电动船锂电池技术现状及发展趋势
随着港口船舶废气排放标准越来越严格，常规的含硫燃油船舶已逐渐难以满足规范要求。电池船作为一种静音、环保、零排放的新型动力形式船舶，正逐渐受到行业关注。然而，受制于当前电池技术的发展以及居高不下的成本，目前已实船应用的电池船相对较少，且主要集中在功率较小的内河、内湖游船、渡船以及小型货船等。
铅酸蓄电池能量密度体低、重量大而且循环使用寿命短，目前少量应用在一些舒适度、安全性要求较高的小型游船。
锂电池相比铅酸蓄电池其循环使用寿命得到大幅提升，目前主流动力电池厂家锂电池标称使用循环次数高于3000次，相同容量锂电池重量约为铅酸电池的1/3。但其价格约为铅酸电池的2.5~3.2倍。锂电池船总建造成本相比常规柴油发电机船价格高出很多。高昂的价格限制了锂电池在大功率、长续航时间的船舶上的应用。为解决锂电池在船上的应用限制，有以下两种发展方向：电池材料突破和充电技术提高。
1锂离子电池技术
1.1 液态锂离子电池
锂离子电池在混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池混合动力汽车及军用车辆等领域得到了的应用，锂离子动力电池需求量快速上升。
锂离子电池按照电解质区分可分为两大类：采用有机电解液的传统锂离子电池和采用固态电解质的全固态锂电池。现阶段量产的电池主要为传统液态锂离子电池，按照电极材料体系划分可分为三元锂离子电池、磷酸铁锂电池和钛酸锂电池等。
三元锂离子电池、磷酸铁锂电池和钛酸锂电池的性能参数对比如表3所示。三元锂离子电池的能量密度高于磷酸铁锂电池和钛酸锂电池，安全系数一般；磷酸铁锂电池安全性较好，但能量密度适中；钛酸锂电池具有高安全系数，循环寿命长，而且具有较好的脉冲性能和低温性能，不足之处是能量密度较低。目前混合动力汽车使用的锂离子电池体系涵盖了各种锂离子电池。钛酸锂电池在轻混和高压混动系统领域具有较为明显的优势，三元锂电池的高能量密度有利于提高电动汽车的续航里程，在纯电动汽车领域具有优势。
目前商用的液态锂离子电池，续航里程和安全性均尚待进一步提高。液态锂离子电池在短路
电动车价格表
情况发生时释放大量热量，引燃有机电解液，产生爆炸隐患。有机电解液存在的问题还包括：电化学窗口有限，难以兼容金属锂负极和新研发的高电势正极材料；锂离子并非唯一的载流子，在大电流通过时，电池内阻会因离子浓度梯度的出现而增加（浓差极化），电池性能下降；工作温度有限（安全工作温度0～40℃）等。
表3 不同体系锂离子电池性能参数
电池体系
三元锂电池
磷酸铁锂电池
钛酸锂电池
电极材料
正极：NCM/NCA，负极：石墨
正极：LFP，负极：石墨
正极：NCM/NCA，负极：钛酸锂
平均工作电压（V）
3.65
3.2
2.25
单体能
量密度
质量（Wh/kg）
180
118
90
体积（Wh/L）
320
207
172
电池组
能量密度
质量（Wh/kg）
100
95
60
体积（Wh/L）
230
150
120
循环寿命
（80%容量保持率/次）
>2000
>1000
>25000
安全性
放电过程发热量大，温升大，耐高温性较差，安全系数一般
正极材料热稳定性较好，安全系数较高
循环过程中钛酸锂晶形结构稳定、无锂枝晶形成，放电发热量小，安全系数高
1.2 固态锂电池
固态锂电池是一种使用固体电极和固态电解质的电池。与液态锂离子电池相比，固态锂电池在提高能量密度、避免安全事故、延长使用寿命等方面具有很大的优势。主要体现在：1）与液态锂离子电池相比，全固态电池最突出的优点是安全性。固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，因而全固态电池具有固有安全性和更长的使用寿命。2）能量密度高。固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口，有利于进一步拓宽电池的电压范围。在发展大容量电极方面，固态电解质能阻止锂枝晶的生长，因而也就从根本上避免了电池的短路现象，使金属锂用作负极成为可能，从而获得更高的比能量。3）固态电池有望获得更高的功率密度。固态电解质以锂离子作为单一载流子，不存在浓差极化，因而可工作在大电流条件，提高电池的功率密度。4）固态材料内在的高低温稳定性，为全固态电池工作在更宽的温度范围提供了基本保证。
图3 锂离子电池发展路径
正是基于全固态锂电池突出的性能特点，世界各国，包括日本丰田汽车、韩国三星电子和德国KOLIBRI电池公司对全固态锂电池都表现出特别的兴趣，全固态锂电池作为下一代高安全性动力技术应用的迫切性已被认识，计划在2020年前后开始商业推广。图3为锂离子电池的发展路径图，从中可以看出，全固态电池技术可覆盖到锂硫电池、锂空气电池或锂金属电池相关的一些核心材料与关键技术，包括电池设计、高性能固态隔膜材料等。电池的质量比能量最终可提高到500Wh/kg以上。
全固态锂电池可分为聚合物全固态锂电池和无机全固态锂电池。
聚合物全固态锂电池：德国KOLIBRI电池公司为奥迪汽车开发出一款大容量的聚合物固态锂电池，电池里的单层组件呈片状，电池负极是石墨，正极是锂金属氧化物，电解质为PEO 基高分子固体电解质。KOLIBRI 电池高性能的基础是复杂的聚合物电解质膜技术，使电池具有了高度稳定性和高效率。这种电池的层状结构摒弃了液体电解质，降低了高电流输出时产生的热量，效率因此提高到了97％。电池总重约300 kg，可提供55 kW 的功率，相当于1.4 L 的汽油发动机，充电一次后，时速90 km 时，行驶距离达到600 km。
1.3 锂离子动力电池技术发展趋势
结合上述分析，小结如下：
1）在轻混和高压混动汽车等对高功率锂离子电池需求的应用领域，目前主要以镍氢电池为主，但呈现出锂离子电池逐渐替代镍氢电池的趋势。在插电式、增程式及纯电动车领域，以锂离子电池为主。
2）混合动力汽车使用的锂离子电池体系涵盖了各种锂离子电池。三元锂离子电池、磷酸铁锂电池及钛酸锂电池，在不同的混合动力电池领域具有自身的优势。
3）全固态锂电池相比液态锂离子电池具有高能量密度、高安全性等优点，目前，包括丰田、三星等正进行全固态锂电池的技术攻关研制，并计划在2020年前后开始商业推广。
5.2 固态锂电池发展
结合锂离子电池技术特点和发展趋势可知：与目前商业化的传统液态锂离子电池相比，固态锂电池在提高能量密度、避免安全事故、延长使用寿命等方面具有很大的优势，作。目前固
态锂电池处于研制阶段，作为下一代新能源汽车电池具有极高的商业化应用前景。我所十三五装备预研项目《新材料体系潜艇锂离子动力电池技术研究》，研究目的为提供舰船用高安全性全固态锂电池。
固态锂电池的发展：以装备预研项目为牵引，重点开展固态锂电池的研究工作。在固态锂电池研制的基础上，结合BMS技术，掌握固态锂电池组技术，应用领域涵盖新能源汽车及舰船领域。