新能源汽車電池發展潛力與未來趨勢探索

韋增欣　黃海東　袁功林

摘 要：全球不斷增長的能源需求和環境污染問題形成了嚴峻的挑戰，使新能源汽車備受社會矚目。新能源汽車關鍵三要素（動力電池、電驅、電控）等相關科學問題的研究和發展是該領域的中心課題，特別是動力電池在高密度、續航能力、循環壽命等方面的進展和突破急需亟待解決?，F以新能源汽車電池為切入點，深入剖析了電池的現狀，進一步研究了電池新型材料的創新趨勢，包括鈉離子電池替代鋰、四元以上電池以及負極材料的突破，為新能源汽車的不斷創新和可持續發展提供了積極助力。

關鍵詞：新能源汽車 動力電池 新型材料 可持續發展

1 引言

在全球不斷增長的能源需求和加劇的環境污染問題下，新能源汽車成為國際社會應對挑戰的焦點。新能源汽車以其環保、高效、可持續的特性，成為解決方案的重要組成部分。然而，新能源汽車的興起不僅依賴于非傳統能源的利用，更關鍵的是創新的動力裝置技術。

電池技術作為新能源汽車的核心，關鍵性能如能量密度、充電速度、壽命和穩定性、成本、安全性、資源供應以及環境影響等方面仍面臨重大挑戰。其中，電池能量密度直接關系到新能源汽車的續航里程，因此提高電池的能量密度成為當前亟需解決的問題。同樣，快速充電技術的發展對提高用戶體驗至關重要。

電池的壽命和穩定性直接關系到整車的可靠性和經濟性，解決電池組件在不同環境下的性能穩定性成為當前的研究重點。而電池成本一直是新能源汽車普及的制約因素，需要提高電池的制造效率、降低原材料成本，尋找更經濟的生產工藝。

電池安全問題是關注的焦點，包括防止過熱、過充、過放等問題以及電池在交通事故中的安全性能。此外，電池生產所需的稀有金屬和材料的供應問題，特別是鈷、鋰等元素的資源稀缺性，對電池產業的可持續發展構成挑戰。

電池的生產、使用和廢棄對環境都有一定的影響，因此實現電池生產和回收的環?；?，減少對環境的不良影響是未來努力的方向。

本文著眼于新能源汽車電池的現狀，對電池的正負極材料進行深入探討，并研究了其發展潛力和未來趨勢，為新能源汽車產業的可持續發展提供新的方案，為新能源汽車的可持續發展做出積極貢獻。

2 動力電池系統

新能源汽車動力電池的核心材料主要包括正極、負極、隔膜和電解質等。本文主要研究在正、負極材料。

2.1 正極材料迭代創新

正極是電池的關鍵部分，其性能直接影響到電池的能量密度、功率密度、循環壽命等參數。根據正極材料中金屬元素的種類數量，可以將正極分為一元、二元、三元、四元以上（含四元）等多種類型。

2.1.1 一元電池

一元電池是指具備單一電化學反應的電池系統。其工作特點在于在整個工作過程中只涉及一種電化學反應來釋放能量以供應電流。在放電時，電子從負極（陽極）向正極（陰極）移動，產生電能；而在充電時，電子沿反向路徑移動，將電能存儲回電池。

鉛酸電池和鎳氫電池是一元電池的常見類型。鉛酸電池的正極主要由二氧化鉛（PbO2）構成，而鎳氫電池的活性物質包括NIOOH、Ni（OH）2等，正極都只含有一種金屬元素或其氧化物。

盡管一元電池具有技術簡單、安全性高、生產成本低等優點，但其能量密度相對較低。此外，一元電池還存在容量衰減、溫度依賴性強等問題，因此需要進行改進以提高性能。

2.1.2 二元電池

二元電池是指具備兩種電化學反應來產生和儲存能量的電池系統。鋰離子電池是典型的二元電池，其內部化學反應涉及到鋰離子在負極（陽極）和正極（陰極）之間的移動。在充電時，鋰離子從正極移動到負極，儲存能量；而在放電時，鋰離子從負極移回正極，釋放能量以供應電力。鋰離子電池包括氧化錳鋰（LiMO2）、氧化鈷鋰（LiCoO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）、氧化鎳鋰（LiNiO2）等，還有硫化物鋰硫電池（Li-S）。其中磷酸鐵鋰電池在新能源汽車領域展現出明顯優勢。其耐高溫性和安全性出色，不燃燒且循環壽命較長，適用于對電源穩定性和人員安全要求較高的場景。然而，磷酸鐵鋰電池的能量密度相對較低，可能在輕量化和高能量密度要求較高的應用中顯現劣勢。此外，其結構較為復雜，制造和維護難度較大[4-5]。

二元電池廣泛應用于電動汽車、便攜設備和儲能系統等領域，具有良好的能量密度和相對較長的使用壽命。然而，這類電池仍面臨一些挑戰，包括成本、安全性和循環壽命等問題。隨著科技的進步，這些挑戰有望在未來得到解決，使得二元電池的技術更加成熟和可靠。

未來的研究和發展可能集中在提高二元電池的能量密度、降低生產成本、提高安全性、延長循環壽命等方面。這將有助于推動電動交通、便攜設備和儲能技術的進一步發展，為可持續能源應用提供更加可靠的能源存儲解決方案。

2.1.3 三元電池

三元電池通常指的是具有三種活性材料的電池，其中較為典型的是鎳錳鈷（NMC）電池。在NMC電池中，鎳（Ni）、錳（Mn）和鈷（Co）按特定比例混合，例如Li（Ni1/3Mn1/3CO1/3）O2、（Ni2/5Mn2/5CO1/5）O2、（Ni1/2Mn3/10CO1/5）O2等，被用于電池的正極。其中三元鋰電池作為新能源汽車的主流電池之一，具有較高的能量密度、長循環壽命、低自放電率等優勢，使其成為電動汽車領域的首選。然而，三元鋰電池在高溫下可能出現安全隱患，且相對較高的成本也是其劣勢之一。盡管不斷的研發努力正在改善其高溫性能和成本問題，但在實際應用中仍需綜合考慮這些因素[5-7]。

NMC電池的優勢在于其在鎳、錳和鈷的比例靈活可調，可以根據需要優化電池性能，包括提高容量和充放電速度，并同時保持較高的穩定性。NMC電池不僅在提供卓越性能方面有所幫助，同時也有助于降低電池的成本。然而，安全性、溫度管理以及資源短缺等問題仍需不斷改進和創新。

三元電池代表了電池技術的一步進步，其高能量密度和靈活性使其成為電動汽車、便攜設備等領域的重要選擇。隨著科技的不斷發展，對三元電池的研究將有望進一步解決其存在的挑戰，推動電池技術的不斷演進。

2.1.4 四元以上電池探究

元素周期表中相鄰元素具有相近的半徑和價態特性，因此通過更換正極或負極材料，可以發掘新的電池結構和正極材料。例如鈉、鎂、鈣、鋁、鋅、鐵、錳、鈦、釩、鉻等元素具有巨大的潛力，比如一種名為“Fe-Ni-Co-Mo”的多元金屬氧正級材料，具有較高的容量和穩定的結構，可以有效地抑制副反應的發生，從而提高電池的安全性和穩定性。不斷優化新元素的重組和配比，迭代開發新的電池類型，為電池行業帶來更大的可能性。

盡管這些新型正級材料在實驗研究階段顯示出潛力，但尚未實現大規模商業化應用，需不斷優化新元素的重組和配比，迭代開發新的電池類型，將為電池行業帶來更大的可能性，代表了電池技術領域對更高性能、更安全可靠的能源存儲解決方案的追求。實際應用中，這些元素可能會用于正極或負極的材料，具體取決于其化學性質和應用場景。

2.1.4.1 鈉（Na）

鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，將工作中的鉀離子替換為鈉離子。由于鈉元素儲量豐富、價格低廉，具有較高的能量密度，有望成為替代鋰的理想元素，因此可能降低電池制造成本，提高電池性能，為電動汽車提供更具競爭力的能源解決方案。

2.1.4.2 鎂（Mg）

鎂被研究用于電池，可作為正極或負極材料，應用于鎂離子電池。鎂離子電池的研究目標是提高電池的能量密度，并尋找可再生且成本較低的材料。

2.1.4.3 鋁（Al）

鋁被視為一種有潛力的正極材料，特別是在鋁離子電池中。鋁離子電池具有較高的能量密度和相對較低的制造成本，有望成為新型能源存儲解決方案。

2.1.4.4 鋅（Zn）

鋅通常用于鋅空氣電池等，作為負極材料。鋅空氣電池以鋅作為負極具有一定優勢，是一種有望應用于能源存儲的技術。鋅液流電池的產業化應用可能為能源存儲提供一種可行的技術。

2.1.4.5 鈣（Ca）

鈣目前在一些電池中被考慮作為正極材料，盡管應用較為有限。鈣離子電池的研究處于研究階段，未來可能解決某些問題后應用范圍擴大。

2.1.4.6 鐵（Fe）

鐵儲量豐富，無毒性，氧化物價廉，在市場上用磷酸鐵鋰（LifePO4）用做正極材料，市場占有率較高，提供一種相對成熟的正極材料，已經在市場上取得成功。

2.1.4.7 釩（V）

釩比鉻和錳價格低廉，是多價金屬元素，可生成多種氧化物，是鋰離子正極材料的發展前景之一。釩液流電池有望提高電池性能，延長電動汽車續航里程。

2.1.4.8 鉻（Cr）

鉻的氧化物（Cr2O5、Cr3O8、Cr6O15等）具有高價態，可以考慮將其做成正極。鐵鉻液流電池的產業化應用可能為電動汽車提供一種可行的能源存儲解決方案。

現在三元系電池在新能源汽車市場中占據著主導地位，而磷酸鐵鋁電池則在其后迅速發展。同時，其他正極材料正經歷著加速的研究和商業化應用推廣。然而，新能源汽車電池在技術發展的同時，依然面臨一系列挑戰，包括提高能量密度、延長循環壽命以及確?？沙掷m資源供應等問題。

為解決這些挑戰，正積極投入深入研究，致力于推動電池技術的進步。在提高電池能量密度方面，著重追求高比能，通過正極材料的不斷創新，從高電壓鎳基材料到高鎳、超高鎳和富鋰錳基材料的逐步演進，為電池提供更高容量和更穩定的結構。

另一方面，降低電池成本仍然是電池技術研究的重要方向。在這個領域，磷酸鐵鋰正極材料成為研究的焦點，作為磷酸鐵鋰材料的迭代升級產品，旨在提供更經濟實惠的解決方案。結構創新方面，各種新穎的電池設計不斷涌現，包括刀片電池、大圓柱電池以及電池到系統（CTP）、電池到底盤（CTC）、電池到車身（CTB）等結構的嘗試，旨在提高電池及其系統的能量密度和安全性。

新材料的引入和應用也為電池技術的不斷發展提供了新的動力。富鋰錳基正極材料和磷酸錳鐵鋰材料等新材料的使用，進一步增強了磷酸鐵鋰類電池的能量密度。

2.2 負極材料替換升級

負極材料在新能源電池中扮演關鍵角色，直接影響能量密度、循環壽命和整體穩定性。以下是對負極材料研究的主要方向：

2.2.1 石墨材料

石墨作為傳統負極材料，因其優越導電性和可逆容量而備受推崇。近年來，通過對其微觀結構和表面進行改良，旨在提高性能。引入氮摻雜石墨烯等新型材料，具有高比表面積和卓越電子導電性，以提高電池能量密度和充放電效率。

2.2.2 硅基材料

硅基材料因其高比容量備受關注，但體積膨脹一直是商業應用的制約因素。研究方向包括通過納米結構設計和復合材料應用解決硅材料的膨脹問題，以提高循環壽命。

2.2.3 錫基合金材料

錫基合金由于高理論容量和低成本備受期待，但溶解問題限制了實際應用。當前研究集中在尋找涂層和結構設計，改善錫基合金的循環穩定性。

2.2.4 鈦酸鋰的安全性

鈦酸鋰因其卓越安全性備受矚目。未來研究可能包括通過合成方法和結構優化，提高電化學性能，以更廣泛應用于電池系統。

2.2.5 其他新型負極材料

碳纖維、鎂基合金等新材料的涌現豐富了負極材料的選擇。它們不僅提高比容量，還為滿足不同應用場景和性能需求提供更多可能性。

負極材料的研究致力于平衡能量密度、循環壽命和安全性，通過創新設計和材料選擇推動新能源電池技術不斷進步，為電動汽車提供更先進的動力電池技術支持，從而推動清潔、可持續的能源選擇。

3 結束語

本文系統梳理了新能源汽車的現狀、關鍵技術以及主要障礙，旨在揭示新能源電池的發展潛力和未來趨勢。電池技術的創新是推動新能源汽車發展的核心，主要集中在提高電池能量密度和性能穩定性的方向。正極材料方面，高電壓鎳基材料逐步演進至超高鎳和富鋰錳基材料，提供了更高容量和更穩定結構的可能性。同時，新型正極材料的探索致力于降低電池成本。鈉離子電池作為鋰離子電池的替代方案，具備資源豐富、成本低和安全性高的優勢，雖仍需克服挑戰，但有望在更廣泛范圍內應用。負極材料方面，從傳統石墨到硅基負極和鋰金屬負極的創新轉變旨在提高電池能量密度和解決循環過程中的挑戰。新材料的引入，如氮摻雜石墨烯、錫基合金等，為負極材料性能提升提供了新可能性。通過這些創新將為電動汽車提供更先進的動力電池技術支持，助力未來出行實現更可持續、清潔的能源選擇。

注：本文由廣西科技基地和人才專項基金支持（編號：AD22080047）。

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