的80%，是交通碳减排的主要领域。在第26届联合国气候变化大会上，100多个国家的政府、城市、州和主要企业签署了关于零排放汽车和面包车的格拉斯哥宣言，提出在2035年前在主要市场、2040年前在全球范围内停止销售内燃机。至少有13个国家同时承诺到2040年停止销售化石燃料驱动的重型汽车。近期，中国、美国、欧盟、日本等全球主要国家和地区都在前期持续推动新能源汽车产业发展的基础上，相继提出更具雄

3、心的低碳转型目标和发展战略，相应出台了更为有力的政策措施推动新能源汽车产业实现零碳发展。新能源汽车主要使用电力、混合动力或燃料电池、天然气等作为汽车动力来源，不仅比普通汽车节约环境资源，而且尾气也大幅减少，在一定程度上保护了大气环境，具有很强的持续性。电动汽车主要由驱动系统、储能系统、整车控制系统及电动化辅助系统四部分组成。驱动系统由电动机、电动机控制器和传动装置组成；储能系统由动力电池、电池管理单元和外接控制单元组成；整车控制系统主要由整车控制器组成；电动化辅助系统主要由车身电子控制、底盘控制、辅助系统电源、空调、转向和直流变压器等组成。对于电动汽车而言，其储能系统的主要性能指标有比能量、能

4、量密度、比功率、循环寿命和成本等。为了保证电动汽车具有竞争力，因此应开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。目前的动力电池主要有蓄电池、超级电容、燃料电池等，蓄电池包括铅酸电池、镍基电池、锂离子电池、钠电池、金属空气电池、金属硫电池等。1、动力电池介绍动力电池是指具有较大电能容量和输出功率，可配置电动自行车、电动汽车、电动设备及工具驱动电源的电池，通常也包括军事（潜艇，高级智能机器人等）及企事业单位使用的蓄能电池设备、通讯指挥系统的常备电源等。目前国内外当前研究开发的动力电池主要包括铅酸电池、金属氢化物-镍电池、超级电容器、金属空气电池、锂离子电池、钠电池、燃料电池、金属硫等动力电池。

5、1.1铅酸电池铅酸电池构成分为正极板、负极板、电解液、隔板。正极板的构成材料通常是PbO2（二氧化铅），负极板的构成材料通常是Pb（铅），电解液主要是H2SO4（硫酸溶液）。其反应机理如下：正极：PbSO4+2H2OPbO2+3H+H2SO4+2e-负极：H+PbSO4+2e-Pb+HSO4-电池总反应：2PbSO4+2H2OPb+PbO2+2HSO4-铅酸电池有很多优点：技术成熟、廉价、安全、可回收再利用，缺点是体积大、比容量低、循环寿命不够长，存在铅污染。但铅酸电池近些年开发出许多新技术，如三维及双三维结构电极和全密封式、管式、水平式等新结构；使用新的铅合金电极，比能量逐渐提高，循环寿命长

6、达4500次。目前铅酸电池的能量利用率不到50，还有很大的提升空间。目前，小型铅酸蓄电池主要用于便携式家用电器，如手提式吸尘器、磁带录像机、电动玩具、报警器、应急照明等，也大量用于计算机和小型不间断电源。中型铅酸电池多用于起动、照明、点火等，如汽车、高尔夫车和自动导向车等都用这类电池。而大型铅酸蓄电池也广泛应用于邮电通讯、瞬时备用电源、大型UPS电源、太阳能和风能发电系统的配套能源，在负载调峰用电方面也有较多应用。同时，铅酸蓄电池在国内主要应用于电动自行车、电动巴士等。1.2金属氢化物-镍电池金属氢化物-镍电池（MH/Ni）电池是以贮氢合金作负极，氢氧化镍作正极，氢氧化钾水溶液作电解质的碱性蓄

7、电池。该蓄电池利用吸氢合金在电位变化时具有吸氢或释放氢的功能，以实现电池充放电，其反应机理为：正极：Ni(OH)2+OH-NiOH+H2O+e-负极：M+xH2O+xe-MHx+xOH-电池总反应：M+xNi(OH)2MHx+xNiOOH式中，M及MH分别为贮氢合金和其氢化物。镍氢电池是一种集能源、材料、化学、环保于一身的绿色环保电池，具有高能量密度、大功率、高倍率放电、快速充电能力、无明显记忆效应等特点。基于电池技术的成熟程度、国内配套设施的建设进度，以及国外新能源车的发展路径，未来几年内，镍氢电池混合动力汽车仍将是新能源车的主流。目前，金属氢化物镍电池的研究已取得了丰硕的成果，已进入商品化

8、阶段，但是在贮氢合金、氢氧化镍、隔膜、电解液以及电池制造工艺方面还存在不足，如高温自放电、大电流放电、成本价格等等。特别是用于电动交通、运输工具的大型金属氢化物-镍电池，其循环次数、续航、抗震性、高温充电能力、散热等，均是亟待解决的问题。1.3锂离子电池锂离子电池是目前世界最新一代的充电电池，它的负极是碳素材料，正极是含锂的过渡金属化合物，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。充电时，正极中的锂离子脱离正极材料的晶格，经过电解质输运嵌入电池的负极碳材料，放电时则相反。锂离子电池反应是一种理想的可逆反应，可称之为“摇椅式”锂离子电池体系。以钴酸锂锂（LiCoO2）电池为例其反应方程式为：负极：LiCo

9、O2Li1-xCoO2+xLi+xe-正极：6C+xLi+xe-LixC6电池总反应：LiCoO2+6CLi1-xCoO2+LixC6锂离子电池的充放电过程就是锂离子在两电极之间循环的嵌入与嵌出过程，在外电路表现为与锂离子等量的电子迁移运动。在电池充电时，电池正极材料生成锂离以及电子，然后锂离子经过有机电解液和隔膜移动到负极，嵌入到呈层状结构的碳负极材料微孔中，此时正极为贫锂态。负极微孔嵌入的锂离子量越多，表明动力电池充电容量越大。同理，在电池放电使用时，嵌在负极材料微孔中的锂离子脱出，经过有机电解液运动回正极材料，此时正极为富锂态。返回到正极材料的锂离子越多，表明动力电池放电容量越大，在外电

10、路上表现出电荷迁移运动形成电流。1.4钠离子电池钠离子电池的构造与锂离子电池类似，核心部件同样为正极、负极、隔膜、电解质以及集流体。由于钠元素与锂元素具有相似的化学特性，钠离子电池与锂离子电池的工作原理类似，即电池在进行充电时，Na+从正极材料中进行脱嵌，通过电解质迁移至负极材料表面，进行嵌入，同时为了保持电荷平衡，外部电路中相应数量的电子由正极流向负极，在这个过程中，正负极通过对Na+的脱/嵌行为发生氧化还原反应，使电能转换为化学能存储到钠离子电池中；当电池进行放电时，Na+与电子的传输与充电过程相反，同时化学能转换为电能，由钠离子电池释放。钠离子电池体系是正极提供Na+作为电池的离子源，主

11、要有层状结构的氧化物（NaMO2，M=Ni、Mn、Co等）、磷酸盐及氟磷酸盐（NaFePO4、NaMnPO4、Na2FePO4F等）及一些混杂的嵌钠材料（NaFeF3、Na4Fe(CN)6）等，负极材料则主要为非晶碳材料、钛基化合物（钛氧化物及钛酸盐、钛磷酸盐等）、钠的合金及化合物（锡-锑合金、磷基材料等）。Na+具有比Li+更大的半径，因此Na+在充放电过程中具有比Li+更加缓慢的传输动力学，同时，钠具有比锂更重的摩尔质量以及更高的标准电极电势，综合导致钠离子电池的能量密度相比锂离子电池偏低。但是，钠资源在地壳中的储量是锂资源的近1000倍，同时由于钠与铝在低电位下不易生成合金，钠离子电池可

12、以采用铝箔当作负极集流体，而锂离子电池只能采用更贵的铜箔，这些使得钠离子电池在成本方面相比锂离子电池具有显著优势。1.5超级电容器超级电容器也称电化学电容器，是介于传统电容器和蓄电池之间的新型储能元件。超级电容器的组成结构与化学电池非常相似，也是由正极、负极、隔膜、电解液等组成。主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面、内部快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存的。根据储能机理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和法拉第准电容器（又叫赝电容器）；根据正负极使用的活性物质是否相同，超级电容器可分为对称型超级电容器和非对称型超级电容器（也称混合型超

13、级电容器）。现以双电层电容器说明其工作原理：双电层电容是在电极/溶液界面通过电子或离子的定向排列造成电荷的对峙所产生的。当对电容器进行充电时，电解液中的阴、阳离子分别向正、负极迁移，在电极表面形成双电层；当电容器对负载放电时，电极表面的阴、阳离子向溶液本体移动，形成放电电流。与传统的电容器和二次电池相比，其优点在于循环寿命若干万次，比功率高，储存电荷的能力比普通电容器高，并具有充放电速度快、使用温限范围宽、无污染等特点；其缺点在于比容量小，单位能量投资高。发展超级电容器的关键问题是开拓毫秒-秒级的应用以及如何降低成本。超级电容器是一种非常有前途的新型绿色能源，目前已广泛用于电动汽车和混合动力汽

14、车中、用于太阳能、风能发电装置辅助电源，以及军事航天领域并可作为工业领域的后备电源。1.6燃料电池燃料电池在与传统定义的电池相比下略有不同，此类电池本身并不是通过不断充电、放电而进行工作的，而是利用所储存的燃料进行发电，是相对较完善的发电系统。目前有乙醇、氢、甲醇等燃料进行使用。燃料电池与锂离子电池相同点则是电池的污染与排气都较小，是一类零污染且具有一定优势的电池。燃料电池发电过程大致分为三大块：燃料的氧化反应和氧化物（一般为氧气）的还原反应：氧化反应伴随自由电子产生和阳离子生成。还原反应则获得电子和阴离子。反应产物的生成：阳离子和阴离子经由电解质后迁移到各自相对的电极上，生成反应产物。电流的

15、形成：由于电势差的存在，电子从阳极经由外电路移动到阴极，形成电流供给负载。工作原理如下图所示。燃料电池具有明显的优点，如转化效率高、环境污染小、燃料补充快、制备简单等。燃料电池能量密度高，接近汽油和柴油的能量密度，代表了电动汽车的未来发展方向，也是各国重点研发的领域之一。燃料电池车的性能相比于传统汽车及锂离子电池新能源汽车而言具有一定的优势，在环境友好性及续航里程上是其他汽车望尘莫及的。1.7金属空气电池金属空气电池是用金属燃料代替氢能源而形成的一种新概念的燃料电池，有望成为新一代绿色能源。其发挥了燃料电池的众多优点，将锌、铝等金属像氢气一样提供到电池中的反应位置，与氧气一起构成一个连续的电能

16、产生装置。以锌空气电池为例，其化学反应方程式为：负极：Zn+2OH-ZnO+H2O+2e-正极：1/2O2+H2O+2e-2OH-总反应：Zn+1/2O2ZnO金属空气电池作为一种完全无污染的能源，不仅具备其他电池的优点，而且还具有低成本、放电电压平稳、高比能量、内阻小、储存寿命长、无需充电设备、采用机械式“充电”、“充电”时间短，比功率高等特点，既有丰富的廉价资源，又能再生利用，而且比氢燃料电池结构简单，并可制成多种型号与规格的实用型电池，是很有发展和应用前景的新能源。金属空气电池以其优势已成为电动车电源的有力竞争者，另外也可用于小型便携式电子装置用电源，中小型移动电源，水下军用电源等。1.

17、8钠硫电池钠硫电池由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成，钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成，负极的活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。在工作温度下，钠离子（Na+）透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应，形成能量的释放和储存。钠硫电池的正负极反应分别为：2Na2Na+2e-；2Na+xS+2e-Na2Sx；总反应：2Na+xSNa2Sx钠硫电池在放电过程中，电子通过外电路由阳极（负极）到阴极（正极），而Na+则通过固体电解质-Al2O3与S2-结合形成多硫化钠产物，在充电时电极反应与放电相反。钠与硫之间的反应剧烈，因此两种反应物之间必须用固体电解质隔开，同时固体电解质又必须

18、是钠离子导体。目前所用电解质材料为Na-Al2O3，只有温度在300以上时，Na-Al2O3才具有良的导电性。因此，为了保证钠硫电池的正常运行，钠硫电池的运行温度应保持在300350，这个运行温度使钠硫电池作为车载动力电池安全性降低，使电解质破损，从而造成安全性问题。1.9锂硫电池锂硫电池的内部结构与锂离子电池类似，主要由金属锂负极、隔膜、电解液、碳硫复合正极、集流体、外壳构成。其工作原理与锂离子电池却截然不同，充电时，Li2S电解生成长链多硫化锂（Sn，n=28），Li+迁移至负极沉积为金属锂；放电时，Li+由负极向正极迁移，电子则通过外电路到达正极，长链多硫化锂的S-S键断裂形成硫化锂。伴

19、随着S-S键的断裂和生成，电能和化学能相互转换。在已知的负极材料中，金属锂的电位最负（-3.04V）、比容量高（3800mAh/g）。在已知的正极材料中，单质硫的电位适中（0.90.7V）、比容量较大（1675mAh/g）。锂硫电池将金属锂和单质硫组成电池，其理论比能量可以达到2600Wh/kg，具有很大的技术吸引力，成为当前储能领域的重要研究方向。锂硫电池仅需约30%的理论比能量，就可以实现750Wh/kg的实际比能量。而对于锂离子电池来说，即使负极使用金属锂，在电芯制备工艺达到极限的情况下，其实际比能量也仅能达到600Wh/kg。1.10动力电池性能对比相对于铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池

20、，锂离子电池的主要优势特点表现为以下几个方面：（1）锂离子电池单体电压高。锂离子电池单体端电压高达3.6V或3.7V，而镍氢电池端电压只有1.2V，因此锂离子动力电池稳态工作电压平台一般是镍氢电池的3倍，为铅酸电池的电压近2倍，从而锂离子动力电池串联成组所用单体电池数目比较少，更适合用于大功率运行的纯电动汽车。（2）重量轻，体积小，比能量大。锂离子电池质量比能量在100-170（Wh/Kg）之间，一般为镍氢电池的2倍以上。电池单体重量是相同能量的镍氢电池重量的50%，是铅酸动力电池的30%；体积能量密度一般在400Wh/L左右，比铅酸动力电池高，是镍氢电池的2倍多。因此相同容量的电池，锂离子动

21、力电池单体体积要小的多，具有更合理的外形和电池组内部排列结构。（3）循环使用寿命较长。锂离子电池充放电循环次数一般在600-2000次之间。锂离子电池连续充放电600次，电池容量依然可以达到额定容量的80%，长期使用经济性远优于其它几种动力电池。（4）工作温度范围宽。锂离子动力电池正常工作温度范围在-20-60之间，虽然低温条件下性能受到影响，放电容量变少，但仍要比铅酸动力电池和镍氢动力电池的低温性能好。（5）自放电率较低。电池自放电率是指放置不用时自行放电量的多少，锂离子电池自放电率每月在5%-10%之间，而镍氢电池的每月自放电率普遍超过25%。因此相同环境中锂离子动力电池更容易保存。（6）

22、无记忆效应，可随时补充充电。锂离子电池电化学反应过程不产生记忆效应，在电池没有完全放电的情况下充电并不会影响电池的充电容量和循环使用寿命。而镍氢电池则不能随时充电，有时需要完全放电后再充电。（7）可快速充电且能大电流放电。锂离子电池标准放电倍率为2-5C，连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10S）可达20C，放电电压平稳。（8）绿色环保，无环境污染。锂离子电池中不含铅、镉等有毒物质，并且密封性很好无污染气体排出，是一种真正的绿色环保动力电池。因此锂离子动力电池能够提供纯电动汽车所需求的大功率，非常适合用于纯电动汽车。只要锂离子动力电池组管理系统能对所有单体电池的电压、充放电电流、温度等信

23、息进行实时准确测量，采用完善的过充电、过放电安全保护措施及均衡充放电技术，可很大程度上延长循环使用寿命，具有更好的使用经济性。锂离子动力电池除具有以上的优点外，也有一些不足之处：（1）对高温极其敏感。虽然锂离子电池在高温条件下放电容量有所增加，但电极材料发生老化的速度很快，严重损坏电池性能。锂离子电池容量衰减受温度的影响较大，当锂动力电池组单体电池温差很大时会导致个别电池电化学性能迅速衰减，从而电池组总容量减少，缩短循环使用寿命。（2）低温下内阻较高，随充放电次数逐渐增加。锂离子动力电池在低温环境中使用时内阻较高，且随着使用次数增加及电化学性能的衰减内阻增加较快，从而导致电池充放电过程中生热速

24、率的增加，产生大量的热，影响电池的循环寿命。（3）不允许出现过充电、过放电现象。锂离子电池过充、过放均会损坏电池材料的活性，缩短使用寿命。（4）价格昂贵。不同类型动力电池性能参数表磷酸亚铁锂锰酸锂三元复合材料钛酸锂燃料电池锌-空气电池质量比能量/（Wh/kg）100-12080-100150-20060-80500500-1000平台电压/V3.23.83.62.20.6-0.83.03工作温度/充电：0-45放电：-20-55充电：0-40放电：-20-55充电：0-50放电：-20-60充电：0-45放电：-20-6020-205-循环寿命/次2000（80%SOC、100%DOD；1C/

25、1C）1500（70%SOC、100%DOD；1C/1C）2000（80%SOC、90%DOD；1C/1C）10000（80%SOC、100%DOD；6C/6C）-优点无毒、无污染、安全性能好、寿命长工艺简单，价格低廉，充放电电压高，对环境友好，安全性能优异容量比较高，价格相对便宜，安全性比较好，循环性能优异循环性能好，放电电压平稳，安全性能好比能量高，能量转换率高，性能稳定，安全性好比能量高，能量转换率高，性能稳定，安全性好缺点导电性差，振实密度较低比容量较低，高温下容量衰减较严重材料的合成相对困难，材料的电压平台较低，充放电效率较低比容量很多，导电性差，振实密度比较低成本很高寿命短，电流小

26、，比功率小，难充电成本很高，寿命短锂和钠作为电池负极的物理性质比较LiNa原子质量6.9423离子半径/0.761.02电势（相对于标准氢电极）/V-3.04-2.71熔点/180.597.7理论质量比容量/mAhg-138611166理论面积比容量/mAhcm-220621131体积密度/gcm-30.5340.971各种燃料电池的技术发展状况碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）比功率/（W/kg）35-105100-22030-4015-20300-1000单位面积的功率/（W/cm2）0

27、.50.10.20.31-2燃料种类氢气（H2）天然气、甲醇、液化石油气天然气、液化石油气净化煤气氢气（H2）氧电极的氧化物种类氧气（O2）空气空气空气空气电解质有腐蚀液体氢氧化钾有腐蚀液体磷酸水溶液有腐蚀液体碳酸锂/碳酸钾无腐蚀、氧化锆系、陶瓷系无腐蚀、固体稳定氧化锆系发电效率/45-6035-6045-6050-60-电荷载体OH-H+CO32-O2-反应温度/50-200180-220600-700750-100025-105钠硫电池的特点结合目前研究钠硫电池的试验、理论研究及应用分析，归纳起来，钠硫电池具有如下优点：1比能量高。理论比能量为760Whkg-1，实际已达300Whkg-1

28、，为铅酸电池的10倍；2开路电压高。350时开路电压为2.076V；3充放电电流密度高。放电一般可达200300mAcm-2，充电则减半；4充放电时效率高。由于电池没有自放电及副反应，充放电效率接近100%；5充电时间短。大功率钠硫电池一次充电时间约为2030min；6使用寿命长。大功率钠硫电池连续充放电近2万次，使用寿命可达15年之久；7环境友好。全封闭，无污染释放，无噪声；8大容量，结构紧凑。单体电池，串联成不同容量的模块，空间和重量是铅酸电池的1/31/4；综上所述，不同种类电池均有优劣势，可应用于不同领域：(1)铅酸电池已经使用了很长的一段历史时期，在内燃机汽车当中就已经获得了很好的应

29、用。铅酸电池存在体积较大，寿命较短的缺点，很多时候需要频繁的更换电池才可以满足大众的使用需求。不仅如此，对环境的污染性较高，和其他的动力电池对比，已经处于比较弱势的地位了。此时，就需要结合现实的需要，分析对应的价值，相对而言铅酸电池的稳定性较高，材料易得，价格不高，可以回收。例如：在电动叉车、旅游观光车等车型就达到了较高的应用，并且属于轻混合动力汽车的发展方向。(2)镍氢电池则是一种绿色镍金属电池，它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢合金材料，不存在重金属污染问题，且其在工作过程中不会出现电解液增减现象，电池可以实现密封设计。镍氢电池就其工作原理和特点是适合电动汽车使用的，它已被列为电动汽车用首选

30、动力电池，但其还存在价格太高，均匀性较差（特别是在高速率、深放电下电池之间的容量和电压差较大），自放电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，这些问题都影响着镍氢电池在电动汽车上的广泛使用。(3)锂离子电池是上世纪90年代发展起来的高容量可充电电池，能够比氢镍电池存储更多的能量，能量密度大，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应和环境污染，是当今各国能量存储技术研究的热点，主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。其蓄电能力基本上可以达到镍氢电池的两倍以上，并且还在继续的开发科研过程中。锂离子电池不会出现污染问题，可以达到环保的要求，并且具备较高的开发价值。锂电池材料，其能够做到循环利用，

31、最大限度的降低制造成本。在目前的应用上，基本上都是在插电式混合动力电车和纯电动力电车中使用。(4)钠离子电池与锂电池在原理、结构上几乎完全一致，钠离子电池路线的主要优点是资源极其丰富，而缺点是能量密度比三元锂离子差。2021年7月29日，宁德时代发布第一代钠离子电池，宁德时代表示，下一代钠离子电池电芯能量密度将突破200Wh/kg，预计2023年基本形成产业链。虽然宁德时代的发布会让汽车行业看到了钠离子电池的希望，但是目前来看钠离子电池的优势场景仍以储能市场和两轮车市场为主。未来钠离子电池将被主要应用于储能领域。(5)超级电容器作拥有电容量高、功率密度高、高功率充放电能力以及循环使用寿命长等特点，吸引了各行各业的关注。超级电容器应用需求及市场前景广阔，有望成为本世纪新型的绿色能源。目前，超级电容器已在交通运输、国防军事、计算机、医疗、工业和电力等领域得到了广泛应用，成为了储能领域中的新亮点。(6)氢燃料电池汽车克服了纯电动汽车需要较长充电时间