关键词：新能源汽车；锂离子动力电池；无机全固态锂离子电池
1.电池性能
1.1各类电池特点
（1）铅酸蓄电池：制造成本低、高倍率放电性能良好、高低温性能良好、比能量低、使用寿命短且后期使用成本高、充电时间长、污染严重。
（2）氢镍电池：比功率高、循环次数多、无污染、耐过充过放、无记忆效应、使用温度范围宽、安全、不会发生爆炸或者燃烧现象。
（3）燃料电池：能量转换的效率更高、无污染、结构简单、氢能来源充分、成本非常高，对氢的纯净度要求非常高、对储存器具的要求较严苛。
（4）锂离子电池：比能量高、比功率大、工作范围广、寿命长、安全性高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好、成本高、必须有特殊的保护电路。
1.2锂电池优势
锂离子电池作为铅酸电池、镍氢电池、超级电容器的技术及产业升级换代产品，具有质量及体积功率密度高、能量密度高、自放电率低、无记忆效应以及环境友好等优点。在新能源汽车用高功率动力电池领域，正极采用尖晶石锰酸锂、镍钴锰三元材料混合材料，负极采用人造石墨材料，研发的 6 A·h 锂离子动力电池，能量密度达到了 81（W·h）/kg，可实现30C充放电，50%SOC条件下输入输出功率密度大于 4000 W/kg，5000 次以上的循环寿命（70%剩余容量），-20℃低温条件下充放电性能优越，充放容量大于83%。
2.锂电池技术发展
2.1现阶段发展概况
在锂离子电池产品组成成分中，处于最重要地位的正极材料直接决定了锂离子电池的最终性能。目前应用的锂离子电池正极材料大部分存在低温性能差、振实密度与压实密度低、一致性差、制备成本高等一些缺陷，因此寻求新的技术突破，找到具有更高嵌锂容量和良好锂脱嵌可逆性的正极材料，以保证电池的高电压、大容量、长循环寿命和低成本要求，是锂离子电池产业所面临的紧迫任务。商业化动力电池采用的正极材料主要有镍钴铝三元材料、镍钴锰、锂层状锰酸锂材料、磷酸铁锂材料、尖晶石锰酸锂材料、高电压镍锰酸锂材料。负极材料主要有天然石墨、人造石墨、硬碳、中间相碳微球、软碳、硅碳及钛酸锂等。国内外量产的动力电池产品有以下特点：正极材料方面，以锰酸锂尖晶石型材料，以镍钴铝、镍钴锰为代表的层状材料，以及以磷酸铁锂为代表的橄榄石型结构材料为主。负极材料方面，石墨类材料仍然是主流的选择。纳米材料因具有特殊的物理、化学性能，已经在电子材料和催化剂等方面得到了成功应用。近年来，随着纳米材料越来越广泛的应用，很多研究人员开始将纳米材料应用到电池领域。纳米材料能够大幅度提高脱嵌速率与比功率，是很有发展潜力的电池材料。
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2.2锂离子电池能量密度
能量密度是指单位质量的电池所储存的能量，其大小直接决定了电池的动力性能，因此提高锂离子动力电池的能量密度对于提高锂离子动力电池的动力性能及混合动力汽车的进一步发展具有重要意义。目前锂离子电池的比能量约在100～150 Wh/kg 左右，还没有达到实用化的驱动混合动力汽车使其具有与传统燃油汽车相当续航里程的目标，因此提高电池的能量密度已成为高性能锂离子动力电池的研究方向。
提高锂离子动力电池能量密度的技术途径：一是提升材料性能，如研究新型的负极碳活性物质，以提高负极的嵌锂容量；二是优化结构设计，采用螺旋卷状电极，同时增加极板面积，减小极板厚度与极板之间的距离，此外还可以考虑将锂离子动力电池与其他高能量密度的电池如超级电容等混合；三是开发新材料、新动力电池体系，即开发高能量密度的新材料、发展动力电池新体系，这也是大幅度提升动力电池能量密度的主要途径。
2.3新型无机全固态锂离子电池研究进展
无机全固态锂离子电池使用不可燃或不易燃的无机固态电解质代替商用锂离子电池中的有机电解液，可以从根本上解决锂离子电池的安全问题。同时，无机全固态锂离子电池相比传统商用锂离子电池使用温度范围更广，能量密度更高，可以避免因电极表面生成固态电解质界面层(SEI)而引起的容量损失和循环寿命衰减。因此，锂离子电池的无机固态化成为必然的发展趋势。
从尺寸上看，无机全固态锂离子电池可以分为薄膜型和体型 2 种。薄膜型电池使用成熟的薄膜沉积技术制备，相关的研究工作较为透彻，性能优异的薄膜型电池可以实现上千次的稳定循环。然而，薄膜型全固态锂离子电池的电极层活性物质含量少，电池容量低，所采用的脉冲激光沉积(PLD)等技术成本高。因此，薄膜型无机全固态锂离子只能在一些低能耗的特殊领域使用，无法满足高功率、低成本的大规模工业化应用。体型电池容量高、成本低，有着更广阔的应用前景。业内普遍认同了复合电极加固态电解质层的体型全固态电池结构，然而其制备方法成为了研究的难点和热点，如何实现电极层与电解质层间良好的界面接触，以及如何解决致密结构电极层内部的锂离子和电池传输问题成为研究中重要的关注点。综述了典型的体型无机全固态锂离子电池制备方法，分析了所制备电池的结构、性能和问题，并对体型无机全固态锂离子电池的发展趋势进行了展望。
3.结语
动力电池是新能源汽车动力系统的关键组成部分，是影响新能源汽车发展的一个重要因素，对新能源汽车的性能、成本等具有重要的影响。随着新能源汽车的高性能化与经济化，对动力电池的要求越来越高，相对于传统内燃机汽车，新能源汽车为了充分发挥其低油耗、少污染等优势，其动力电池必须满足大容量、高比能量和比功率、长寿命等要求。锂离子动力电池因具有高比能量、高比功率、长寿命、低成本等优势，逐步取代传统铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池等，成为新能源汽车的主流动力电池，但锂离子动力电池在材料、安全性和能量密度方面还需进一步提升。如果能够通过先进的方法制备纳米级材料细化正极材料，采用工艺设计、结构优化等方法提高电池安全性，开发新材料体系来提高电池的能量密度，那么锂离子动力电池的性能将会得到很大程度的提高，在新能源汽车领域的应用前景将更加广阔。
参考文献
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论文作者:王福章
论文发表刊物:《科技中国》2018年3期
论文发表时间:2018/8/6
标签：锂离子电池论文; 电池论文; 材料论文; 密度论文; 能量论文; 新能源论文; 动力电池论文; 《科技中国》2018年3期论文;