锂离子电池在电动汽车上的进展和挑战

　　近日，德国明斯特大学的TobiasPlacke教授和MartinWinter教授(通讯作者)在Natureenergy上发表综述文章"Performanceandcostofmaterialsforlithium-basedregeableautomotivebatteries"。文章回顾了锂离子电池材料在电动汽车上的进展和挑战，特别是在成本和性能参数方面;讨论了正负极材料的生产过程，重点介绍了材料的丰度和成本以及不同电解液对电动汽车的优点和挑战;最后，严格评估了有前景化学电池的能源密度和成本，以及实现电动汽车推进目标的可能性。

　　【引言】

　　1900年到1912年这几年是电动汽车历史上的黄金时代，到1912年，电动汽车在美国的使用量达到了3万人，这些电动汽车的动力主要是一种铅-酸电池(LAB)，单个电池电压大约为2V。由于LABs中较差的质量利用率和充电-放电机制，其实际容量含量仅为40Wh/kg和90Wh/l，库仑效率和能源效率也仅为80%和70%，所以这种电动汽车被内燃机汽车所取代。随着科技的进步，环保意识的提高，减少汽车排放量必不可少，电动汽车将会进入另一个黄金时代：2016年，在美国有16万混合动力电动汽车(PHEVs)的销售量。

　　镍氢(NiMH)电池是混合动力电动汽车(HEVs)的首要选择，NiMH电池的标称电池电压为1.2V，可以提供的容量达到80Wh/kg和250Wh/l，不过，其库仑效率(70%)和能源效率(65%)比LABs的还要低。

　　如今，PHEVs和电动汽车(BEVs)只使用锂离子电池(LIBs)，其提供的容量最高可达260Wh/kg和700Wh/l，以及更高的库伦比(99%)和能源效率(高达95%)。为了实现大众市场的渗透，美国能源部和先进电池协会估计至少需要500公里的里程，这相当于电池组的电池容量需要达到235Wh/kg和500Wh/l，电池单元的电池容量需要达到350Wh/kg和750Wh/l，此外，电池组的成本必须要低于125US$kWh–1。

　　【负极材料】

　　人工石墨(SGs)和天然石墨(NGs)以及无定形碳(硬碳和软碳)，是应用较多的碳质负极材料，与NGs相比，SGs的纯度高、波动低，通常用非晶态和石墨化碳的混合物来进行优化，如优化P:E的比值。目前，在一些商业电池中(如松下或日立)，在碳电极中加入少量的硅(大部分为SiOx)以进一步提高电池的容量。

　　此外，钛酸锂(LTO)也被用于商业电池(如东芝的SCiB)，由于其低的电池电压(这里说的应该是形成的全电池电压低)和高功率能力，LTO-基电池更适合高功率上的应用，特别是在电动巴士中。锂金属被认为是未来最有希望的负极材料，特别是在使用陶瓷或聚合物电解质的全固态电池(ASSBs)中，现在已经用在锂金属聚合物电池上。

　　目前，SGs的市场份额为43%，NGs的市场份额为46%(2016年数据)，而无定形碳的所占比例仅为7%，这显然证明了碳基负极材料的主导地位。相比之下，LTO基和硅基的负极材料仅占2%左右。

　　【正极材料】

　　自从LIBs的商业化以来，正极已经成为电池整体容量提高的一个瓶颈。对汽车电池的正极活性材料的关键要求包括：高比容量，高放电电位，高安全性，高能量密度，快速的电池反应动力学和良好的稳定性等。目前技术比较成熟的是具有LiMO2型的层状氧化物正极，包含了过渡金属(M)，如镍、钴和锰(NMC)或镍，钴和铝(NCA)被广泛用于汽车电池的正极活性材料。

　　【电动汽车上的电池】

　　最近几年，电动汽车的容量在不断的增加，已经可以实现300km的里程。由于市场的推动，在LIBS的研究上的大量投入，其能量增速很大，目前圆柱形18650型电池的能量密度可以到(约250Wkg-1和670Wkg-1)。在电动汽车的应用上，设计出了不同形状的电池结构，如棱柱形、圆柱形或袋状，被用在特定场合下。大多数的EV电池是基于石墨负极，而最近的研究是在负极上添加少量硅。如果硅可以成功添加在负极上，不仅不会缩短循环寿命，而且能够进一步提高能量密度。

　　目前，NCA、NMC-532和NMC-622可以被认为是最先进的正极材料，主要是由于其较低的体积膨胀。磷酸铁锂(LFP)正极材料已经被广泛应用在电动汽车上，目前应用的规模是最大的，这是由于LFP的很好的稳定性，具有较好循环寿命和倍率性能，如公共汽车和卡车已经广泛使用。