目前业界比较公认的锂电发展路线是什么？常用锂电知识问答

铅酸电池或被锂电池替代

锂电池自身的环保属性、电动车“新国标”实施、锂电池制造成本的下降，可谓是“天时、地利、人和”。多种因素环环相扣，未来电动车市场上锂电池的需求将大幅度提升。有机构预测，到2021年，电动自行车对锰酸锂材料的需求量为28000吨。

行业前景大好，会有更多企业蜂拥而入。作为一家锂电池企业来说，应根据自己的市场定位，生产出质量好、成本低的产品，才能占领市场，赢得更多消费者。因此，探索更先进的电池技术，保障锂电池使用安全性，提高电池续航里程显得尤为重要。

为了帮助电动自行车行业更好地降本增效，提升电动车在轻量化、续航里程等方面的科技含量，由中国电池联盟、中国电子节能技术协会电池专委会、北京绿色智汇能源技术研究院联合主办“新形势下中国电动自行车产业发展之路暨电动车用电池技术创新应用峰会”于8月初召开。

会议将就“新国标对锂电的要求”、“电动自行车锂电池回收经济性分析”、“锂电池在电动自行车行业应用现状”、“新国标下电动自行车用铅蓄电池企业该如何应对”等业内关心的话题深入探讨。此外，会议期间还组织了到案例企业的技术参观活动。

随着电动自行车和电动摩托车越来越受欢迎，消费者对电池组的续航能力也提出了更高的要求。延长电池组的续航时间可让车辆行驶更远里程而无需频繁充电。

可以通过以下两种方法来提高锂离子（Li-ion）电池组的续航能力：增大电池总容量或提高能效。增大电池总容量意味着要使用更多或性能更佳的电池单元，这会显著增加电池组的总体成本。而提高能效可在不增加容量的情况下为设计人员提供更多的可用能源。有两种方法可以提高能效：提高荷电状态精度和/或降低电流消耗。

要获得更长的运行时间，需要从电池组中吸收尽可能多的能量；但若发生过过度放电，电池将被永久损坏。为避免电池过度放电，准确了解电池容量或荷电状态信息至关重要。有三种方法可准确测量荷电状态：

• 电池电压测量。

• 库仑计数。

• TI Impedance Track™技术。

电池电压测量是最简易的方法，但它也具有低精度的过载条件。库仑计数测量并随时间积分电流。但是，实现更佳的荷电状态精度需要定期的全转-空转学习周期，且荷电状态精度将受到自放电和待机电流的影响。低温和老化的电池也会降低荷电状态的精度。Impedance Track技术通过学习电池阻抗直接测量放电速率、温度、寿命和其他因素的影响。因此，即使电池老化和温度过低，Impedance Track方法也能为您提供更佳的荷电状态测量精度。

我们的精确测量和50μA待机电流，13S、48V锂离子电池组参考设计使用BQ34Z100-G1，一种用于锂离子、铅酸、镍金属氢化物和镍镉电池的Impedance Track电量计，且独立于电池串联电池配置工作。此设计支持外部电压转换电路。该电路可自动控制以降低系统功耗，并在每次充电时为用户提供更长的运行时间，而无需担心过度放电可能造成的损坏。由于电流消耗低，整个系统对测量结果的影响非常有限。因此，我们会在室温恒定放电电流下通过BQStudio直接从BQ34Z100-G1读取数据。图1所示为放电荷电状态测试结果。

提高能效的第二种方法是降低电流消耗。精确的测量参考设计引入了优化的偏置电源解决方案，如图2所示。

图2：整个系统偏置功率图

此设计利用我们新的LM5164作为辅助电源。该100 V LM5164是一款宽输入、低静态电流降压DC-DC转换器，可保护系统免受标称48 V电池的潜在瞬态影响，并为3.3 V微控制器（MCU）和BQ34Z100-G1供电。LM5164的输入由两个信号控制：来自BQ76940的REGOUT和来自MSP430™ MCU的SYS。这两个信号中的任何一个均为高电平，将导通Q1并启用LM5164的输入 - 从而启用MCU电源。电路板刚出厂且电池管理电路板首次通电时，它处于出厂模式。除BQ76940外，整个系统未上电，实现低至5-μA的出厂模式电流消耗。按下按钮S1将REGOUT设置为高电平并打开系统电源。当MCU上电时，它会将SYS设置为高电平。无论BQ76940处于关闭模式还是正常模式，整个系统都具有稳定的电源。

您需要打开MCU电源才能在待机模式下实现所有电动自行车的电池组功能，包括充电器连接/拆卸和负载连接/拆卸。Q1应该通电。要降低待机模式电流消耗，BQ76940通过I2C命令设置为关机模式。因此SYS为高电平，将Q1保持为通电状态。LM5164设置为低开关频率，以降低开关损耗，而MSP430 MCU处于低功耗模式。所有充电器连接/拆卸和负载连接/拆卸检测均通过固件实现。待机电流消耗通常为50μA，如图3所示。图4所示为主板的出厂模式电流消耗。

1，目前业界比较公认的锂电发展路线是什么？

    经过研发人员和工程师的不懈努力，从铅酸电池、镍氢电池、镍镉电池，走到磷酸铁锂电池，再到现在主流的三元电池，每一次的提升，都是一代人的努力，基于提升锂电池的安全性、能量密度、倍率性能，再结合目前电池研发现状，总结出了未来锂电池的一个发展路线。

    2020年是多阳离子电极，主要以NCM、NCA复合正极材料，负极以C以及部分硅碳复合为主，能量密度大概300-350wh/kg。

    2020-2025年，以全固态锂离子电池为主，金属锂负极或硅碳负极。能量密度400wh/kg，同时开发钠离子电池，钠比锂更加廉价，但比锂离子大，且存在液态记忆。

    2025年后，主要以锂硫电池-->锂金属电池-->>锂空气电池发展为主，这类电池，能量密度更高，材料的可取性也越来越方便，但目前存在较多难题，还需要继续去攻克，锂硫电池是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂电池。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。利用硫作为正极材料的锂硫电池，其材料理论比容量和电池理论比能量较高，分别达到 1675m Ah/g 和2600Wh/kg  ，远远高于商业上广泛应用的三元电池。并且硫是一种对环境友好的元素，对环境基本没有污染，是一种非常有前景的锂电池；锂金属电池，用锂金属箔来取代石墨，它可以容纳更多的离子，但通常锂金属箔与电解质会产生不良反应，从而导致电解质过热，甚至导致燃烧，这一技术能将当前锂电池的体积缩小一半，从理论上来说，如果电池体积不变，在搭载锂金属电池的情况下，电动汽车的续航里程将提升一倍；锂空气电池，是一种用锂作阳极，以空气中的氧气作为阴极反应物的电池。锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度，因为其阴极(以多孔碳为主)很轻，且氧气从环境中获取而不用保存在电池里，理论上，由于氧气作为阴极反应物不受限，该电池的容量仅取决于锂电极，其比能为5.21kWh/kg(包括氧气质量)，或11.4kWh/kg(不包括氧气)。

2，能量载体基本要求有哪些？

    （1）原子相对质量要小；

    （2）得失电子能力要强；

    （3）电子转移比例要高。

3，电池的主要指标有哪些？

    （1）容量；（2）能量密度；（3）充放电倍率；（4）电压；（5）寿命；（6）内阻；（7）自放电；（8）工作温度范围。

4，正极材料（LFP、NCM、LiCo等）特性有哪些？

    （1）较高的氧化还原反应电位，高输出电压；

    （2）锂元素含量高，能量密度高；

    （3）化学反应中结构稳定；

    （4）电导率高；

    （5）化学稳定性和热稳定性好，不易分解和反应；

    （6）价格便宜；

    （7）制作工艺相对简单，适合大规模生产；

    （8）对环境友好，污染低。

5，负极材料（Li、C、AL、钛酸锂等）特性有哪些？

    （1）层状结构或者隧道结构，利于脱嵌；

    （2）结构稳定，良好的充放电可逆性和循环性能；

    （3）锂离子尽可能多的插入和脱嵌；

    （4）氧化还原电位低；

    （5）首次不可逆放电容量低；

    （6）与电解质溶剂相容性较好；

    （7）价格低廉，材料易得；

    （8）安全性好；

    （9）环境友好。

6，提高电池能量密度的途径通常有哪些？

    （1）提高正负极活性物质占比；

    （2）提高正负极材料的比容量（克容量）；

    （3）减重瘦身。

7，如何提高锂离子电池的充放电倍率？

    （1）提高正负极的锂离子扩散能力；

    （2）提高电解质的离子电导率；

    （3）降低电池内阻（欧姆内阻和极化内阻）。

8，哪些因素影响锂离子电池的循环寿命？

    （1）负极金属锂沉积；

    （2）正极材料的分解；

    （3）SEI的形成和再次消耗；

    （4）电解质的影响，主要表现在：总量减少，有杂质存在 ，水渗入；

    （5）隔膜阻塞或破坏；

    （6）正负极材料脱落；

    （7）外部使用因素。

9，锂离子电池内部材料反应分解温度？

    （1）SEI膜分解，电解液放热反应，130℃；

    （2）电解质分解，产热，130℃-250℃；

    （3）正极材料分解产生大量气体和氧，180℃-500℃；

    （4）粘结剂和负极活性物质的反应，240℃-290℃。

一般由于过充、大倍率放电、内部短路、外部短路、振动、碰撞、跌落、冲击等造成短路，产生大量热和气体的一个过程。

10，未来最具潜力的几种锂电池材料

    （1）硅碳复合负极材料，能量密度高，产业化400wh/kg以上，但体积膨胀严重，循环差；

    （2）钛酸锂，循环10000次以上，体积变化＜1%，不形成枝晶，稳定性极好，可快速充电，但价格高，能量密度低，约170wh/kg；

    （3）石墨烯，可用于负极材料和正极添加剂，导电性极好，离子传输快，首效差，约65%，循环差，价格高；

    （4）富锂锰基电池，能量密度约900wh/kg，原材料丰富，但首效低，安全和循环差，倍率性能偏低；

    （5）NCM三元材料，一般在250wh/kg，配上硅碳负极，约在350wh/kg；

    （6）CNTs，碳纳米管，导电性能优越，优异的热传导性；

    （7）涂覆隔膜，基膜+PVDF+勃姆石，提高隔膜耐收缩性、热传导低，防止全部热失控；

    （8）高电压电解液，这个就不用说了，随着能量材料能量密度，电压也相应提高；

    （9）水性粘结剂，出于环境保护和健康。

结论

总之，参考设计实现了精确的荷电状态测量（通过BQ34Z100-G1），并降低了待机和出厂模式电流消耗（通过优化的偏置电源解决方案）。这两种解决方案共同提高了电动自行车电池组的能效，为用户提供了更长的使用时间。