电池的能量密度是否是制约电动汽车普及的唯一因素？

　　摘要：在电动汽车的发展历程中，续航里程一直是人们最为看重的指标，这需要它的动力来源─锂离子电池具备很高的能量密度，但这是否是制约电动汽车在我国普及的唯一因素?本文就此问题进行了简要分析。

　　由于国家政策的大力支持，新能源汽车行业在我国发展迅猛。近年来随着电动汽车的续航里程不断增加，越来越多的人将目光从传统的燃油汽车转移到纯电动汽车上，每当一款新的电动汽车上市，厂商重点宣传的是其续航里程，同时这也是消费者极其看重的指标。为什么人们对电动汽车的续航能力如此关注?主要原因有以下两点：

　　(1)充电设施不完善：许多购买电动汽车的家庭都不具备安装私人充电设施的条件，而对于公共充电设施，虽然国家加大了建设力度，但其密度远无法达到传统加油站的程度，因此人们在驾驶电动汽车时常常要为寻找充电设施而耗费精力。

　　(2)充电所需的时间成本过高：目前主流的电动车慢充到满电量需要耗费6～8小时，即使是快充到80%电量也需要30分钟以上，这远超出传统燃油车加油所需要的时间，因此人们选择用电动车代替燃油车就意味着要付出更高的时间成本。

　　由于目前电动汽车的续航里程相比燃油车还有较大的差距，频繁的充电会让以上两点弊端更加凸显。这些不利因素的存在阻碍了电动汽车的普及，特别是在幅员辽阔、地域发展不均衡的我国尤为明显。为此人们希望电动车具备更高的续航里程，因为这样可以相对减少为汽车充电的次数，从而减轻以上不利因素的负面影响。为了提高电动汽车的续航能力，需要对其动力核心─锂离子电池进行改进。由于一辆汽车装载电池的能力有限，只有提高单体电池的能量密度，才有可能显著增加电动汽车的续航里程。因此我国在《中国制造2025》中明确提出：到2020年，我国动力电池要达到能量密度300瓦时每千克以上。为了达到此目标，许多企业已经开始着手对锂离子电池的组成材料进行更新换代，例如用高比容量的高镍、富锂正极、硅碳负极材料，代替原有的三元、磷酸铁锂正极、石墨负极材料。但是为了实现电动汽车在我国的普及，仅仅追求锂离子电池的能量密度是不够的，在满足能量密度需求的同时以下几个方面仍必须注意：

　　倍率性能。锂离子电池的充放电倍率决定了其作为储能装置存储和释放能量的速度，这直接影响了电动汽车的动力以及充电所需的时间。如果电动汽车的充电时间能够与传统燃油车的加油时间处于同等水平，必将加快电动车的普及速度，因此倍率性能的提高显得尤为重要。决定锂离子电池倍率性能的因素有很多，如正负极材料的电导率，锂离子在正极、负极和电解质中的扩散速率，电池内部的接触电阻等。以目前市场主流的三元正极-石墨负极锂离子电池为例，在充电过程中，锂离子从正极由内向外扩散脱出，随后在电解液中形成溶剂化的锂离子并迁移到负极表面，在去溶剂化后嵌入到负极中形成Li_xC_n化合物。在此过程中，锂离子在石墨负极中的扩散速率相对较慢，在大电流充电时锂离子容易在负极表面还原成金属锂并形成锂枝晶，严重时会导致电池内部短路并引发恶性事故，这是当前制约锂离子电池充电速度的主要原因。因此，在锂离子电池更新换代时，选用的高能量密度材料也需具备良好的倍率性能。

　　安全性能。近年来随着锂离子电池的相关产品大量进入人们的生活，与之相关的事故报道也逐渐增多。而电动汽车需要装载大量锂离子电池作为动力来源，其安全问题也受到了人们的重点关注。锂离子电池作为能量的载体，在工作过程中会产生大量的热量，这在大电流充放电时更为严重。热量的持续累积会导致电池内部的温度过高，由此引发的内部材料分解是造成锂离子电池安全事故的主要原因。例如常用的三元正极材料，在发生热分解时会释放大量热量和氧气，这会促进电池在热失控时的燃烧。目前为了增加三元锂电池的能量密度，需要提高正极材料镍元素比例，但这也会进一步降低材料的热稳定性。因此在提升材料能量密度的同时，还应当保证其安全性，因为安全隐患的增加也会阻碍它的应用。

　　循环性能。循环性能直接关系到锂离子电池的使用寿命。使用寿命的缩短意味着更换电池频率的增加，这变相地提高了电池使用成本，也为使用者带来了许多不便。反复地对锂离子电池进行充放电会在某种程度上破坏电池的正负极材料，并且电极与电解液之间副反应的累积也会在电极表面形成较厚的惰性层，这些都会阻碍锂离子在充放电时的扩散行为，进而导致电池能量密度的衰减。目前高容量的正极材料(如高镍三元材料、富锂材料)和负极材料(如硅/碳复合材料)，它们相对不稳定的结构导致其循环性能不够理想，这一点还需要继续改进。

　　高低温性能。由于锂离子电池的性能与温度关系密切。在较低的温度下，锂离子扩散速率的减慢会导致电池的容量和倍率性能下降，同时负极的析锂问题更加突出。而较高的工作温度会加快电池中不利的副反应，进而降低电池的循环性能和安全性能。由于我国南北跨度很大，使用条件的差异也应当在设计高能量密度锂离子电池的时候予以考虑。

　　传统燃油车逐渐被新能源汽车所代替是汽车行业发展的必然趋势。目前为了加速电动汽车在我国的普及，仅仅提高锂离子电池的能量密度是不够的，电池的其它性能指标(如倍率、安全、循环、高低温性能等)同样很重要。除此以外，还需要继续降低锂离子电池的制造成本，并对基础充电设施进行完善。