電動(dòng)汽車電池現(xiàn)狀與發(fā)展概述

趙恒

摘 要：電動(dòng)汽車，是一種主要采用電力驅(qū)動(dòng)的汽車。簡(jiǎn)述了電動(dòng)汽車電池作為新型環(huán)保型動(dòng)力源電池的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，主要介紹了鉛酸蓄電池，氫鎳電池，以及鋰離子電池這三種已經(jīng)商業(yè)化的電池，集中講述了它們的主要特性以及發(fā)展方向，并闡述了電動(dòng)汽車電池的前景展望，以更好地了解電動(dòng)汽車電池行業(yè)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車電池；鉛酸蓄電池；氫鎳電池；鋰離子電池

中圖分類號(hào)：F27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.33.054

1 前言

在現(xiàn)代化的今天，汽車已由一種奢侈品變?yōu)橐环N生活必需品。然而汽車的發(fā)展卻帶來(lái)一系列的問(wèn)題。據(jù)有效統(tǒng)計(jì)，全球汽車持有量依舊在持續(xù)增加，汽車數(shù)量的日益龐大，一方面使由于燃油等不可再生能源的大量消耗而引起的能源危機(jī)變得越來(lái)越嚴(yán)重，另一方面更使得汽車尾氣排放所造成的環(huán)境污染的程度變得越來(lái)越不能忽視。為了有效緩解這一問(wèn)題，目前許多國(guó)家把拓展電動(dòng)汽車領(lǐng)域提上了日程。電動(dòng)汽車是一種主要采用電力驅(qū)動(dòng)的汽車。它作為一種高效率、無(wú)污染的新型汽車，將不使用任何液態(tài)式燃料，沒(méi)有發(fā)動(dòng)引擎裝置，更不會(huì)產(chǎn)生污染性的汽車尾氣，是一種純“綠色”的出行工具，其作用已經(jīng)在人們的日常生活中越來(lái)越重要。

2 電動(dòng)汽車動(dòng)力電池

一種交通工具最重要的組分是它的動(dòng)力系統(tǒng)，電動(dòng)汽車也不例外。電動(dòng)車電池的質(zhì)量，不僅對(duì)電動(dòng)汽車的成本有著決定性的作用，而且對(duì)汽車的行駛里程有著非常重要的影響。能否在成本和行駛里程這兩方面取得突破性進(jìn)展是電動(dòng)汽車能否贏得與傳統(tǒng)燃油汽車競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵。因此，開發(fā)出能夠滿足人類日常生活需求的高性價(jià)比電池對(duì)電動(dòng)汽車的未來(lái)發(fā)展至關(guān)重要。

目前來(lái)講，電池車電池領(lǐng)域依舊具有很大的發(fā)展空間。在確保汽車的安全性、經(jīng)濟(jì)性原則的基礎(chǔ)上，為了提升電動(dòng)汽車的性能，動(dòng)力電池通常需要滿足以下條件：

（1）高比能量、高比功率：高比能量意味著在相同的質(zhì)量和體積下電池能攜帶更多的能量，能提高電池的單次行駛里程。而高比功率意味著良好的汽車動(dòng)力性能和較高的最大速度。

（2）循環(huán)性能優(yōu)異：電動(dòng)汽車的最大行駛里程不僅取決于單次行駛里程，還取決于電池的循環(huán)次數(shù)。優(yōu)異的循環(huán)性能能提高電池的使用壽命，降低電動(dòng)汽車的平均使用成本。

（3）可靠性高，安全性好：一個(gè)安全性能好的電池要能夠在正常行駛時(shí)不燃燒，不爆炸。在非正常條件下也要能保證使用者的安全。

（4）綠色環(huán)保：電動(dòng)汽車電池要在生產(chǎn)、使用和回收階段做到對(duì)環(huán)境基本無(wú)污染，材料最好可以回收利用。

（5）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。電池要能應(yīng)對(duì)各種極端環(huán)境，如高溫、低溫、沙塵暴等。

（6）價(jià)格低廉。電動(dòng)汽車要想被大眾接受，電池價(jià)格必須低廉，原材料最好有豐富的儲(chǔ)量。

雖然人們對(duì)于電動(dòng)車電池的要求非常具體，但目前能同時(shí)滿足以上要求的電動(dòng)汽車電池還未研制成功?；诖耍疚膶⒅饕榻B鉛酸蓄電池、氫鎳電池、鋰離子電池這三種目前已商業(yè)化的電池。表1為三種電池的綜合性能比較。

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池于1860年被研制出來(lái)，是一種有一百多年歷史的電池，其電池總反應(yīng)方程式如下：

2PbsO4+2H2OchangedischargePbO2+Pb+2H2SO4

鉛酸蓄電池的正極材料是PbO2，負(fù)極材料主要是鉛，電解質(zhì)則采用硫酸。

從最初的開口式鉛酸蓄電池到閥控式鉛酸蓄電池再到最近正在研制的新型鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池正一步步地發(fā)展和改進(jìn)?，F(xiàn)在質(zhì)量比能量已經(jīng)可以達(dá)到30-40Wh/kg，循環(huán)次數(shù)已經(jīng)達(dá)到500次。鉛酸蓄電池的主要特點(diǎn)是安全密封，沒(méi)有自由酸，有一個(gè)泄氣系統(tǒng)，維護(hù)簡(jiǎn)單，可靠性高，并具有技術(shù)成熟，價(jià)格低廉，安全性好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，不容忽視的是比能量低，循環(huán)次數(shù)少，充電慢，未有效回收的廢棄電池對(duì)環(huán)境影響大等主要缺點(diǎn)。目前鉛蓄電池攻關(guān)的主要方向是克服上述缺點(diǎn)。

目前國(guó)際上對(duì)于鉛酸蓄電池的研究比較多，主要包括：（1）卷繞式鉛酸電池：把正極，負(fù)極，隔板交替放置并繞在一起形成的電池；（2）水平鉛布式鉛酸電池：采用復(fù)合材料制成，擁有水平雙極結(jié)構(gòu)、重量輕、強(qiáng)度高、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)；（3）雙極性鉛酸蓄電池：擁有將正極與負(fù)極合并的雙極性板，能顯著減少鉛的消耗量。

2.2 氫鎳電池

氫鎳電池是前些年研制出的一種新型無(wú)污染電池，于20世紀(jì)末開始進(jìn)行規(guī)?；a(chǎn)，其電極反應(yīng)方程式如下：

MH+NiOOHchangedischargeM+Ni（OH）2

它的正極材料為NiOOH，負(fù)極材料為金屬氫化物，通常會(huì)使用貴金屬催化劑，電解質(zhì)為KOH水溶液。

氫鎳電池具有高比能量（其比能量約為鉛酸蓄電池的2倍），高比功率，質(zhì)量輕，體積小等優(yōu)點(diǎn)，但是它的缺點(diǎn)也很明顯。氫鎳電池不耐高溫，工作溫度一般不超過(guò)50℃，充電時(shí)和使用時(shí)溫度過(guò)高會(huì)嚴(yán)重影響電池的容量和使用壽命。除此之外，氫鎳電池還有內(nèi)阻較大，自放電率高（30%），成本較高等不足，這些都是阻礙氫鎳電池進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。

為了解決氫鎳電池存在的問(wèn)題，許多企業(yè)投入大量資金研發(fā)新型氫鎳電池。其中比較成熟的是日本松下公司的氫鎳電池，其部分指標(biāo)如下，電壓：12V；容量：100Ah；比能量70Wh/kg。

雖然氫鎳電池有一些不足，但它清潔無(wú)污染、沒(méi)有記憶效應(yīng)、輸出功率較高，這些優(yōu)點(diǎn)能讓電動(dòng)汽車有更好的加速性能。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池是近年開發(fā)的新型高性能電池，已被廣泛應(yīng)用為移動(dòng)設(shè)備電源，其反應(yīng)方程式如下：

LiC6+CoO2changedischarge6C+LiCoO2（以鈷酸鋰為例）

它的正極材料為鈷酸鋰或錳酸鋰，也有電池用磷酸鐵鋰。負(fù)極活性物質(zhì)為石墨，電解質(zhì)為有機(jī)溶劑，還有一個(gè)只允許鋰離子通過(guò)的高分子薄膜。

20世紀(jì)70年代，科學(xué)家發(fā)明了金屬鋰電池，但這種電池循環(huán)性能很差，安全性不高，易產(chǎn)生鋰枝晶，后來(lái)發(fā)明了鋰離子電池。鋰離子電池?fù)碛泻芨叩谋饶芰?，所以與相同容量的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池的體積和質(zhì)量要小很多。它的循環(huán)壽命超過(guò)了1000次，是鉛酸電池的兩倍以上，也高于氫鎳電池。同時(shí)，它還具有自放電率小，沒(méi)有記憶效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)。使用鋰離子電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源將顯著降低汽車的整體重量，增加電動(dòng)汽車的行駛里程。然而將鋰離子電池汽車大規(guī)模投放市場(chǎng)需要首先解決兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)是鋰離子電池的安全性問(wèn)題，另一個(gè)是鋰離子電池的價(jià)格問(wèn)題。

鋰離子電池有很高的能量密度，一旦正負(fù)極物質(zhì)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)（短路），那么原本用來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車行走的能量將轉(zhuǎn)化為熱量，使電池?zé)崾Э?，再加上有機(jī)電解質(zhì)具有易燃易爆的性質(zhì)，這使鋰離子電池的安全性飽受質(zhì)疑。鋰離子電池按電解質(zhì)不同分為兩種，一種采用固體聚合物電解質(zhì)，一種采用膠體電解質(zhì)。使用固體聚合物電解質(zhì)可以避免漏液，提高電池的安全性，還可以避免鋰枝晶的生成，但是固體電解質(zhì)離子導(dǎo)電率不高，這是使用固體聚合物電解質(zhì)的電池難以克服的障礙。膠體電解質(zhì)的離子導(dǎo)電率高于固體聚合物電解質(zhì)，這賦予膠體電解質(zhì)電池更大的優(yōu)勢(shì)。不過(guò)凝膠狀態(tài)的膠體電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度不高，穩(wěn)定性不強(qiáng)，工藝也不成熟，要實(shí)現(xiàn)實(shí)用化還有很長(zhǎng)的路要走。

限制鋰離子電池大規(guī)模使用的另一個(gè)因素是昂貴的價(jià)格。鋰離子電池的價(jià)格是鉛酸蓄電池的5倍左右，因此生產(chǎn)出來(lái)的鋰離子電動(dòng)車很難被消費(fèi)者普遍接受。不過(guò)價(jià)格昂貴主要是鋰離子電池工藝不成熟造成的，一旦鋰離子電池工藝成熟，價(jià)格會(huì)逐漸開始為消費(fèi)者接受。

目前鋰離子電池的研究熱點(diǎn)很多，除了改進(jìn)電解質(zhì)外還有對(duì)電池正負(fù)極材料的研究。正負(fù)極材料影響電池的成本，使用壽命，安全性……目前負(fù)極材料中石墨仍然是居于主要地位，其他的處于研究階段的還有硅基負(fù)極，氧化物負(fù)極，鈦酸鋰等。正極材料除鈷酸鋰、錳酸鋰外還有磷酸釩鋰，聚合物電極等。

綜合比較來(lái)看，鉛酸蓄電池是目前最為成熟的一種電池，由于其成本較低，工藝成熟，短時(shí)間內(nèi)很難被完全取代，但長(zhǎng)遠(yuǎn)看來(lái)鉛酸蓄電池因鉛礦資源短缺等原因價(jià)格將會(huì)上升，低成本優(yōu)勢(shì)不存，而污染大且較低的比能量、比功率將進(jìn)一步制約鉛酸蓄電池的發(fā)展。氫鎳電池具有低于鉛酸蓄電池的價(jià)格，但其與比能量比功率低于鋰離子電池，且自身存在自放電率高的問(wèn)題，導(dǎo)致其不會(huì)擁有很高的市場(chǎng)份額。不同于前兩種電池，鋰離子電池的市場(chǎng)占有率在逐年上升，它的高比能量、高比功率、長(zhǎng)循環(huán)壽命受到各家公司的青睞，但鋰離子電池要實(shí)現(xiàn)最大市場(chǎng)化必須要解決安全性和價(jià)格這兩大問(wèn)題。目前來(lái)講，鋰離子電池是最適合電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池。

3 電動(dòng)汽車電池展望

電動(dòng)汽車從無(wú)到有發(fā)展迅速，相應(yīng)的配套設(shè)施也在建設(shè)之中，但是因?yàn)榧冸妱?dòng)汽車在性能上還不盡如人意，無(wú)法和燃油汽車競(jìng)爭(zhēng)，因此目前市面上的電動(dòng)汽車大多數(shù)是混合動(dòng)力車。在大氣污染嚴(yán)重的今天，混合動(dòng)力車盡管無(wú)法做到零污染，但其污染和能耗要遠(yuǎn)小于純?nèi)加推嚕移湫阅芤部梢院腿加推囨敲?。目前，很多地方都在?duì)這種混合動(dòng)力車進(jìn)行補(bǔ)貼，使市場(chǎng)上混合動(dòng)力汽車的銷售業(yè)績(jī)逐漸上揚(yáng)。純電動(dòng)汽車將是解決石油資源匱乏問(wèn)題的最有效的工具之一，我們有理由相信，電動(dòng)汽車及其電池也將會(huì)有更大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1]徐保伯，劉務(wù)華，劉怡等.電動(dòng)自行車的發(fā)展及其動(dòng)力電池的選擇[J].電池工業(yè)，2003，8（5）：200-203.

[2]郭自強(qiáng).長(zhǎng)壽命電動(dòng)自行車用閥控鉛酸蓄電池[J].電池工業(yè)，2007，12（5）：291-293.

[3]陳立泉.混合電動(dòng)車及其電池[J].電池，2003，30（3）：98-100.