油电混合式电动车（HEV）和电油混合式电动车（PHEV）是目前国际上发展最快的两类电动车。中国是一个经济正在高速发展的发展中国家，汽车已成为城市的主要污染源，也是每年要花费大量外汇进口石油的原因。HEV完全靠加油站添加燃料，不需要外部充电，这种车辆排放的污染气体不到通常汽车的30%，油耗通常可降低25-50%，丰田年销售几十万量的Prius等已在市场上获得了成功。

PHEV电池的容量较大，可以完全依靠电力行驶一定的里程，也有人称之为插电式混合电动汽车，一般PHEV一次充满电可行驶20－80Km，短途行驶则完全依靠电力运行，当需要长距离行驶时，油箱中有油，切换到HEV模式运行，这种车辆可以更大幅度地减少汽油的用量，对于家用小轿车，美国有人预测其节油可达90％。PHEV的另一个好处是可充分利用夜间的低谷电以实现电网电力的充分利用，受到电网公司的欢迎。HEV和PHEV的行驶距离和加油方式均和通常汽油车没有区别，易于为消费者接受，不仅在美国受到热捧，近期也有报道德国有超过30％的人表示愿意购买混合动力汽车。

电池是混合电动汽车的核心部件，在可预见的将来，镍氢电池和锂离子电池是混合电动动汽车的主要电池。锂离子电池是目前世界最新一代的充电电池，它的负极是碳素材料，正极是含锂的过渡金属化合物LiCoO2 、LiMn2O4 、LiFePO4等，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。充电时，正极中的锂离子脱离LiCoO2 、LiFePO4或LiMn2O4晶格，经过电解质输运嵌入电池的碳材料负极，放电时则相反。与其他蓄电池比较，锂离子蓄电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，已成为手机、笔记本电脑等移动电子设备的基本配备电源。相比于镍氢电池，混合电动汽车采用锂离子电池可使得电池组的重量下降40-50%，体积减少20-30%，能源效率也有一定程度的提高。此外，在很长的一段时期内，锂离子电池的成本还可能会大幅度降低，到最后，在混合动力车中它的成本与镍氢电池相比就相对较低，预期会得到广泛应用。图1显示的是对混合电动汽车领域，锂离子电池和镍氢电池在未来几年内，随着销量的增加的一个成本预测。由于镍氢电池使用大量的有色金属，而且其生产制造工艺基本定型，其成本下降的空间很小。而锂离子电池，可以完全不使用较贵金属，如正极采用锰酸锂和磷酸铁锂的电池，其原材料成本下降空间非常大，而且随着其制造工艺的进一步成熟，制造成本也有大幅度下降的可能。预计在不久的将来，车用锂离子电池的成本将下降到镍氢电池的三分之二。

图1、锂离子电池成本预测1

目前锂离子电池行业正在和即将发生结构上的重大调整，汽车工业要求锂离子动力电池的寿命比小型电池长两倍以上，成本降50％，单体容量增加10倍以上，生产规模增加几十甚至上千倍。动力电池的产业化正伴随着材料、工艺和装备的重大革新开始起飞，传统的钴基氧化物正极材料正在为成本更低和安全性好的锰基氧化物和磷酸盐材料取代，用于小型电池的电极制备工艺也将会逐渐地被高效、低能耗和污染小的新工艺所取代，大型动力电池的散热和高功率输入/出要求使电芯结构从卷绕式圆柱走向叠片式方型，相应的材料制备技术、电池制造技术、工艺和装备不断地创新和深入发展。大规模的产业发展对资源和环境也造成了挑战，发展锂离子电池回收处理技术以实现材料的循环使用也已成为一个紧迫的任务。

二、混合电动汽车用锂离子动力电池的电性能

理想的混合电动汽车电源对比功率和比能量这两项核心指标都要求达到很高的水平，且能在宽广的工作温度范围内工作，寿命更要求与汽车的使用寿命相当，从表1即可看出HEV轿车要求其电池组具有很高的比功率、高比能量和超长寿命。如电池组重量小于40Kg，电芯总重量应小于30Kg，寿命中止时比功率应达1700W/Kg，比能量应达70W/Kg，考虑到功率和容量衰减的因素和宽广的工作温度范围，要求生产出的电池具有更高的比功率和比能量。目前国内的高功率锂离子电池已具有80Wh/Kg的比能量和高于2000W/Kg的比功率，国外已有3000W/Kg高功率锂离子电池用于电动车辆的报道。公开资料显示SAFT America、Yardney等正在研制比功率高达10000W/Kg的锂离子电池。车用锂离子电池的寿命要同事考虑里程寿命和周期寿命，里程寿命测试方法是按照车辆模拟工况做循环寿命测试，依据被测电池组性能达到设定的中止条件时的循环次数推测电池组的里程寿命。周期寿命主要考虑电池搁置状态下性能会发生自然衰减，与电池温度有密切的关系，一般通过室温和高温搁置的对比测试来预测电池组的周期寿命，汽车工业要求电池具有15年的周期寿命目前对我们仍然是一个很大的挑战。表1显示的是理想的HEV轿车对电池组的主要的电性能的要求。

表1. 理想的HEV轿车电池组主要电性能要求

功率

10秒放电最大电流 （25度）

50KW

10秒充电最大电流 （25度）

50KW

能量

能量输出（25度）

2 KW

总能量输出（寿命终止）

> 12M Wh

寿命

里程寿命

>200,000 公里

周期寿命

>15 年

温度

工作温度

-25 ～+55°C

存储温度

-40 ～+80°C

从表1中我们可以看出，对于HEV轿车来说，大电流充放电，长寿命和宽工作温度范围是混合汽车用高功率电池的最重要指标。

苏州星恒电源有限公司借助国家汽车重大专项的支持，依托中科院物理所的基础研究支持，经过几年的努力，其生产的车用锂离子蓄电池的电性能基本达到了混合电动车用高功率电池的要求。图2显示的是8Ah混合电动车用高功率电池的20C倍率放电曲线。从图中可以看出，在50％SOC下20C放电，其放电深度可以超过75％。

图2、高功率8Ah电芯50％SOC下20C放电性能（>75%DOD）

作为家用的汽车，在冬天使用时，外界气温降低于0度，低温大电流启动也是一项车用电池的基本性能要求。图3显示的是高功率8Ah锂离子电池的低温倍率特性。在－10度的环境中保存24小时以上的电池，在5C放电倍率下，仍能够放出超过3Ah的电能。

图3、高功率8Ah电芯低温倍率特性

图4显示的是在极低温情况下的电池的放电特性。

图4、极低温放电性能

对于高功率电池而言，其倍率特性是其一个基本的性能要求，但由于锂离子电池体系的特殊性，存在随着时间和使用次数的增加，电池的内阻等会有所增加。那么如何保证即使在寿命终止时，电池的倍率特性仍能满足车用的要求，也就成了一个关键因素。下图显示的是高温55度条件下电芯内阻随着搁置时间的变化情况，可以看出高功率电芯随着高温搁置时间其内阻增加量很少。

图5、高温搁置后电芯内阻增加

三、车用锂离子电池的安全性

锂离子电池的安全性事故是指锂离子电池使用过程中发生爆炸和起火事故，在充电过程中、充电后使用过程中和交通事故引起电池组机械性损坏时均有可能发生。影响锂离子电池安全性的主要因素有电池的电极材料、电解液以及制造工艺和使用条件等。电池滥用时,内部发生的不可控化学反应与放出的热量直接相关，锂离子电池电解液的有机成分为碳酸酯，闪点低，沸点也较低，正极为强氧化性化合物，负极为强还原性化合物，当电池中热量的产生速度大于散热速度时, 就会造成电池内部压力过大引起爆炸，或外壳破裂后与空气接触，因温度高和锂负极的高活泼性引燃起火。

一般来说，安全性是和锂离子电池储存的总能量成反比的，电动自行车所用锂离子电池组的重量为3~4公斤，比手机大了100多倍。电动摩托车用重量15~20公斤的锂离子蓄电池，混合电动汽车所用电池组重量在30－100公斤，纯电动小轿车将用到300~400公斤的蓄电池，至于电动大巴或电动大货车的电池用量将是1500~2000公斤，更是“手机”的75000~100000倍。随着电池容量的增加，电池体积也在增加，其散热性能变差，出安全事故的可能性大幅度增加。因此，将锂离子蓄电池做成动力电池，就必须提高其安全性能，单体电池愈大，要求达到的安全性指标也就愈高。如沿用手机电池常用的钴酸锂和石墨作为锂离子动力电池的正负极材料，电池大型化后的安全性将无法得到保障。

国内刚开始开展锂离子电池电动车研发时，曾出现若干爆炸和燃烧事故，一个主要的原因是使用通常手机电池采用的钴酸锂做为电池的正极材料。钴酸锂材料的理论比能量超过270mAh/g，但为保证其循环性，实际使用比容量只有理论容量的一半，即140mAh/g左右。在使用过程中发生某些意外的情况下，比如管理系统损坏而导致电池充电电压过高，正极中剩余的一部分锂就会脱出经电解液到负极表面以金属锂的形式沉积，而金属锂的表面电沉积极易形成“枝晶”，从而刺穿隔膜，将正负极短路，引起起火爆炸等安全事故。另外，金属锂非常活泼，熔点也低，在电池温度局部过高或者壳体破损接触空气的情况下易于着火。当时寻找替代钴酸锂的正极材料以解决安全问题是动力型锂离子电池研发人员最优先考虑的问题。我国高功率锂离子电池安全问题在“十五”期间，得到了较好的解决。采用改性锰酸锂材料降低了正极的氧化性，活性锂的含量也比钴酸锂的低。但有关负极、电解液和制造、使用等方面的问题仍需注意，锰酸锂单体电池容量可以大到什么程度也还有争论，日本批量生产的锰酸锂电池单体容量不大，如公开报道的用于东京电力3000辆车的电池为216只13Ah的锰酸锂电池。

采用可耐更高温度的新型隔膜和加阻燃剂的电解液也是提高锂离子电池安全性的技术手段。

下图显示的是苏州星恒用于燃料电池混合电动轿车的高功率8Ah锰酸锂电池经过各种安全试验后的部分实物照片。

图6 短路试验                       图7 挤压试验

图8 针刺试验                       图9 高温炉热试验

图10 金属块体挤压

应该说，在国家863重大项目的支持下，在包括物理所同事在内的广大兄弟单位的帮助支持下，苏州星恒经过多年的努力，针对使用锰酸锂作为正极材料的8Ah高功率电芯的安全性方面取得了不错的成绩。

四、锂离子电池的设计与制造

按电池外形分，车用锂离子电池芯可以分为圆柱和方形(包括软包装型)两种类型，圆柱形锂离子电池内部极组为卷绕式，壳盖间采用塑料密封胶卷，以机械方式进行卷边压缩密封，电池盖子是一个组合件，具有多种保护功能，其中有在内压过高时自动破裂的安全阀和压力过高时断路保护机构。方形锂离子电池内部极组可为卷绕式或叠层式，目前的商品电池均采用卷绕式为主，方形电池采用激光焊接，实现了壳盖一体化，壳或盖上有内压过高时自动破裂的安全阀。

国外企业前几年公布的动力锂离子电池一般采用卷绕方式，但基于卷绕的锂离子动力电池工艺有致命的弱点，卷绕式电池芯内的极片和隔膜在电池充放电过程中受到的局部应力非常不一致，在小电池因其直径小应力影响不是很大，但对于体积大10倍以上的动力电池，则易于出现极片断裂和其他问题。叠片式生产工艺可采用极片包膜工艺以解决卷绕式电芯在高温下经常遇到的因隔膜收缩而导致的短路问题，从电池的散热角度讲也是更为合理的设计。根据最近公开的信息，日本最新的电动汽车用锂离子电池即采用锰酸锂正极材料和叠片式结构。

电池的制造涉及材料筛选和评价、极片制造、电芯制造和电池组装配等一系列流程，制造过程直接关系到对电池的一致性、安全性。电极材料的好坏直接决定了电芯所能达到的性能极限，需要组装扣式电池测量电极材料的比容量、首次效率、循环性等电化学性能，并对电极材料的粒度、比表面、的表面微观形貌、晶相、成分及振实密度等进行全面分析。电极的质量直接关系到电芯的质量，正负极片的制备主要包括制浆工艺、涂膜工艺、干燥压光等工艺过程。这些工艺过程主要影响浆料的涂布特性、材料在集流体上的附着是否牢固、正负极片的厚度及均匀性、极片的孔隙率及压实密度等性能，近年来，国内大型涂布机、滚压机等关键设备的开发成功为锂离子动力电池产业的发展奠定了坚实的基础，目前好的厂家极片重量误差可小于±1％，厚度误差小于5mm。电池的制造涉及多方面因素，锂离子动力电池的生产对工艺、装备和管理等诸方面提出了更高的要求。

五、结语：

电动汽车产业发展的迫切需要高功率动力电池的支撑，我国锂离子电池产业的技术升级也需要发展动力电池技术。至今我国已成为仅次于日本的锂离子电池生产大国，但远非强国。目前小型电池多采用手工生产，产品质量参次不齐，低价竞争激烈。动力电池的产业化刚刚开始，能满足混合电动汽车15年使用寿命要求的电池技术仍然是空白。鉴于车用锂离子动力电池等高端产品的技术难度极高，通过科研、工程技术和管理人员的共同努力，预期未来几年会在材料、技术、工艺和装备等方面取得突破性进展，生产出“汽车级”的高功率电池产品。