純電動(dòng)車電池的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

趙鴻濱

(新鄉(xiāng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南新鄉(xiāng)453000)

純電動(dòng)車電池的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

趙鴻濱

(新鄉(xiāng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南新鄉(xiāng)453000)

介紹了純電動(dòng)車對(duì)動(dòng)力電池的要求。分析了幾種常用的純電動(dòng)車動(dòng)力電池、電池的主要特性以及電池的關(guān)鍵材料(正極材料、負(fù)極材料、電解液等)。闡述了純電動(dòng)車電池的發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望。

純電動(dòng)車電池；關(guān)鍵材料；正極材料

電動(dòng)汽車，顧名思義就是主要采用電力驅(qū)動(dòng)的汽車，其難點(diǎn)在于電力儲(chǔ)存技術(shù)。隨著全球汽車持有量的不斷增加，一方面燃油大量消耗引起的能源危機(jī)變得日益嚴(yán)重，另一方面汽車尾氣排放引起環(huán)境污染的程度也越來越嚴(yán)重。人們只有通過技術(shù)探索，尋找替代能源，降低排放，才能緩解汽車需求與環(huán)境保護(hù)的矛盾。電動(dòng)汽車采用電能取代石油等化石燃料作為動(dòng)力，是未來交通的唯一的長(zhǎng)遠(yuǎn)解決方案。

純電動(dòng)車是完全依靠動(dòng)力蓄電池作為動(dòng)力源，并以電動(dòng)機(jī)與電機(jī)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的汽車。純電動(dòng)車不使用液體燃料，沒有發(fā)動(dòng)機(jī)，沒有污染尾氣的排放管，是近年來“綠色出行”的最佳選擇。純電動(dòng)車省去了油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、冷卻系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)燃汽油發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其電動(dòng)機(jī)和控制器的成本更低，且能量轉(zhuǎn)換效率更高。從世界各國(guó)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)來看，發(fā)展電動(dòng)汽車已被普遍確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟(jì)的重要途徑，而純電動(dòng)車更是電動(dòng)汽車發(fā)展的終極目標(biāo)。

1 純電動(dòng)車對(duì)動(dòng)力電池的要求

電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，當(dāng)前與電動(dòng)汽車相關(guān)的研究熱點(diǎn)有許多，其中電動(dòng)汽車電池技術(shù)被視為最主要的難關(guān)。電池的好壞一方面決定著電動(dòng)汽車的成本，另一方面決定著汽車的行駛里程，這兩方面是電動(dòng)汽車與傳統(tǒng)燃油汽車區(qū)別競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵，因此開發(fā)出性價(jià)比高的動(dòng)力電池對(duì)電動(dòng)汽車的未來發(fā)展至關(guān)重要。尤其是在純電動(dòng)車上，蓄電池作為其唯一的動(dòng)力源，地位更加重要。

為滿足純電動(dòng)車的動(dòng)力性能、使用安全性以及經(jīng)濟(jì)性的要求，先進(jìn)的動(dòng)力電源系統(tǒng)原則上需要具備以下特點(diǎn)[1]：

(1)比能量高。使用比能量高的電池體系有助于降低動(dòng)力電池的質(zhì)量和體積，提高電動(dòng)汽車的有效載荷，乃至它的一次充電續(xù)航里程。

(2)比功率大。比功率越高，單位時(shí)間內(nèi)電池的輸出能量越大，電動(dòng)汽車的加速性能越優(yōu)越。

(3)循環(huán)使用壽命長(zhǎng)。循環(huán)壽命越長(zhǎng)，電池在正常使用周期內(nèi)制成電動(dòng)汽車形式的里程數(shù)就越多，越有助于降低車輛使用周期內(nèi)的運(yùn)行成本。

(4)可靠性高。

(5)安全性好。能夠有效避免因泄露、短路、撞擊、顛簸等引起的起火爆炸等危險(xiǎn)事故發(fā)生，確保汽車在正常行駛乃至非正常行駛過程中的安全。

(6)高低溫性能好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。電動(dòng)汽車要求電池不僅能夠適應(yīng)北方冬天極冷的氣溫，也要能在南方夏天炎熱的環(huán)境下工作。即使在最極端的環(huán)境下，電池也要穩(wěn)定工作。因此，要求電池具有良好的高低溫性能。

(7)自放電率低。

(8)價(jià)格低廉。制造電池的材料應(yīng)該來源豐富，電池制造成本低，以降低整車價(jià)格，提高電動(dòng)汽車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(9)綠色環(huán)保。要求電池制作的材料與環(huán)境友好、無二次污染，并可再生利用。

2 電動(dòng)汽車常用動(dòng)力電池

電動(dòng)車的發(fā)展過程中出現(xiàn)過多種不同類型的電池，其中產(chǎn)生巨大影響并商業(yè)化使用至今的電動(dòng)汽車電池主要有鉛酸電池和鋰離子電池[2]。

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負(fù)極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池自1859年誕生以來，已經(jīng)歷了150多年的發(fā)展歷程，在交通、通信、電力、軍事、航海、航空等眾多領(lǐng)域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。

鉛酸電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1列舉了鉛酸電池組件材料及其作用。

鉛酸電池的主要特性為：

(1)安全密封：在正常操作中，電解液不會(huì)從電池的端子或外殼中泄露出。

(2)沒有自由酸：特殊的吸液隔板將酸保持在內(nèi)，電池內(nèi)部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置。

(3)泄氣系統(tǒng)：電池內(nèi)壓超出正常水平后，鉛酸電池會(huì)放出多余氣體并自動(dòng)重新密封，保證電池內(nèi)沒有多余氣體。

(4)維護(hù)簡(jiǎn)單：由于獨(dú)一無二的氣體復(fù)合系統(tǒng)使產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化成水，在使用鉛酸電池的過程中不需要加水。

(5)使用壽命長(zhǎng)：采用了有抗腐蝕結(jié)構(gòu)的鉛鈣合金欄板，鉛酸電池可浮充使用10～15年。

(6)質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高：采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制系統(tǒng)，鉛酸電池的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠，電壓、容量和密封在線上進(jìn)行100%檢驗(yàn)。

圖1 鉛酸電池結(jié)構(gòu)

表1 鉛酸電池組件材料與作用分析

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是Li+在正負(fù)極之間反復(fù)進(jìn)行脫出和嵌入的一種高能二次電池，是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池。鋰離子電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括石墨陽(yáng)極、鋰離子金屬氧化物構(gòu)成的陰極和電解液。其工作原理如圖2所示。

圖2 鋰離子電池工作原理

作為一種新型的化學(xué)電源，鋰離子電池具有如下優(yōu)勢(shì)：?jiǎn)误w電池工作電壓高，組成電池組時(shí)一致性要求相比鉛酸電池和氫鎳電池偏低，電池的使用壽命可以提高；電池質(zhì)量輕、必能量大，使得整車質(zhì)量減小且行駛里程增加；電池循環(huán)壽命長(zhǎng)，可以達(dá)到鉛酸電池的2～3倍；自放電率低，每月低于5%；工作范圍寬、低溫特性好、無記憶效應(yīng)、無污染等。

電池材料的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性決定了電池的性能，理想的電動(dòng)車用鋰離子電池材料應(yīng)具備以下特性：

(1)具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的嵌入和脫出，從而保證鋰離子電池的循環(huán)壽命。

(2)充放電過程中，應(yīng)該有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出，使電極具有較高的電化學(xué)容量。

(3)在鋰離子進(jìn)行嵌入和脫出時(shí)，電池具有平穩(wěn)的充放電電壓。

(4)鋰離子應(yīng)具有較大的擴(kuò)散系數(shù)，以減少極化造成的能量損耗，從而保證電池具有較好的快速充放電性能。

(5)比較重要也是關(guān)鍵性的一點(diǎn)：材料價(jià)格應(yīng)該便宜，對(duì)環(huán)境無污染，質(zhì)量輕且可回收。

鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三原材料等，負(fù)極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。

正極材料的性能極大程度上影響著電池的性能，與此同時(shí)，正極材料也直接決定著電池成本的高低，鋰離子電池正極材料的發(fā)展引領(lǐng)了鋰離子電池的發(fā)展。作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，目前較受關(guān)注的有錳酸鋰和磷酸鐵鋰，圖3、圖4是這兩種材料的結(jié)構(gòu)示意圖，表2是這兩種材料的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析。

圖3 錳酸鋰結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)示意圖

表2 錳酸鋰與磷酸鐵鋰優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

3 純電動(dòng)車電池前景展望

鉛酸電池雖然便宜，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動(dòng)力源應(yīng)用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環(huán)次數(shù)仍存在嚴(yán)重的限制。未來使用鉛酸電池來驅(qū)動(dòng)在高速公路上行駛的電動(dòng)汽車是不實(shí)際的，但價(jià)格優(yōu)勢(shì)使其在輕度混合或者短途行駛的電動(dòng)汽車(如觀光車)中仍占一席之地。

目前市場(chǎng)上的動(dòng)力電池中，鋰離子電池的性能最好，同質(zhì)量的鋰離子電池其能量是鉛酸電池的4～6倍，是氫鎳電池的2～3倍。對(duì)于鋰離子電池技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是繼續(xù)擴(kuò)大電池容量，同時(shí)保證安全性和循環(huán)次數(shù)不受影響，并降低成本?，F(xiàn)階段車用動(dòng)力電池多數(shù)仍停留在價(jià)格相對(duì)便宜的鉛酸電池等傳統(tǒng)產(chǎn)品上，但隨著技術(shù)突破和生產(chǎn)成本下降，鋰電池質(zhì)輕、續(xù)航里程長(zhǎng)以及高能量密度和高輸出功率的優(yōu)勢(shì)將逐漸浮現(xiàn)。長(zhǎng)期來看，鋰離子電池是未來車用動(dòng)力電池的首選技術(shù)，整車廠與鋰離子電池生產(chǎn)廠商合作共同開發(fā)電池系統(tǒng)是必然趨勢(shì)[3]。

[1]宋永華，陽(yáng)岳希，胡澤春.電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(4)：1-7.

[2]胡信國(guó)，王殿龍，戴長(zhǎng)松.動(dòng)力電池材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]邱綱，陳勇，李東.電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，24(4)：41-44.

Developing situation and prospects of EV batteries

ZHAO Hong-bin

The problem of energy and the conjuncture of environment were the two weightily tasks nowadays and in the future.The problems were partly solved by the appearance of EV.The requirements of EV on batteries were introduced.Several kinds of EV batteries,their main characteristics and the key materials(anode materials,cathode materials and electrolyte)were analyzed.The developing situation and prospects of EV batteries were elaborate.

EV batteries;key materials;anode materials

TM 912

A

1002-087 X(2015)03-0631-02

2014-11-20

趙鴻濱(1977—)，女，河南省人，本科，工程師。