纯电动汽车发展面临的问题

纯电动汽车发展面临的问题

黄小明

安徽江淮汽车集团股份有限公司新能源汽车技术安徽省技术创新中心

摘要：鉴于锂离子电池的能量密度逐渐接近其理论上限，所以应投入一定的精力去研发其他类型的电池。各种备选的电池都有各自的优缺点，应对其进行全面的评估。掌握新能源汽车核心技术，自主创新，发展新能源汽车产业还可以拉动国内经济的发展。

关键词：纯电动汽车；发展；面临问题

1电池能量密度

目前，最适合纯电动汽车的电池是锂离子电池。因此，本文主要讨论锂离子电池。在众多的锂离子电池中，以三元材料锂电池和磷酸铁锂电池最为普遍。纯电动汽车对电池系统的能量密度的需求约500W.h/kg。根据计算，500km的续驶里程需要电池包的能量密度达到约300W.h/kg，需要单电池的能密度至少达到350W.h/kg。这已经是锂离子电池能量密度的极限。虽然金属锂的能量密度（高达43.1MJ/kg）与汽油不相上下，但是锂离子电池的能量密度却远低于该值：不能充电的锂离子电池只有1.8MJ/kg；能充电的锂离子电池更低，只有0.36—0.875MJ/kg。究其原因，可以归结为以下三条：首先，为保证电池内部的化学反应有序地进行，锂离子电池必须要配有一定质量的电解液；其次，锂离子必须均匀地分布在电极表面：无序地分布在电极表面会发生析晶，导致隔膜穿刺、电池短路；最后，为了保证正极的结构完整和强度，正极通常会保留约50%的锂离子，而这些锂离子基本不参加化学反应。由于上述原因，锂离子电池的能量密度始终难以与汽油相抗衡。

2电池材料

锂离子电池的制造过程是高成本、高污染、高能耗的。为保证电池性能，电极材料必须采用一定比例的钴和镍：100kg的锂离子电池正极约需6—12kg的钴和36—48kg的镍。钴在地壳中含量稀少、开采过程高污染且成本高昂：全球大多数的钴矿含量较低，仅约0.003%，而高于0.1%才值得去开采，但成本高达100—150美元/kg。市场需求的增加，钴和镍的产量完全无法满足需求，即使回收电池也无法弥补需求上的缺口。这将进一步地推高原材料价格从而增加纯电动汽车的成本。因此有研究建议将研发的重点放在更普遍、更廉价、更容易获得的材料上，如铁、铜等。此外，鉴于锂离子电池的能量密度已经接近其理论上限，确实有必要去研发其他电池来更好地满足纯电动汽车的需求。

除三元材料锂电池和磷酸铁锂电池之外，有观点建议采用锂硫电池、钠离子电池、金属空气二次电池、全固态电池等技术。为了实现高能量密度电池，负极采用金属锂，正极应采用O2、H2O、CO2和S等。在电池结构等方面，有研究建议采用梯度包覆型。该结构热稳定性好、倍率高、循环保持率稳定。但是在产业化过程中会面临电压衰减、制造工艺等问题。也有观点推荐尖晶石、富锂异质结构。该结构能量密度高、动力性能好。但是材料的相变问题、成品材料的振实密度与高能量密度之间的矛盾等问题仍有待解决。值得注意的是，一些实际效果并不太理想的材料受到过度地热捧。在此投入大量的研发精力，可能会造成不必要的浪费。首当其冲的便是石墨烯，与其他碳系材料竞争，无明显优势。石墨烯只能用做负极活性材料和导电添加剂，且成本高昂、体积密度低下。使用过程中会产生结构变化、分散等一系列问题。石墨烯并没有改变电化学特性和存储机理，因此在化学原理上没有颠覆性。锂空电池在最近也受到热捧。有研究解决了锂空电池只与纯氧反应、循环寿命差等问题，在基础研究方面取得了重要的突破。但是，业界指出锂空电池结合了锂离子电池和燃料电池的缺点，且副反应过多。因此，锂空电池也不适合纯电动汽车。

3电动汽车生命周期

纯电动汽车是否节能环保，不能仅考虑汽车运行时产生的能耗和排放，还需要对汽车进行生命周期分析，包括汽车的制造、回收等环节。中国的汽车生命周期分析已经发布相应的行业标准。锂离子电池的制造过程会产生一定的污染。但是，与燃油汽车相比孰高孰低，目前尚未找到系统的方法去评估。关于纯电动汽车运行时能耗的问题，业界尚存在一定的争议。有观点认为，纯电动汽车耗电成本确实低于燃油汽车。也有计算表明，鉴于中国以煤电为主，从碳排放的角度，纯电动汽车与燃油汽车相比并不具备优势。即使技术较为领先的特斯拉，也因为能耗过高在新加坡遭到罚款。但是随着清洁发电技术的普及，纯电动汽车在节能减排等方面更有潜力，而燃油车始终无法摆脱化石燃料的限制。锂离子电池的回收与环保问题密不可分。废旧锂离子电池中的物质进入环境，可能会造成镍污染、钴污染、氟污染、有机物污染、粉尘和酸碱污染等。鉴于此，对锂离子电池进行回收是十分必要的。

4充电技术

纯电动汽车的充电时间通常远高于燃油汽车的加油时间，这也不利于纯电动汽车的商业化。纯电动汽车如果采用“慢充”，所需时间通常达到6h以上。这与燃油汽车的加油时间根本不在一个数量级上，完全无法抗衡。因此，业界提出了“快充”来解决充电时长的问题。“快充”通常是小时级别的，充电电流大于0.1C。“快充”要求电池具有良好的功率密度，而续驶里程要求电池拥有优秀的能量密度。这两种要求通常是矛盾的，需要妥协与平衡：功率密度高的电池往往是以牺牲能量密度为代价的。在基础设施等方面，纯电动汽车充电技术也面临一定的问题，无论“快充”还是“慢充”。纯电动汽车通常在夜间接入处于用电高峰的居民配电网，而居民配电网容量较小。在“峰上加峰”的情况下，居民配电网难以支撑纯电动汽车大规模充电。即使是现有的商用配电网，也难以满足需求。因此，纯电动汽车充电对于居民配电网来说是非常高的负荷，会对电网造成相当的冲击。即使相对保守的计算，纯电动汽车以1.4kW的“慢充”进行充电，居民配电网的夜间负荷上升了一倍多。无论是建设专用的配电网络还是建立微电网，都有着不小的资金和技术上的难度。或许改变用户习惯，错峰充电是个可选择的解决方案。隔夜充电8—10h可续驶100km，同时不会对配电网产生很大的冲击。但是这需要改变消费者的使用习惯，需要用户的配合。

5换电模式

鉴于充电技术存在的上述问题，蔚来公司提倡的换电模式逐渐地走进业界的视野。换电模式有着充电模式不可替代的优势：提高电网负荷率，电池可以采用“慢充”延长寿命，谷底充电时电价成本较低；虽然换电站初期投资高，但是比充电站盈利性更强，投资回收期更短。各车企不愿意剥离，难以达成统一的行业标准。这不利于换电模式的推广；其次，电池价格过于昂贵，消费者不愿负担换电产生的成本；再次，随着换电次数的增加，电池的容量和能量密度逐渐地衰减，续驶里程不断地下降：中国国家电网和众泰汽车在杭州的试点项目中，多次换电后，出租车的续驶里程由100km下降到不足70km；此外，涉及多方的利益冲突，利润主要被换电服务商拿走，整车厂没有积极性。

6电池管理系统

为保证锂离子电池包安全、可靠地工作，锂离子电池包必须要配备电池管理系统。电池管理系统的目标主要有三个：（1）防止电池和电池包的损坏；（2）让电池工作在合适的电压和温度区间，保证安全的同时，尽可能延长寿命；（3）让电池包尽可能地满足纯电动汽车的要求。

电池管理系统的硬件架构，包括电流、电压传感器、温度传感器、加速或刹车传感器、运行或禁止充电传感器；软件系统的功能应包括：电池参数监测、预测电池状态、在线监测、电池安全控制及预警、充电控制、电池均衡、热管理、网络连接和信息储存等。电池管理系统的关键问题包括电压测量、电池状态预测，电池的一致性和错误诊断等。众多的企业、研究所和高校均推出了各自的电池管理系统。国内也涌现出相当数量的产品。当前市场上，特斯拉的电池管理系统是优秀系统的典型范例。

结语

从汽车生命周期分析的角度，纯电动汽车节能减排的能力尚存在一定争议。鉴于中国以煤电为主，纯电动汽车的能耗与燃油汽车相当。然而，随着清洁发电能源的比例逐渐增加，纯电动汽车具有更大的节能减排潜力。

参考文献

[1]胡婉.新能源汽车动力电池产业报告[N].盖世汽车研究院，2018.

[2]弗雷刘.如何筛选靠谱的锂离子电池技术[N].2017.