2002年11门中国工程科学Nov2002
篁!童篁!!塑星!墅!!!!j堡!!壅!堡一：——————————』丝坠!兰!』兰
院士论坛
电动车锂离子电池的材料问题
陈立泉
(中国科学院物理研究所，北京100080)
[摘要]简要介绍r我国电动车的开发现状，指出了发展电动车的瓶颈是电池；阐明了锂离子电池对发展电
动车的作用．特别强凋日前的关键是研发适于电动车的锂离子电池材料；茼述r作者的宴验室在电动车锂离子
电池关键材料研究方面的最新进展。
[关键词]电动车；混合电动车；锂离子电池；电池材料
[中图分类号]U46972+2[文献标识码】A[文章编号]10091742(2002)11—0032—05
1引言
2001年底，我国正式启动了电动车专项课题，
从而开始了电动车研制的全国大会战。为什么要发
展电动车呢?
我们知道，能源和环境是人类面临的两个严峻
问题。作为一种重要的运输工具，汽车工业是许多
国家的支柱产业。20世纪是以汽油为动力的社会，
然而，石油的有限储量和汽车造成的严重污染是
21世纪面临的紧迫问题，已引起广泛关注。为实
现低污染，零排放，世界上许多国家的政府和汽车
制造商均投人大量资金进行电动车的研究与开发，
并取得了长足的进步=1J。中国是一个经济正在高
速发展的发展中国家，全国约有1000万辆汽车，
不到美国的1／10，但汽车已成为城市的主要污染
源，且每年要花费大量外汇进口石油。降低汽车对
环境的污染和节约能源已成为我们亟待解决的问
题。
我国已加入WTO，国外汽车正大举进入，这
对我国落后的汽车工业是极大的挑战。但是在电动
车的研制和开发方面，我们起步较早，远在“八
五”期间我们就开展了电动车攻关，为电动车的大
规模研究和开发集累了宝贵经验，培养了一批技术
力量。可以说，在电动车的研制和开发方面，我们
和国外发达国家的差距不是很大。发展电动车是我
国汽车工业实现跨越式发展的一次难得的机遇。通
过电动车专项的实施，预期可将差距缩短到3～5
年。
国内外正在研发的电动汽车有三种，即：完全
以电池作为动力的电动车(BOEV)、内燃机为主
动力电池为辅助动力的混合式电动车(HEV)和
燃料电池电动车(FCEV)。
BOEV行驶距离受电池容量的限制，建充电站
又增加了投资，而且这种车的成本高，是普通汽车
的2～3倍，如日本RAV4一EV的零售价为495万日
元俏，而性能相近的汽车零售价只有200万日元／
辆。电池的成本约占电动车成本的40％，因此纯电
动车很难在21世纪前期全面推广。将主要用于短
距离特种用途车、出租车、固定路线公交车以殛像
奥运会场馆等特定用途。
燃料电池电动车被认为是未来的最终解决方
案，以质子交换膜氢氧燃料电池为动力，燃料气是
氢气，与氧反应生成水，将反应的化学能变成电
能，不排放任何污染物。目前尚有成本过高、氢气
产生和储存问题、铂催化剂的有限储量等问题需要
解决，估计大量应用在2020年前后。
【收稿日期]2002—0701
【作者简介】陈立泉(1940一)，男，四川南充市人，中国工程院院士，中国科学院物理研究所研究员
万方数据
第ll期陈立泉：电动车锂离子电池的材料问题
HEV是很快就可以产业化的的车辆。又有串
联型、并联型和混联型乏种，，丰出公司Prius是混
联型HEV，内燃机始终在最佳丁况下工作．在加
速时，以电力助动。正常行驶时，由内燃机推动，
在减速时对电池充电。这种车辆排放的NO，化物
只有通常汽车的10％，c02排放量降低了50％，
售价比普通车贵约30％，但油耗却可降低50％。
丰田公司以每月几千辆的规模在销售Prius，供不
应求。现在国际上各大公司均加速开发各种类型的
HEV。
我国电动车专项包括了这三大类电动车的研
发，指标各不相同。BOEV在“P五”末期要进行
产品认证；混合电动车在“十五”期问要实现产业
化；燃料电池电动车到“十五”末期，研制出示范
样车，为进一步的研发和产业化奠定基础。
2锂离子电池的关键作用
电动车成败的关键是电池。
电动车电池是可充电电池或称二次电池。目前
普遍使用的二次电池有四种：铅酸电池、镍镉电
池、镍氢电池和锂离子电池。小功率电池的基本性
能列于表l。
表1四种二次电池的基本性能
TablelGeneralpropertiesofthefour
typsofsecondarybatteries
…娄球／v蚯／W比h=kg／w比=．循鬻命·“-k…／次
镰镉电池1．24550170
镍氢电池1，270—80250
锂离子电池3．6120一150300
500
>500
1000
铅酸电池的最大缺点是比能量低、效率低和污
染环境。但因其成熟程度高，价格最低，可以快速
充电，因而在很长一段时间内在启动电源、不间断
电源和低档电动自行车等领城仍会占有一定份额。
镍镉电池属于碱性电池，有记忆效应，而且镉
是强致癌物质，对环境污染较重，正在受到新兴电
池的挑战，但是它可以大电流充放电，而且工艺成
熟，在未来一段时期内，在电动工具和特种动力电
池应用中会占有一定份额。
镍氢电池也属于碱性电池，也有一定记忆效
应，与镍镉电池相比，大电流充电性能略差；对环
33
境友好，比能量与比功率均较高，正处在上升发展
的时期，小功率电池的工艺已相当成熟，但受到锂
离子电池的挑战。大功率电池正在研究干|『开发，日
本一些公司已用镍氢电池作为HEV的辅助电源。
锂离子电池是综合性能最好的电池。比能量和
比功率均很高，不污染环境，自放电很少，小功率
电池已经产业化；大功率电池正在研究和开发之
中，目前价格偏高。
自从有r电池就提出r电动车，但由于铅酸电
池的能量密度太低，电动车无法大量使用。铅酸电
池的能量密度可达40Wb&g，而内燃机的能量密
度为400Wh／kg，是铅酸电池的十几倍。因此发展
电动车的瓶颈是蓄电池。
从能量密度考虑，氢镍电池和锂离子电池有可
能达到电动车的要求，特别是锂离子电池是电动车
的理想电源。日本SONY公司与日产公司合作在
1996年展示了用锂离子电池驱动的电动车，电池
重330kg，重量能量密度100Whig，体积能量密
度150Wh／L。最大车速120km／h，充一次电最大
行程为200km。与搭载相同重量的其它电池充一
次电的行驶距离比较，Ni／MH电池140km，铅酸
电池70km，在行驶距离方面锂离子电池明显优于
其他电池。
目前可用于电动车和混合动力车的主要有镍氢
电池和锂离子电池。镍氢动力电池在日本等国已能
批量生产，技术较成熟，比能量为70Wh&g左
右，成本约为USD400／kWh，离美国先进电池联
合体(uSABc)要求的USD150／kWh还有相当大
的距离。由于大量使用稀土和氧化钴等材料，成本
再降低的空间相当有限。锂离子动力电池比能量可
达120～150wh／kg，不仅比能量高于镍氢电池，
而且短时间(10秒内)的功率密度可高达l000
W／kg以上，也优于镍氢电池。目前小功率锂离子
电池单位能量的成本已接近镍氢电池，其成本降低
空间还相当大。在未来几年里，动力型二次电池将
是电池界竞争的焦点。可以预见，锂离子动力电池
最终将成为动力电池市场上的主角。目前这两种电
池在目本的情况是，镍氢动力电池比较成熟，锂离
子动力电池尚在研发阶段。因此，日本野村综合研
究所认为，2005年前HEV以镍氢动力电池为主。
2005年以后锂离子电池将逐渐取代镍氢电池，成
为HEV的首选电池。我国的情况是，这两种动力
电池都处于研发阶段，我国动力型锂离子电池与日
万方数据
中国工程科学
本的差距也就2年左右，如果加大研发力度。完全
能满足EV和HEV的要求和适应我国电动车专项
的进展。
3锂离子电池的关键是材料
电动车电池有二项基本要求：一要安全性好，
二要成本低，三要性能好。在性能方面，BOEV要
求能量密度要高，HEV和FCEV要求功率密度要
高。
我国动力型锂离子电池的研究从1994年中科
院物理所承担福特基金项目时即已开始。以中科院
物理所作技术支撑的北京星恒电源有限公司已研制
出容量为10～200Ah的动力型锂离子电池。国内
其他一些单位也宣称研制出动力型锂离子电池，甚
致单体容量超过200Ah。据我所知，他们所用的原
材料和小功率锂离子电池完全是～样的，这只能是
一种演示样品，实际意义不大。大容量电池(单体
50Ah以上)的性能，尤其是安全性存在很大隐患，
成本也较高，离产业化尚有很大距离。
目前的动力电池主要是作电动车用，而电动车
的重点是混合电动车(HEV)。HEV电池应主要
考虑以下三点：
3．1安全性十分重要
一辆HEV的电池组容量是几kwh，这种大电
池组，万一m现内部短路等安全事故，后果不堪设
想。必须从原材料开始做到万无一失，比如，正极
材料必须用LiMnz04，电池充电时，它晶格中的锂
可以全部脱出，终端产物是稳定的MnO，。而目前
广泛使用LiC002作正极材料，正常充电时晶格中
的“+只有一半被脱出，但过充电时，其晶格中剩
余的Li+可全部脱出，使十分活泼的金属锂沉积在
负极碳素材料的表面，而且脱锂后的终端产物是不
稳定的C002，都会与电解液中的可燃有机溶剂发
生副反应，带来安全问题。现在广泛使用的小功率
电池的电解液含可燃的有机溶剂，为了提高安全
性，必须研制有阻燃性的电解液。电池隔膜微孔也
必须有受热后的自封闭机制，一旦因内部短路而温
度过高，隔膜的微孔迅速关闭，以阻档Li+通过，
使电池内阻急剧增大，阻止电池反应继续进行，以
免安全事故的发生。
3．2成本必须低廉
目前锂离子电池的成本比铅酸电池高5～6倍，
略高于镍氢电池，从所用的原材料看，还有很大的
第4卷
降价空问。从成奉考虑，正极材料也必须使用
【』iMn2n，钴小仅比锰贵几十倍，而且我同储量很
少。最近，对LiFeP04十分荚注，它可能是更为廉
价的正极材料。
3．3电池性能特殊要求
HEV对电池的要求和EV对电池的要求大不
一样，主要差别如表2所示：
表2HEV和EV电池性能的差异
Table2Perf。rmancedifferencebetweenthe
HEVandEVbatteries
用目前做小功率锂离子电池的材料不可能制备
出性能符合HEV要求的电池，因其功率密度只有
300～400W／kg．而HEV要求1000～1500W／kg。
综上所述，未来动力电池的关键材料必须满足
HEV的要求。
4锂离子动力电池材料的研究进展
4．1适用于HEV和EV的芷极材料
随着对电动汽车和混台电动汽车研究工作的开
展，LiMn204以其能够承受大电流充放电的特性和
价格低廉、污染小等优点而显现出优势。同时，相
对于LiC002，LiNi02等其他主要的锂离子电池正
极材料而言，LiMn204还具有更高的安全性。虽然
LiMn：o，在常温下具有较高的容量和良好的循环
性，但相对于LiCoOz而言，其容量衰减较快，在
高温下尤其明显。由于EV和HEV在使用时的温
升往往较高，改善LiMn：04的高温性能是当务之
急。
cr掺杂改变了Li。Mn2。04中三价阳离子的d
电子结构，并且使晶胞收缩，有效抑制了Jahn—
Teller效应。研究表明，cr掺杂的LiCrolMn㈤04
在以LiPF6为基的电解液体系里具有较强的抗锰溶
损能力，其可逆容量在长期使用后没有显著的变
化。图1是Cr掺杂尖晶石Li。Mn2。Cr：04的容量与
循环次数曲线’2J。如图所示，样品0005c(z=
0．10)在5512下的放电容量略低于25℃下的放电
容量。与样品H11b相比，Li。Mn2．，cL04的高温循
万方数据
第11期陈立泉：电动车锂离子电池的材料问题35
环性能有了显著的改善。Cr005c在55℃下的初始
容量为105rnAh／g，第200周的容量为101mAh／
g，平均衰减速率仅为每周0．02％，具有良好的实
用潜力。
HIlh的z=0，Cr005c的m01，Cr02的z_04
图1Cr掺杂对LiMn20455℃循环性的改善
Fig．1EffectofCr—additiononLiMn204at55"C
最近，又研制出镍掺杂和镍与钴混合掺杂的层
状LiMnO，，其可逆容量和高温性能都优于
LiMnzO。．特别是研制出LiFeP04，它的容量和
【。i(hO，相近，对于锂离子动力电池，它的成本和
安仝忡都很吸引人。
4．2硬碳系负极材料
我们最近研制成功一种新型硬碳球负极材料，
它的原料足十分便宜的食糖，制备J．艺简单。它的
粒径可以控制，从几个纳米到十儿个微米。它的内
部充满了纳米尺寸的孔隙，因此它的储锂容量很
高，接近石墨的理论容量。更重要的是它能在大电
流下上作，由图2可见，当放电电流增加5倍后，
电池容量降低不到10％。这是锂离子动力电池理
想的负极材料。
4．3具有自封闭机制的电池隔膜材料：
我们最近在实验室研制成功具有自封闭机制的
cap“HhAh
图2新型硬碳球(8】和耐大电流充放电特性(b】
Fig．2Newtypehardcarbonball(a)andthecharge—dischargepropertiesunderheavycurrent(b)
图3隔膜微孔封闭后电阻率与温度的关系
Fig．3Relationshipbetweenresistivityand
emperatureafterthediaphragmsealofmillipore
电池隔膜l3。，20℃的电导率为1．2×103S／m，在
15～150℃范围内其电导率随温度的升高而增加，
符合阿累尼乌斯线性关系(图3)，但足当温度升
高到155℃时，其电导率突然降低了二三个数量级，
为3．6×10s／Frl。这很适合于作为锂离子动力电
池的隔膜材料，目前正在进行中试，预期很快可以
产业化。
4．4具有阻燃性的电解质
我们发现尿素与三氟甲基磺酸酰亚铵锂
(Li’IIFSI)混合后变成液体，其凝固点是31℃．
它在室温下的电导率很高，是一种电解质材料，但
是它不含任何有机溶剂，而且尿素含氮，有阻燃作
用”1。这给我们寻找不含有机溶剂并且有阻燃作
Hh{里扫ⅧS旨u
万方数据
中国工程科学第4卷
用的电解质提供了新的思路，
我们认为，经过协作攻关，短期内在锂离子动
力电池关键材料研制方面会取得突破性进展，并实
现产业化．以满足动力电池的研究和开发的需要。
参考文献
WehreyMCElectricandHybridVehicleTechnology
1999，(99)：75
2]ChuanWu．ZhaoxingWang．FengWu．elalSolid
Statelonic8，2001，(277)：144
3]XumeiRen，HuiGu，FengWu，etalProceedingsof
the7thAsianConferenceOnSolidStalelonics[C]
2000
4]HongyingLian，HongLi，ZhaoxingWang，e1al
JPhysChemB，2001，105
LithiumBatteriesforElectricVehicles
chenLiquan
(InstituteⅣ砷ysics，CAS，Beijing100080，China)
[Abstract]Afterabriefintroductiontothepresenlsituationofelectricvehicle(EV)inChina，ithasbeen
pointedOUtthattheneckfordevelopingEVisbattery．ThemostimportantroleplayedbyLi—ionbatteriesinthe
developmentofEVhasbeenevaluated．IthasbeenpointedoutthatthekeyfactatthelnomentistOdevelop
materialswhichcanmeettherequirementsofIA—ionbatteryforEVSomeprogressesobtainedintheauthor’s
laboratoryinthisfieldhavebeenreviewed
[KeywordsJelectricvehicle；hybridelectricvehicle；Li—ionbattery；batterymaterials
欢娅订阅《建筇创作》杂志
(每月20151出版．国内订价20元／月，年订价240元／份)
《建筑创作》杂志由首都规划建设委员会办公室主管、北京市建筑设计研究院主办的北京市优秀科技期
刊。本刊创刊于1989年，现已成为国内一些知名大中型建筑设计研究单位建筑师的“案头书”。尤其是近几
年来，《建筑创作》以其办刊实力及不断强化的创新力在建筑设计行业内获得了广泛的知名度和影响力。刊
物全部为彩色铜版纸印刷，装帧精美，制作优良，内容详实，图文并茂，本身就体现出一种设计理念，具有强
烈的视觉冲击力。
《建筑创作》杂志已加人《中国学术期刊综合评价数据库》、《中国数字化期刊群》、北京市科委《北京科研
条件网》等权威机构。
凡来本杜订阅2003年期刊及推荐书籍者，享受9折优惠并免15％邮资
请将订款IE：ll：京市西城区南礼士路62号本刊发行部
电话：68011155—3478传真：68034041
万方数据
电动车锂离子电池的材料问题
作者：陈立泉
作者单位：中国科学院物理研究所,北京,100080
刊名：中国工程科学
英文刊名：ENGINEERINGSCIENCE
年，卷(期)：2002,4(11)
被引用次数：21次
参考文献(4条)
1.HongyingLian;HongLi;ZhaoxingWang查看详情2001
2.XumeiRen;HuiGu;FengWuProceedingsofthe7thAsianConferenceonSolidStateIonics2000
3.ChuanWu;ZhaoxingWang;FengWu查看详情2001(277)
4.WehreyMCElectricandHybridVehicleTechnology1999(99)
本文读者也读过(1条)
1.陈立泉.CHENLi-quan混合电动车及其电池[期刊论文]-电池2000,30(3)
引证文献(21条)
1.黄莎华钛酸锂电极材料的研究进展[期刊论文]-上海应用技术学院学报（自然科学版）2010(4)
2.宋怀河.杨树斌.陈晓红影响锂离子电池高倍率充放电性能的因素[期刊论文]-电源技术2009(6)
3.张霜华.窦清山.戴永年.康学雅浅谈锂锰氧化物LiMn2O4掺杂改性进展[期刊论文]-新疆有色金属2009(z2)
4.文衍宣.肖卉.甘永乐.粟海锋.王凡自蔓延高温合成锂离子电池正极材料LiCoO2[期刊论文]-无机材料学报
2008(2)
5.刘志坚.汪艳.蒋宁懿高倍率锂离子蓄电池设计的研究[期刊论文]-电源技术2008(8)
6.王兴勤.戴永年.白玉闵掺杂Zr4+对LiMn2O4性能的影响[期刊论文]-云南化工2007(1)
7.董凤亮电池技术升级换代推动电动车又一轮大发展[期刊论文]-中国自行车2006(5)
8.唐致远.谭才渊.陈玉红.崔燕.薛建军锂离子电池高倍率放电性能研究[期刊论文]-电源技术2006(5)
9.刘昊.郑利峰.邓龙征锂离子动力电池及其关键材料的研究和应用现状[期刊论文]-新材料产业2006(9)
10.王立仕基于LiPF<,6>的几种锂离子电池电解液的性能研究[学位论文]硕士2006
11.牛晓波锂离子电池三元复合正极材料的合成及其电化学性能研究[学位论文]硕士2006
12.王青松锂离子电池材料的热稳定性及电解液阻燃添加剂研究[学位论文]博士2005
13.沈培智锂离子电池正极材料LiMn<,2>O<,4>的制备及性能研究[学位论文]硕士2005
14.田强锂离子电池正极材料LiFePO<,4>的合成和电化学性能研究[学位论文]硕士2005
15.胡杰锂离子电池正极材料LiFePO<,4>的合成和电化学性能研究[学位论文]硕士2005
16.李运姣.常建卫.李洪桂.赵中伟.孙召明.霍广生.孙培梅富锂型掺钴尖晶石锂锰氧化物的结构与电化学性能[期
刊论文]-中南大学学报(自然科学版)2004(3)
17.王双才.李元坤.刘述平锂离子电池正极材料研究动态[期刊论文]-中国锰业2004(3)
18.崔萌佳.戴永年.姚耀春.杨斌.任海伦.李伟宏电动车用动力电池的研究概况[期刊论文]-昆明理工大学学报（理
工版）2004(6)
19.朱伟锂离子电池正极材料LiMn<,2>O<,4>与LiFePO<,4>的制备与性能研究[学位论文]博士2004
20.杨遇春电动汽车和相关电源材料的现状与前景[期刊论文]-中国工程科学2003(12)
21.余盛禄锂离子电池正极材料尖晶石LiMn<,2>O<,4>的合成和改性研究[学位论文]硕士2003
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zggckx200211006.aspx
|
|
