電動車電池的研究進(jìn)展

史冊 劉姝

摘要：介紹了鋰離子電池、燃料電池、鋅一空氣電池、超級電容器，以及太陽能電池的性能和技術(shù)進(jìn)展;并在現(xiàn)有國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，分析了上述電池在電動汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：電動車;電池;性能;應(yīng)用

中圖分類號：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-5312（2018）24-0282-01

隨著社會的進(jìn)步和科技的發(fā)展，保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲日益高漲，電動車作為無污染的新型交通工具，近年來得到蓬勃發(fā)展，2017全球動力鋰離子電池總裝機(jī)量達(dá)到50GWh，中國占36GWh。電池是電動車的動力源，同時(shí)也是制約電動車發(fā)展的關(guān)鍵。目前供電動車使用的動力源主要有鋰離子電池、燃料電池、鋅空氣電池、超級電容器，以及太陽能電池，本文將簡要介紹這些電動車電池的研究進(jìn)展。

一、鋰離子電池

鋰離子電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的新型環(huán)保電池，工作電壓高且平穩(wěn)、循環(huán)壽命長，自放電率小，工作溫度范圍寬，無記憶效應(yīng)和環(huán)境污染。目前商業(yè)化的動力鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、三元材料NCM/NCA、磷酸鐵鋰等化合物，負(fù)極一般采用純石墨或者石墨/Si復(fù)合材料，電解質(zhì)為溶有鋰鹽的有機(jī)溶液或具有鋰離子導(dǎo)通能力的膠體。

為了確保動力電池的能量密度和安全性能，三元材料和磷酸鐵鋰目前應(yīng)用較廣泛。三元材料具有較高能量密度，但安全性稍差，主要應(yīng)用于新能源乘用車和貨車上。磷酸鐵鋰具有優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性，雖然其能量密度稍差，但考慮到安全系數(shù)，主要應(yīng)用于新能源客車上。鋰離子電池在電動汽車上的使用還有許多艱苦的工作，主要是純電動汽車和混合電動汽車上使用的電池?cái)?shù)量多、系統(tǒng)復(fù)雜，安全性難度更大，對可靠性和一致性的要求更高，以及價(jià)格太高。

二、燃料電池

早在1839年，英國人G.R.Grove就提出了氫和氧反應(yīng)發(fā)電的原理。20世紀(jì)60年代，由美國UTC公司首先用于航天和軍事領(lǐng)域。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它的基本化學(xué)原理是水電解反應(yīng)的逆過程，即氫氧反應(yīng)產(chǎn)生電、水和熱。它不需要燃燒、無轉(zhuǎn)動部件、無噪聲、運(yùn)行壽命長、可靠性高、維護(hù)性能好，實(shí)際效率能達(dá)到普通內(nèi)燃機(jī)的2至3倍，加之其最終產(chǎn)物又是水，真正達(dá)到清潔、可再生、無排放的要求。根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為堿性型、磷酸型、熔融碳酸鹽型、質(zhì)子交換膜型和固體氧化物型等幾種。目前只有質(zhì)子交換膜型燃料電池最適合電動汽車使用。

三、鋅-空氣電池

鋅空氣電池屬于半燃料電池，其正極是一個(gè)由催化層、防水層及金屬網(wǎng)集電器組成的空氣電極，負(fù)極為純鋅，電解質(zhì)是氫氧化鉀水溶液，鋅空氣電池的理論比能量為2000Wh/kg。

鋅-空氣電池雖然質(zhì)量比能量高，但電解液碳酸化、失水和吸潮、機(jī)械充電方式等都是較復(fù)雜的技術(shù)問題。此外，由于不是充電，而是添加金屬“鋅”，廢液處理成本也是其發(fā)展的瓶頸。鋅空氣電池比功率較低，不能輸出大電流，當(dāng)用于電動汽車時(shí)，車輛的啟動和加速性能不好，只能與其它蓄電池共同使用。新興的鋰-空氣電池、鋁-空氣電池，反應(yīng)機(jī)理與鋅-空氣電池類似。

四、超級電容器

超級電容器是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點(diǎn)。目前開發(fā)的超級電容器主要有以活性碳為正極與負(fù)極的雙電層超級電容、金屬氧化物超級電容和高分子聚合物超級電容。其巨大的優(yōu)越性表現(xiàn)為：功率密度高;循環(huán)壽命長;充電時(shí)間短;實(shí)現(xiàn)高比功率和高比能量輸出;儲存壽命長;可靠性高;可以任意串并聯(lián)使用。超級電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應(yīng)用作為電動汽車的動力源，可滿足電動汽車在起動、加速、爬坡時(shí)對功率的要求，而且在汽車制動回收再生電流時(shí)，可對短時(shí)大電流充電起緩沖作用。進(jìn)一步開發(fā)高比能量、高比功率、長壽命、低成本的超級電容器，是今后研發(fā)工作的重點(diǎn)。

五、太陽能電池

太陽能電池是借助于某種中間材料將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的裝置。太陽能汽車具有清潔、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，是真正的“零排放”交通工具。雖然部分機(jī)構(gòu)也已研制出了使用太陽能電池的電動汽車，但由于太陽能電池還存在光電轉(zhuǎn)換效率不高、價(jià)格太高、電池系統(tǒng)配置較復(fù)雜以及實(shí)用受天氣的限制等問題，對要求在各種環(huán)境下實(shí)用汽車來說，作為主電源利用的可能性不大，近期內(nèi)只能作為電動汽車的補(bǔ)充電源。但太陽能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應(yīng)用必將會取得長足的進(jìn)步。

六、結(jié)語

當(dāng)前電動車正處于發(fā)展高潮，對于電動車技術(shù)的全面發(fā)展，重中之重就在于能量存儲技術(shù)的提高。動力電池將向著高比能量、高可靠性、低成本、安全環(huán)保方向發(fā)展。