【摘要】动力电池是新能源电动汽车最核心的关键部件，是能量之源，它的性能决定着新能源汽车续航、安全、价格等，目前锂离子电池发展最快，装机量最高。通过对新能源汽车锂离子动力电池原理及结构、正极电芯材料和电池性能参数进行对比分析，探讨汽车动力电池当前发展状况及发展方向。 【关键词】锂离子动力电池，正极电芯，热失控
近几年新能源电动汽车井喷式发展，电动汽车开始进入寻常百姓家，电动汽车车主的里程焦虑越来越凸显。根据中国汽车动力电池产业创新联盟数据显示，我国2021年新能源汽车动力电池累计装机154.5GWh，累计同比增长1.43倍。动力电池作为新能源电动汽车的能量之源，它的技术水平达到的程度直接影响汽车的行驶里程。
锂离子动力电池是目前国内外新能源纯电动汽车主要发展趋势，该类电池具有能量密度大，污染和记忆效应很小，使用寿命较长等特点。锂离子电池单体电池的工作电压高达3.7伏特，能量密度理论值为 570Wh/Kg，当前能量密度仅开发三分之一水平不到。综合环保与社会效益来看，锂离子电池开发前景广阔。图1为单体电池结构及原理示意图，单体锂离子电池内部由正极、负极、电解质及隔离膜层组成，正极电芯的材料是锂的金属化合物，负极电芯材料当前主要是石墨（碳的一种结构形式）或添加硅的石墨材料，隔离膜材料要锂离子能够方便通过，而电子不能通过。锂电池充电就是锂离子从正极电芯通过电解液经过隔离膜层到达负极电芯的过程，锂离子反过来从负极电芯到达正极电芯就是锂电池对外放电过程。锂离子电池在充放电过程时，只是锂离子在两极间移动，电解液不发生化学反应。新能源动力电池模组可以由单体电池串联组成，也可由多个电池单体并联或串联先组成电池模块，然后由多个电池模块串联组成所需要工作电压的动力电池模组，如图2动力电池内部连接。新能源的动力电池串联的模块（或电池单体）越多，工作电压就越高，如某款动力电池模组有5个模块组成，3个大模块（27串3并）、2个小模块（6串3并），共93个串联，其工作电压就是344.1伏特。
选择不同的材料做锂离子电池的电芯对电池性能影响很大，锂离子电池负极电芯一般是碳（石墨）材料，选择不同的材料做正极电芯，电池的能量密度会有较大不同，电池的物理特性也会有很大差异。当前新能源汽车动力电池正极电芯材料主要有二种，主要占据了新能源汽车动力电池的市场，而且对市场的竞争非常激烈。一种是磷酸铁锂（LiFePO4）电池，俗称铁电池，当前能量密度可达到140Wh/Kg，特点是高效率输出，标准放电为2～5C、连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C，电池外部温度65℃（内部温度95℃），电池放电结束时温度可达160℃，电池结构仍然完好、安全，即使电池内部或外部受到伤害，电池也不燃烧、不爆炸，经过500次放电循环，放电容量仍大于95％。另一种是三元锂电池，正极材料中包含了镍、钴和锰（或铝）三种金属元素，被命名“三元”，能量密度一般在150Wh/Kg以上甚至更高，低温条件下放电效率仍能保持较高水平。对比电芯正极两种不同材料的动力电池，磷酸铁锂电池化学性质更稳定，500～600℃才出现热失控，安全性好，寿命更长，不含稀有金属，社会资源承受度好，
但低温条件下放电效率较低；而三元锂电池能量密度更高，续航里程更长，低温适应性好，但对高温更加敏感，200℃就出现热失控，因含镍、钴和锰等稀少材料价格较高。
当动力电池模组内部单体发生短路，短时间内会产生大量热量，容易导致电池局部温度迅速升高，如果温度得不到控制就会蔓延至周围单体而出现热失控现象，动力电池模组产生冒烟甚至燃烧。锂电池对温度是非常敏感的，温度过低或过高都会影响放电效率和使用寿命，它最佳的工作温度是在15～35℃。为避免出现热失控现象的发生，需要对动力电池实施时刻的健康监测，防患于未“燃”。每个模块都有熔丝保护，同时每个层级都有电流、电压和温度监控。如采用车规级电池管理系统芯片，实现每秒10次全天候24小时全覆盖数据采集，对电池状态进行监测。同时需要对动力电池设置更科学合理的液冷系统，通过增加散热面积来提高散热效率，还可以设计冷却液通道来控制冷却液不同的流向，当发现温度异常时，迅速启动电池冷却系统对电池局部进行降温自救。
新能源汽车的动力电池一般安装在车辆底部，容易受到飞石、尘土和雨水的影响，工作环境比较恶劣。因此，电池模组需要放置在一个密封并且屏蔽的动力电池箱里面，以满足电气设备外壳防护等级IP67的要求。第一个数字6表示固态防护等级为尘埃无法进入，第二个数字7为液态防护等级，表示常温常压下，30分钟浸泡在1米深的水里不会造成有害影响。
现在，各大电池企业加大了对新能源电动汽车动力电池方面的研发力度，重点解决社会关注度最为高的续航能力和安全性，相继推出了高比能量和高安全性的动力电池。2020年3月，比亚迪旗下弗迪电池有限公司发布了超级磷酸铁锂电池（俗称刀片电池），以体积能量密度等同于三元锂电池，通过了针刺测试不冒烟，不起火，解决了动力电池自燃的问题。2021年3月，广汽埃安发布全弹匣系统安全技术（俗称弹匣电池），行业首次实现三元锂电池整包针刺测试不起火。宁德时代于今年4月发布第三代CTP技术（又称麒麟电池），能量密度将达到更高水平。随着科学技术的进步与科研人员的创新，相信新能源汽车动力电池在结构与原理方面会不断推陈出新，越来越能够满足车主对续航能力与安全的需求。
参考文献
[1] 孙旭，陈社会. 新能源汽车概论[M]. 北京：机械工业出版社， 2017.8（2021.1复印）
[2] 电动汽车观察家. 中国新能源汽车产业观察[J]. 2021年12月
电动汽车动力[3] 温俊. 刀片电池：新能源汽车的动力升级[J]. 前沿，2021年01月
[4] 甄文媛. 三元锂电池的安全新解 [J]. 汽车纵横：车企观察，2021年04月
作者简介:罗远超（1985-),男，汉族，广东汕尾，本科，工学学士学位。助理讲师，主要从事汽车专业教学与新能源汽车方向研究。
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