電動汽車動力電池發(fā)展淺析

（保定長安客車制造有限公司 073000)

目前，能源危機和環(huán)境安全是全世界面臨的共同問題[1]，我國交通燃油消費總量占社會燃油消費總量的50%以上，但石油對外依存度約占65%，這使得我國能源隱患更為凸顯。隨著歐洲多國陸續(xù)發(fā)布禁售燃油車時間表，我國也制定出明確的禁售燃油車時間，這加快了車企轉(zhuǎn)型做新能源電動汽車的節(jié)奏。

電動汽車是指以車載電源為動力，用電機驅(qū)動車輪行駛，符合道路交通、安全法規(guī)各項要求的車輛。按照車載電源的不同可分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車3大類[2]。

動力電源是電動汽車的心臟，電動汽車的核心競爭力就是動力電池性能的優(yōu)勢。綜合電動汽車加速、爬坡及續(xù)駛里程等動力性能與使用情況[3]，對動力電池的容量、比能量、比功率、循環(huán)壽命和充放電倍率等技術(shù)參數(shù)[4]提出了較高要求，這就為動力電池發(fā)展指明了方向。

1 鉛酸蓄電池

作為第1代電動汽車使用的動力電源，自1859年P(guān)lante發(fā)明鉛酸電池至今已有140多年歷史[5]。除在燃油汽車中做起動電源外，由于其安全耐用、價格低廉和大電流放電性能良好，曾在被發(fā)明后的一個世紀(jì)里作為電動汽車動力電源的首選方案。在試驗過程中，不斷對結(jié)構(gòu)、工藝、材料等技術(shù)方面的改進(jìn)，使得該電池性能得到了大幅度提升。

鉛酸電池單體可用電壓范圍1.5～2.4 V，常以12 V、24 V和36 V不同組合，靈活進(jìn)行PACK組裝，適用于不同電壓平臺的電動汽車上。但實際應(yīng)用中，也暴露出來一些缺點。例如，國內(nèi)生產(chǎn)的幸福使者電動車，動力電源就采用該款電池，其最高車速為50 km/h，最大爬坡度為20%，一次充電后續(xù)駛里程只有80 km，雖基本滿足城市小范圍內(nèi)代步需求，但大范圍推廣卻因續(xù)駛里程短受到限制。

鉛酸電池能量密度偏小，質(zhì)量比能量在35～45 Wh/kg內(nèi)，不僅因增加動力電池自重且還導(dǎo)致整車自重過大，造成部分電能消耗在車輛自重方面，大大降低整車運行效率。同時，也為電動汽車整車輕量化設(shè)計增加難度。在無形中增加了電池充電次數(shù)，頻繁充電不僅會降低電池使用壽命，還縮短車輛一次充電后的續(xù)駛里程，增加維護(hù)、更換電池頻率及車輛整體維護(hù)費用。更為嚴(yán)重的問題是，鉛酸電池在生產(chǎn)和報廢處理過程中，有可能產(chǎn)生鉛污染[6]。

2 鎳基蓄電池

作為第2代動力電池的鎳基蓄電池屬堿性電池，其中包含鎳鎘、鎳氫、鎳鋅等鎳金屬氫化物電池。

20世紀(jì)80年代初，鎳基蓄電池才用于電動汽車上。雖然，電池單體可用電壓范圍在1.2～1.45 V，但在比功率、比能量及循環(huán)壽命比鉛酸蓄電池更具有優(yōu)勢。

鎳鎘蓄電池比能量是鉛酸蓄電池的1.6倍，達(dá)到55 Wh/kg，不僅有利于減輕整車自身重量，而且提升電動汽車一次充電后續(xù)航里程，也能在5C、10C大倍率情況下9 min內(nèi)釋放80%容量，有利于電動汽車起動[7]和加速。鎳氫電池充放電次數(shù)可達(dá)500次以上，大大提升電動汽車動力電池使用年限。

此類蓄電池的價格大概是鉛酸蓄電池5倍，但存在記憶效應(yīng)[8]，電池在幾次低容量下的充放電之后，如要進(jìn)行一次較大容量的充放電，電池將無法正常工作。此類蓄電池還存有一個弊端——材料中含重金屬鎘，一旦泄露就產(chǎn)生生態(tài)污染，且在《汽車禁用物質(zhì)要求》中明確指出禁用鎘或其化合物。故此，世界范圍內(nèi)很多發(fā)達(dá)國家都已對鎳鎘蓄電池的生產(chǎn)進(jìn)行限制，在我國也基本淘汰鎳鎘電池作為電動汽車動力電池。

鎳氫蓄電池[9]是在鎳鎘電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因此許多基本特性與鎳鎘電池相似，且不存在重金屬污染問題，是一種環(huán)保型鎳金屬電池，被稱為“綠色電池”。

鎳氫蓄電池比功率在160～500 W/k g內(nèi)，比能量55～70 Wh/kg，循環(huán)次數(shù)已破1000次，可以承受4C充電及8C放電。鎳氫蓄電池性能穩(wěn)定、質(zhì)量比功率、體積比功率及電池循環(huán)次數(shù)達(dá)美國先進(jìn)電池聯(lián)合會（USA BC）性能指標(biāo)，豐田公司于1997年推出RAV4-EV純電動汽車就是使用288V鎳氫蓄電池搭建電壓平臺，最高時速可達(dá)125 km/h，續(xù)駛里程為220 km，滿足顧客基本使用需求。

但是，鎳氫蓄電池在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，存在價格高、每月自放電大[10]、均一性較差問題，尤其在高倍率及電池容量上的差距較大，實際性能和實際需求間仍有一定差異，這些問題都會在電池實際應(yīng)用中起到阻礙作用。

3 鋰離子電池

鋰離子電池是上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的容量較高的可充電電池，不存在記憶效應(yīng)也無環(huán)境污染。最關(guān)鍵的是該類型蓄電池單體可用電壓范圍提升到3.6～4.2 V，是鉛酸蓄電池和鎳基蓄電池的3倍以上，很大程度上方便電動汽車高電壓平臺的搭建。其比能量高于鎳基蓄電池，可達(dá)120～150 Wh/kg，明顯優(yōu)于鎳基蓄電池。目前，鋰離子電池已是世界范圍內(nèi)各國家能量儲存技術(shù)研究領(lǐng)域當(dāng)中的熱點[11]。

根據(jù)正極材料的不同，鋰離子電池可分為錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池、鈷酸鋰離子電池和三元材料鋰離子電池。《中國新能源汽車動力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告（2017）》中數(shù)據(jù)表明，目前，磷酸鐵鋰鋰離子電池以140 Wh/kg能量密度、安全性能好、能夠在15 min可以完成80%的快充電優(yōu)勢，多用于在上市的純電動汽車中，同時，在純電動客車上也得到了廣泛的應(yīng)用。但是，磷酸鐵鋰鋰離子電池導(dǎo)電性差、能量密度偏低這限制了電動汽車?yán)m(xù)駛里程。三元電池的能量密度卻高于磷酸鐵鋰電池23%～46%，既提高了電動汽車?yán)m(xù)駛里程又方便車輛輕量化設(shè)計。

鋰離子電池實際應(yīng)用中暴露的缺點是，在充電電量及儲存溫度不同情況下，容量會呈現(xiàn)一種逐步下降趨勢。另一缺點是，大電流放電性能比較差，實際表現(xiàn)為汽車爬坡中出現(xiàn)動力不足。

4 燃料電池

自“燃料之父”Willian Robert Grove發(fā)表了“氣體電池”的原始模型，就為燃料電池的誕生奠定了理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代以后，制氫技術(shù)得到很大提升，氫燃料電池才被應(yīng)用于發(fā)電和汽車領(lǐng)域中[12]。燃料電池作為電動汽車的動力電源是在20世紀(jì)90年代初期，由于環(huán)保性好、響應(yīng)速度、快效率高、起動快等優(yōu)點，引起新能源電動汽車研究人員高度重視。

燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學(xué)能通過電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置，只產(chǎn)生熱和水，不會造成環(huán)境污染。電動汽車在啟動、運行中，燃料電池不會產(chǎn)生機械振動，所以運行平穩(wěn)性得到大幅度提升。在實際運行中，基本上不會產(chǎn)生任何太大聲響，只有55 dB接近人類日常說話聲音。按其電解質(zhì)不同，可分為磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池，無論在電動轎車還是電動公交車上，均能看到燃料電池身影。

我國的燃料電池電車發(fā)展較晚，2001年，通用汽車開發(fā)的“氫動三號”燃料電動汽車就是使用的質(zhì)子交換膜燃料電池，最大輸出功率為60 kW，最高時速達(dá)130 km/h，一次加氫后續(xù)駛里程達(dá)270 km，百公里加速時間為13 s。2003年亮相的同濟(jì)大學(xué)研發(fā)的“超越一號”——我國第一輛燃料電池動力樣車，最高時速105.8 km/h，續(xù)航里程231 km，從0～80 km/h加速時間為15.4 s[13]。

然而，氫燃料電動汽車壽命短，車輛只能運行2500 h左右就需更換電池；電池成本高，電催化劑、質(zhì)子交換膜關(guān)鍵材料依托進(jìn)口；與之配套的加氫站較少。

我國在加快新能源汽車發(fā)展的同時，各大車企都要秉著以減少汽車對生活環(huán)境的污染、減輕汽車產(chǎn)業(yè)對自然的污染為前提，再基于客戶需求采用電動汽車動力電池類型。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王鑫澤,王海,趙昌明.新能源汽車的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景探討[J].農(nóng)業(yè)工程與能源.2017,(2)：179.

[2]GB/T 19596-2004電動汽車術(shù)語[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004.

[3]李秀芬,雷躍峰.電動汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展綜述[J].上海汽車,2006,(01)：8-10.

[4]王震坡,孫逢春,劉鵬.電動汽車原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,2015：39-50.

[5]陳明,電動自行車鉛酸蓄電池的危害性分析及對策措施[J].科技資訊,2008,(26)：120-121.

[6]劉金生,楊驥,陳婷.廢舊鉛酸電池回收處置現(xiàn)狀及對策[J].輕工機械,2010,28(5)：1-4.

[7]楊世春.電動汽車設(shè)計基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2013：72-77.

[8]汝寶星.鎳基電池的記憶效應(yīng)[J].電動自行車,2005,(11)：35-37.

[9]孫文華,何小海.鎳氫電池應(yīng)用于電動車之可行性分析[J].小型內(nèi)燃機與摩托車2009,38(01)：87-90.

[10]陳全世.先進(jìn)電動汽車技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2014：55-57.

[11]胡信國.動力電池技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009：122-129.

[12]李存璞,陳嘉佳,李莉等.燃料電池關(guān)鍵材料與進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報,2017,35(8)：19-25.

[13]劉佳,周強.我國燃料電池汽車及用氫發(fā)展現(xiàn)狀淺析[J].太陽能,2017,(4)：24-29.