能源瓶頸和環(huán)境污染已成為全球性問題，交通污染已成為中國城市PM2.5等顆粒污染物的來源之一，霧霾天氣頻頻發(fā)生，控車治霾的思路被廣泛提及。相比限購、限行等限制性行政政策而言，大力推廣和發(fā)展低排放的新能源汽車，包括純電動汽車(EV)、插電式混合動力汽車(PHEV)、燃料電池汽車等，是有效治理污染的重要途徑之一，這一觀點已成為國際共識。

 

發(fā)達國家如美國、日本等紛紛制定了國家計劃來推進傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)的升級。美國出臺了一系列新能源計劃，將大力發(fā)展電動汽車作為實施新能源戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。2012年美國啟動電動汽車國家創(chuàng)新計劃《EV Everywhere》，加大對高性能鋰離子電池材料、插電式車輛技術(shù)、輕量化技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)的支持。日本一直將發(fā)展清潔能源、可再生能源作為國家戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，國家政策對新能源汽車發(fā)展始終給予大力支持，計劃到2020年普及以電動汽車為主體的下一代汽車。目前日本混合動力電動汽車全球銷量第1，其產(chǎn)業(yè)化推進純電驅(qū)動電動汽車的進程也是全球最快的。

 

近年來，我國政府采取了一系列措施推廣新能源汽車，一方面中央和地方政府相繼出臺了各種新能源汽車補貼政策鼓勵消費者購買電動汽車;另一方面通過制定未來我國汽車燃耗目標倒逼整車企業(yè)發(fā)展電動汽車，如圖1所示。 除了政策指導(dǎo)，我國政府還利用各種機會積極推廣新能源汽車的使用。繼奧運會和世博會2大盛會之后，近年舉辦的全國兩會、中博會、達沃斯論壇、博鰲論壇等都有新能源汽車示范運行。國內(nèi)車企也紛紛涉足新能源汽車的研發(fā)、生產(chǎn)、示范運行及其產(chǎn)業(yè)化進程。比亞迪股份有限公司、奇瑞汽車有限公司、東風(fēng)汽車公司、長安汽車股份有限公司、上海汽車集團股份有限公司、中國第一汽車集團公司、宇通集團、中通客車控股股份有限公司(簡稱“中通客車”)和重慶恒通客車有限公司等目前已經(jīng)成功研發(fā)多款轎車及客車等。

 

 

圖1 未來中國汽車平均能耗目標

 

在政府一系列利好政策的引導(dǎo)下，我國新能源汽車研發(fā)呈現(xiàn)較好的發(fā)展局面，各汽車廠商也積極推廣新能源汽車，并取得了較好成績。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2015年1—7月，新能源汽車生產(chǎn)95 530輛，銷售89 549輛，同比分別增長2.5倍和2.6倍。7月，新能源汽車銷售更是取得了同比增長3.3倍的佳績。新能源電動汽車市場在不斷升溫，動力電池也進入高速發(fā)展期，據(jù)統(tǒng)計，今年上半年動力電池產(chǎn)量達到2.72GWh，較去年上半年的0.94GWh增長近2倍。

 

二、 新能源汽車對動力電池的應(yīng)用需求

 

動力電池是各種電動車輛的能量載體和動力來源，動力電池的性能直接決定了車輛的性能。新能源汽車用動力電池包含：鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池、超級電容、燃料電池等。為了滿足新能源汽車等技術(shù)的應(yīng)用要求，動力電池需要具有高安全性、高能量密度、高功率性能、優(yōu)異的循環(huán)壽命、工作溫度范圍廣和低成本等特性。新能源汽車包含混合電動汽車 (HEV) 、燃料電池混合電動汽車 (FC-HEV)、插電式混合電動汽車 (PHEV)和純電動汽車 (EV)等。不同類型的電動汽車對動力蓄電池的要求不同，概述如表1所示。

 

 

表1 不同電動汽車對動力電池的要求

 

從表1中可以看出，鋰離子電池的性能幾乎可以滿足所有類型電動汽車需要，鋰離子電池是當前所有可充電電池中綜合性能最優(yōu)的一種電池，也是目前最佳的能應(yīng)用于插電式混合動力汽車和純電動汽車的電池。

 

鋰離子電池負極材料包含碳負極材料、鈦氧化物、錫與碳的復(fù)合物、硅的復(fù)合物等。目前商業(yè)化的鋰離子電池的負極材料主要采用碳負極材料。碳負極材料電池有著比能量高、功率性能好等優(yōu)勢，但是碳電極與金屬鋰的電位接近，當電池過充電時容易在碳電極表面析出金屬鋰形成鋰枝晶，鋰枝晶會刺穿隔膜引起短路等安全隱患問題。同時，碳負極電池在首次化成時電極表面還原形成表面膜(SEI膜)，SEI膜的形成和修復(fù)過程會消耗電解液，造成不可逆容量加大，電池衰減加劇而影響電池使用壽命。尖晶石結(jié)構(gòu)的鈦酸鋰負極材料嵌鋰電位約1.5V，不會形成鋰枝晶，在充放電過程中體積應(yīng)變小于 1%，并且納米化的鈦酸鋰電池具有大電流充放電能力，能夠數(shù)分鐘完成充電，即便是在低溫環(huán)境條件下快速充電也難以析出鋰枝晶，所以鈦酸鋰電池具有循環(huán)壽命長和安全性能優(yōu)異的特點，可以保障快速充電應(yīng)用領(lǐng)域電池的耐久性和安全性。因此，以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池在電動汽車要求高安全性、高穩(wěn)定性和長壽命周期的應(yīng)用領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢。

 

三、 鈦酸鋰動力電池的產(chǎn)業(yè)化

 

2008年東芝報道了4.2Ah SCiB超級鋰電池(Super Charge ion Battery)高功率鈦酸鋰鋰離子動力電池，標稱電壓為2.4V，能量密度約為67.2Wh/kg(131.6Wh/L)。由10個單元串聯(lián)組成的標準模塊能量密度約為50.4 Wh/kg(74.7 Wh/L)。在快速充放電條件下〔25℃，10C(42A)充電，15A放電〕，充放電循環(huán)3 000次，容量衰減不到10%。以50A的大電流進行快充，電池單元及標準模塊均可在5min充滿90%以上的容量。電池還具有良好的低溫放電性能，在-30℃仍可放出80%以上的容量。