《新能源汽車電池技術(shù)發(fā)展問題及完善對策研究》6600字（論文）

重慶師范大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書新能源汽車電池技術(shù)發(fā)展問題及完善對策研究摘要在社會文明的逐步推進中，汽車行業(yè)的發(fā)展蒸蒸日上，而做為新時代的新能源汽車便是解決未來能源問題的關(guān)鍵所在，與此同時，新能源汽車的使用量日益增加，這其中的問題也是五花八門。因而減輕甚至是解決新能源汽車的難題就顯得十分重要，新能源汽車當(dāng)中最為關(guān)鍵的零部件為電池組，它是新能源汽車最重要的部件。本文通過翻閱相關(guān)文獻資料和圖書，全方位了解力新能源汽車電池制造工藝的理論基礎(chǔ)、研究成果和發(fā)展?fàn)顩r。同時結(jié)合世界各國相關(guān)文獻資料，以新能源汽車為研究角度，針對新能源汽車動力電池核心技術(shù)展開深入分析。從動力電池的種類入手，通過電池產(chǎn)能、電池性能、研發(fā)能力三個層面來探究我國動力電池技術(shù)的缺陷和發(fā)展趨向。期望為相關(guān)工作的開展給予一定的借鑒價值。新能源電池汽車是目前汽車的一個發(fā)展方向，了解該類汽車所用新能源動力電池技術(shù)現(xiàn)狀，深入探討提升該類電池使用效率方案有著重要意義。關(guān)鍵詞：新能源汽車、動力電池、工作原理目錄TOC\o"1-3"\h\u178971引言 .引言隨著科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，汽車行業(yè)也從過去的手工生產(chǎn)發(fā)展到機械化生產(chǎn)直到目前的自動化生產(chǎn)，技術(shù)工藝已逐漸完善和成熟。在社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展下，人們的生活品質(zhì)逐漸提高，購置私家汽車已經(jīng)不再是可望不可及的夢想?，F(xiàn)在有很多私家汽車進入到了人們的日常生活當(dāng)中，給人們的出行帶來了很大的便捷。汽車制造業(yè)是最能夠體現(xiàn)一個國家工業(yè)水準的產(chǎn)品，它往往需要能源、冶金、化工、鋼鐵、機械制造等眾多重工業(yè)共同協(xié)作才能生產(chǎn)完成的。目前，電動汽車的出現(xiàn)，變成了新能源汽車的一個主要代表，但是其普遍存在生產(chǎn)成本過高、電池續(xù)航能力不足、動力系統(tǒng)比較差、使用年限比較短等眾多缺陷。而這些問題的根本原因與電源有很大關(guān)系。因而，電源的生產(chǎn)制造技術(shù)是阻礙電動汽車發(fā)展的重要因素。發(fā)電技術(shù)主要包含兩個方面：一是動力電池技術(shù)；二是電池管理技術(shù)。因此，開發(fā)動力電池安全管理系統(tǒng)是電動汽車進入市場之前發(fā)展的必然方向。此系統(tǒng)能夠合理配置電池電量，延長電池壽命，有效確保合理利用電池的內(nèi)部電量，并且為駕駛?cè)藛T出示可靠的電池參數(shù)變化顯示，是增加電動汽車續(xù)航不可或缺的一部分。因此，BMS系統(tǒng)研發(fā)在今后電動汽車發(fā)展中市場前景廣大。對于電動汽車來說，動力電池系統(tǒng)為它的關(guān)鍵部位，其中動力電池系統(tǒng)是由單個鋰電池和電池管理系統(tǒng)（BMS）組成的。尤其是BMS是動力電池系統(tǒng)當(dāng)中最為核心的組成部分，因為它主要負責(zé)電池系統(tǒng)的可靠運行和檢測。BMS的可靠性是動力電池系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵要求。這是由于在不同的惡劣的環(huán)境條件下，Bms的運行會受到很多因素的干擾2.新能源汽車常用動力電池類型2.1鉛酸電池在諸多電池中，鉛酸電池歷史發(fā)展最為長遠，從人們對于蓄電池研究之初至到現(xiàn)在，鉛酸蓄電池歷經(jīng)了了150多年的歷史，人們在鉛酸蓄電池研究領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟。鉛酸電池有著價格便宜、原材料易獲得、性能優(yōu)越、技術(shù)成熟度高、可以承受高電壓放電功能、適用于各類氣候環(huán)境等許多優(yōu)點，在交通、通信、軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在眾多經(jīng)濟領(lǐng)域方面做出了極大的貢獻，其重要程度顯而易見。鉛酸電池通過在其正極及負極上發(fā)生化學(xué)變化（反應(yīng)可逆）就能夠?qū)崿F(xiàn)電池充放電的過程。鉛酸電池電極成分主要是由Pb粉末及2PbSO2，將硫酸的水溶液做為電解液。反應(yīng)方程式如下：負極反應(yīng):PbSO2+3H++HSO4-→PbSO4+2H2O式（2.1）正極反應(yīng):Pb+HSO4-→PbSO4+H++2e-式（2.2）電池反應(yīng)：Pb+PbSO2+2H-+2HSO4-→2PbSO4+2H2O式（2.3）當(dāng)前階段，阻礙我國鉛酸電池行業(yè)發(fā)展的因素主要體現(xiàn)在三個方面，首先，一些不良企業(yè)觸犯我國相關(guān)的法律規(guī)定，擅自非法從事報廢鉛酸蓄電池回收利用工作，大批量的廢舊鉛酸電池借助非法手段，進入到回收利用渠道，從而導(dǎo)致正規(guī)的鉛酸電池回收企業(yè)在市場競爭當(dāng)中處在劣勢地位。其次，一些無良商家私下生產(chǎn)非法鉛酸電池和再生鉛酸電池，由于技術(shù)能力比較落后，使一些質(zhì)量非常差的劣質(zhì)電池流入了市場，造成正規(guī)企業(yè)的市場空間遭受嚴重擠壓，嚴重影響了我國鉛酸電池市場的良性發(fā)展。第三，一些經(jīng)營規(guī)模比較小的鉛酸電池生產(chǎn)企業(yè)，由于在技術(shù)與資金上存在不足，電池很難在生產(chǎn)過程中把污染降至最低，而且由于企業(yè)規(guī)模較小一些前沿的電池制造技術(shù)無法得到推廣，約束了該行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。2.2鎳氫電池（Ni/H）實際上，鎳氫電池大約從1988年開始使用，1990年開始在全國范圍內(nèi)生產(chǎn)。這種電池比具有不同特性的鉛酸電池要好，但其成本也較高。某些類型的鎳氫電池具有高回收率，快速充電，高容量和大功率，范圍更廣的溫度可以滿足混合動力汽車的工作條件，目前在市場上廣泛用于各種混合動力電動汽車（同時，這種電池廣泛用于家用產(chǎn)品，例如電子產(chǎn)品、電動工具、電動自行車等。電極極片中選用燒結(jié)式、拉漿式、泡沫鎳式等方法將活性成分加入其中，選用的制造工藝不同，那么電極的含量和電流充放電能力也會各有不同。通常人們所使用的電池大部分都是拉漿式負極、泡沫鎳式正極所組成的電池。反應(yīng)方程式如下：負極反應(yīng)：N(OH)2+OH-→NOOH+H2O+e-式（2.1）正極反應(yīng)：M+H2O+e-→MHx+OH-式（2.2）電池反應(yīng)：M+Ni(OH)2→MHx+NiOOH式（2.3）至今為止，鎳氫電池的技術(shù)工藝已逐步完善，在國際市場上流通的鎳氫電池總數(shù)大約有七億只左右，在這當(dāng)中日本很多產(chǎn)品長期占領(lǐng)鎳氫電池制造產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先地位，美、德也緊追其后，多年以來在鎳氫電池的技術(shù)工藝上獲得了很大的提升。而我國在制造鎳氫電池方面有著非常大的潛質(zhì)，這主要是因為在我國境內(nèi)該電池的主要原材料-稀土金屬資源儲量很大，大約占了全球總量的80%左右。在多年來的科研下，我國鎳氫電池技術(shù)工藝也日益完善。由于，鎳氫電池與鋅錳電池級、鎳電池相互間可以交叉使用，因而，今后圓形電池的主要發(fā)展趨勢是具備一定規(guī)格的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，方形電池發(fā)展的趨勢則主要用于給電動汽車帶來電力供應(yīng)。2.3鋰離子電池由于鋰離子電池自身含帶的保護板能夠?qū)λ袉误w電池進行精準的檢測，因此鋰離子電池具備能耗低、智能化管理、充放電保護、溫控、過電流及短路保護、鎖定自動恢復(fù)及均衡充電等眾多優(yōu)勢，能夠確保電池的使用年限最大限度的延長。這與其他類型電池，如鉛酸電池會在使用過程中，電池一致性和充電器等因素會造成過充或者過放問題。不過它的缺點也同樣十分明顯：一是價格要比普通電池更高昂；二是具有較高的安全隱患。首先，具有同樣電壓和電容的首個電刷電池價格僅有鋰離子電池價格的四分之一。不過在不久的將來，隨著鋰電池技術(shù)的逐漸成熟，相應(yīng)的價格將會降低，并且傳統(tǒng)的鉛酸電池由于制造工藝相對落后而將隨著人工成本的增加而得到改善，最終將導(dǎo)致鋰電池的性能價格比高于鉛酸電池。另外，在安全性方面：鋰電池使用劣質(zhì)材料時具有較高的儲能和穩(wěn)定性，這引起人們對其安全性的廣泛關(guān)注。眾所周知，2013年，國外知名手機和筆記本電腦品牌的鋰電池爆炸事件再次引起人們對鋰電池安全性的高度關(guān)注。日本知名的電子科技公司三洋和索尼將鋰電池的爆炸幾率限制在40ppb以內(nèi)，大概為十億分之一。由于鋰電動汽車的存儲量遠遠高于手機和筆記本電腦，因此鋰動力電池的安全控制更加嚴格。目前，鈷酸鋰電池和三元材料電池具有重量輕，體積小的優(yōu)點，但不易用于電動汽車的能源供應(yīng)中。未來，鋰離子動力電池的主要發(fā)展方向集中在錳酸鋰混合晶體和磷酸鐵鋰鋰離子電池上。表2-1顯示了同種動力電池在不一樣材料下的性能指標(biāo)對比。表2-1動力電池性能對比鉛酸電池鐐氫電池鋰離子電池理論值電壓/V1.931.354.1比能量/(Wh/kg)166240410實際值比能量/(Wh/kg)3575150能量密度/(Wh/L)70240400庫倫效率0.800.65^0.70>0.85能量效率0.65^0.700.55^0.650.80比功率80%DOD/(Wh/kg)220150350功率密度/(W/L)450>300>8003.新能源汽車動力電池發(fā)展概況3.1鋰電池產(chǎn)量小幅增長，動力型占比快速提升2019年，我國鋰電池總產(chǎn)值達到56億只，同比增長率3％。雖然我國鋰電池的產(chǎn)能僅獲得了小幅度的增長，但鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域卻發(fā)生了巨大變化。功率型鋰電池的市場比例首度超出消費鋰電池，高達52％，比2018年增長約39％。預(yù)計功率型鋰電池將繼續(xù)主導(dǎo)未來鋰電池市場，而消費鋰電池市場將進一步下降。另外，隨著動力電池梯隊利用技術(shù)在儲能市場的逐步成熟，儲能鋰電池市場的規(guī)模將不斷擴大。3.2技術(shù)水平明顯提升，部分指標(biāo)達到國際水平在應(yīng)用材料方面，中國磷酸鐵鋰作為正極材料和石墨作為正極材料的容量分別達到160mah/g和360mah/g。電解液的主要技術(shù)指標(biāo)達到國際先進水平，室溫電導(dǎo)率≤10ms/cm，水分≤110ppm，HF≤130ppm。在組技術(shù)方面，我國汽車鋰電池組應(yīng)用技術(shù)和儲能電池系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)的研究也取得了很大進展。干燥、注液、體積分離、包裝技術(shù)已達到國際先進水平。在產(chǎn)品性能方面，目前，工業(yè)車輛鋰離子電池的功率密度已經(jīng)達到3500W/kg，三元鋰離子電池的能量密度已達到180-200wh/kg，并且多個復(fù)合鋰電池的組壽命已達到達到了8000次，可以滿足車輛整個生命周期的需求。在設(shè)備和工藝上，我國鋰電池加工設(shè)備的自動化水平獲得了很大的提升，研發(fā)了圓柱動力電池自動生產(chǎn)線，可完成母板等7個工藝和27個自動分解步驟。焊接、涂膠、殼體進入、耳焊、蓋閉合，殼體蓋預(yù)頂焊和殼體蓋密封焊。整個生產(chǎn)線周期的裝卸和檢查只需要3人/輪班。3.3動力電池出貨量激增，磷酸鐵鋰依然占主導(dǎo)自2014年以來，隨著新能源汽車產(chǎn)量的快速增長，汽車鋰動力電池的需求持續(xù)激增。根據(jù)高級行業(yè)鋰電池的數(shù)據(jù)，2015年中國動力電池的出貨量達到15.7gwh，同比增長3.24倍。從近五年的出貨趨勢來看，動力電池的出貨量在2014年之前不足1GWh，2014年首次超過3gwh，市場開始進入爆發(fā)期，這與我國新能源汽車市場的發(fā)展趨勢密切相關(guān)。從電池材料的類型來看，磷酸鐵鋰材料是新能源汽車電池的主要材料，占69％，其次是三元材料，占27％，其他材料包括錳酸鋰，鈦酸鋰，超級電容器，鎳氫電池和其他材料僅占總數(shù)的4％。就車型而言，三元材料主要是用在乘用車，磷酸鐵鋰主要是用在商用車。4.新能源汽車動力電池發(fā)展的問題4.1產(chǎn)能急劇擴張，高端不足低端過剩能量電池是新能源汽車的主要構(gòu)成部分和電力能源。它在新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展中起到了重大作用，更容易激發(fā)全社會的投資熱情。鋰離子電池投資熱情高漲有兩個后果：第一，生產(chǎn)迅速擴大。中國有121家電池工廠，但汽車供應(yīng)系統(tǒng)中只有20家。市場的兩極分化尤其明顯。這表明，盡管中國有許多電池生產(chǎn)設(shè)施，但它們的規(guī)模通常很小。低水平高重復(fù)率會導(dǎo)致嚴重的問題。制造技術(shù)和設(shè)備是確定電池性能的重要因素，目前中國電池單體的一致性很差，這與鋰電池制造技術(shù)，質(zhì)量監(jiān)控和設(shè)備自動化水平較低有關(guān)。日本，韓國和其他國家/地區(qū)已在進料，紙漿混合，電極和電池生產(chǎn)，電池形成和篩選，電池組和模塊組裝，物流以及在線質(zhì)量檢查中采用了高度自動化的設(shè)備，自動化水平達到80％以上。但是，家用動力電池制造過程的自動化水平較比較低。一線企業(yè)的自動化比率大概為50％，而二線企業(yè)的自動化比率大概為20％。自動化水平較低是我國電池一致性差的主要原因之一。4.2電池單體性能不差，成組技術(shù)差距明顯現(xiàn)階段，我國鋰離子電池的技術(shù)水平幾乎于與國外處在同一個水平，但電池組技術(shù)卻遠遠落后于國際平均水平。首先，電池組系統(tǒng)的整體性能普遍存在非常大的差距，主要包括能量密度、溫度特性、功率特性、一致性、循環(huán)壽命等。其次，我國電池連接、排熱、維護、使用、保護、充電等方面技術(shù)水平也比較低；最后，在數(shù)據(jù)采集的可靠性上，國有企業(yè)的估算精度、熱管理、平衡性、動力電池系統(tǒng)的安全性。在全面管理方面，中外之間存在明顯差距。4.3技術(shù)路線存爭議，部分企業(yè)受挫從電池技術(shù)路線的角度來看，我國新能源汽車的推廣主要在磷酸鐵鋰和三元鋰電池上。從2015年到2021年，磷酸鐵鋰電池占總數(shù)的71％，三元鋰電池占31％。當(dāng)前，動力電池的安全性過分注重材料和單體，對系統(tǒng)的安全性研究還不夠，缺乏相應(yīng)的安全性評價方法。業(yè)界在電池技術(shù)路線的應(yīng)用上基本達成共識，即在載運人員更多，對安全風(fēng)險更敏感的公共汽車上停止使用三元材料電池，以及在商用車和乘用車等中使用三元電池。因為專用車輛和物流車輛不受限制。然而，由于缺乏安全性評估方法，三元電池在公交車中的應(yīng)用受到影響。5.新能源汽車電池技術(shù)的提高對策5.1重視電池檢測性能評價與技術(shù)優(yōu)化為了可以提升新能源汽車的電池技術(shù)，相關(guān)的電池檢測人員還應(yīng)當(dāng)提升電池的檢測技術(shù)。從電池材料、電池系統(tǒng)三個層面來提升整個壽命周期，所有的安全性和可靠性試驗驗證條件。在范圍之內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準化體系，進一步完善相關(guān)要求和標(biāo)準，針對鋰離子蓄電池現(xiàn)行檢測標(biāo)準的不足。在微觀上，必須從控制電池的原料，電池結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)制造過程入手，設(shè)計電池檢測系統(tǒng)，在線檢測電池性能參數(shù)的特有的功能，建立數(shù)據(jù)庫，使用計算機輔助分析和診斷，以安全和標(biāo)準化的方式管理維護過程。選擇對電池結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，加大檢測參數(shù)的強度，更加精確地判斷單體電池的使用等級，通過結(jié)合目前電子計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)信號與信息處理技術(shù)等新技術(shù)理念，增強檢測設(shè)備的精確度，促進整個新能源汽車產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。通過點檢人員對電池進行點檢作業(yè)，根據(jù)現(xiàn)場檢查情況，及時進行維修調(diào)整，可以降低維修成本，提高蓄電池的利用率。5.2擴大電池容量相關(guān)的新能源汽車專業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)注重對電池容量的擴大，可以選用導(dǎo)電性比較強的材料，通過提高技術(shù)水平，盡量挑選一些可以擴大電池容量的材料。首先，可選用一些黏附性和導(dǎo)電性更優(yōu)質(zhì)的材料，PBS作為硅陽極涂層極具潛力，經(jīng)過300多個充電循環(huán)后，覆蓋有向上PBS氧化物的蓄電池容量幾乎保持不變，進而可以擴大儲能器的容量。其次，還可以采用一些厚度反彈較小的材料。刀片式電池技術(shù)提高了電極體積和電池系統(tǒng)的利用率?？諝夂退枇Γ囯x子液體蓄能器的能量密度達到300小時功率/kg，這有助于提高機組的容量。下一代電池是固體電池的發(fā)展，并逐步向全固體鋰電池過渡，我們還應(yīng)該進一步發(fā)展鈉離子電池，現(xiàn)階段的電解質(zhì)是液體電解質(zhì)，下一階段應(yīng)向固體鈉電子方向進行研發(fā)，提高其循環(huán)效率和速度，包括研究內(nèi)容；體積能量密度等技術(shù)相關(guān)方面。5.3提升企業(yè)研發(fā)實力，增強技術(shù)競爭力需合理的選取電池內(nèi)部的材料，盡量選用一些耐熱性相對較高的材料；其次，可以從增強散熱和冷卻的形式來幫助新能源汽車的電池在使用的過程當(dāng)中可以快速散熱。企業(yè)要積極推進制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)+的結(jié)合，引進信息技術(shù)和自動化技術(shù)，在以下基礎(chǔ)上實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)進步和創(chuàng)新的目標(biāo)產(chǎn)業(yè)升級。以核心專利技術(shù)培育為載體、打造具有知識產(chǎn)權(quán)優(yōu)勢的競爭性企業(yè)，發(fā)揮出龍頭企業(yè)的示范性作用，以確保電動汽車電池的優(yōu)良品質(zhì)。在前面，天寧不僅通過不斷積累研發(fā)力量，確保產(chǎn)業(yè)的領(lǐng)先競爭力，同時也為后續(xù)發(fā)展提供了基礎(chǔ)競爭力，引領(lǐng)了新的市場浪潮，固態(tài)蓄電池、電池材料、BMS和下一代電池技術(shù)。加大技術(shù)研發(fā)投入，推進在電池材料體系、結(jié)構(gòu)體系和生產(chǎn)制造等全領(lǐng)域的技術(shù)革新。構(gòu)建具有自主產(chǎn)權(quán)的電池研發(fā)平臺，具備系列化產(chǎn)品的開發(fā)能力，滿足不同的市場需求?？偨Y(jié)在可持續(xù)發(fā)展的理念下，新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景很好。要想使新能源汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步的發(fā)展，那么就要做好動力電池技術(shù)的創(chuàng)新。期待通過本文的深度分析