純電動(dòng)汽車電池結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的研究

胡清茂

摘要：經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們生活水平的提高，人們逐漸意識(shí)到可持續(xù)發(fā)展的重要。隨著可持續(xù)發(fā)展觀念的進(jìn)一步深化，人們的環(huán)保意識(shí)也越來越強(qiáng)，社會(huì)各領(lǐng)域都向著生態(tài)環(huán)保的方向轉(zhuǎn)變。電動(dòng)汽車正是在生態(tài)環(huán)保的背景下蓬勃發(fā)展的產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用能減少對環(huán)境的污染。本文就純電動(dòng)汽車電池結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)展開探討。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車;電池;鎳氫電池;磷酸鐵鋰電池;三元鋰電池

引言

在經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展的今天，環(huán)境問題越來越嚴(yán)重，其中最主要的問題是氣候的變化和空氣的污染。而空氣的污染，最重要的原因是煤炭等資源的燃燒。由于對資源的過度開發(fā)使得能源日益的緊張。在資源緊張的大背景下，科學(xué)家們正在考慮開發(fā)新的清潔能源，比如水能，風(fēng)能和太陽能等。在這個(gè)形勢下，電動(dòng)汽車?yán)米陨淼那鍧嵀h(huán)保的優(yōu)勢，從而得到很多人的推廣和運(yùn)用。而電動(dòng)汽車的核心是電池，電力工業(yè)與汽車工業(yè)，之間的核心紐帶是電動(dòng)汽車的電池部分，電動(dòng)汽車的電池也是這兩者之間所聯(lián)系的重要橋梁和紐帶。用清潔的電能來替代傳統(tǒng)的汽車供應(yīng)的石油化工，能源是現(xiàn)在社會(huì)的大發(fā)展趨勢下所必然的過程。

1電動(dòng)汽車電池的發(fā)展和優(yōu)勢

1.1電動(dòng)汽車電池的發(fā)展歷程

1832年～1839年間美國人Anderson制造出第一臺(tái)不可再充的電動(dòng)車，開啟了電動(dòng)汽車發(fā)展的先河;1899年德國發(fā)明家Porsche發(fā)明世界上第一輛采用鉛酸蓄電池作為動(dòng)力源的四輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)汽車的循環(huán)利用;1996年美國通用汽車公司制造出現(xiàn)代意義上第一代電動(dòng)汽車;1997年日本豐田Prius采用鎳氫電池技術(shù)使電動(dòng)汽車走上了新的起點(diǎn)[1];2006年鋰離子電池技術(shù)的迅速發(fā)展，使電動(dòng)車更符合節(jié)能環(huán)保的理念;2018年中國成功實(shí)現(xiàn)固態(tài)鋰電池量產(chǎn)，電動(dòng)汽車電池獲得巨大突破。

1.2電動(dòng)汽車電池的主要優(yōu)勢

從當(dāng)前的電動(dòng)汽車的發(fā)展來看，電動(dòng)汽車電池的優(yōu)化對電動(dòng)汽車行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到重要促進(jìn)作用。電動(dòng)汽車的應(yīng)用優(yōu)勢比較突出，這其中所起到重要作用的就是電池的應(yīng)用，電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用和環(huán)保的理念是符合的，電動(dòng)汽車所使用的蓄電池不存在汽車尾氣排放的問題，電池的應(yīng)用比較安全，也較為方便，對環(huán)境不會(huì)造成破壞。而燃油汽車的使用就會(huì)造成尾氣排放，會(huì)對大氣造成很大污染，這也是全球氣溫變暖的一個(gè)重要因素。電動(dòng)汽車的發(fā)展中，對電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用就能符合低碳生活以及環(huán)保的理念和要求。從另一方面來看，電動(dòng)汽車的電池應(yīng)用對節(jié)約能源也能發(fā)揮積極作用，電動(dòng)汽車能再回收利用，對節(jié)約能源發(fā)揮著積極作用，能從整體上提高能源利用率。電動(dòng)汽車和燃油汽車相比較，電動(dòng)汽車的使用壽命也會(huì)更長，電池能夠進(jìn)行更換，這樣就能有助于節(jié)約能源。

2電動(dòng)汽車主流電池分析

2.1磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池以石墨作為負(fù)極，磷酸鐵鋰作為正極，用聚合物膜將兩極分開，僅供離子通過。其工作原理如下：

充電時(shí)，鋰離子在電場力作用下從正極的磷酸鐵鋰上脫嵌，經(jīng)過聚合物膜遷移至石墨表面，磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化為磷酸鐵，同時(shí)電子從外電路由正極遷移至負(fù)極。放電時(shí)，鋰離子遷移回正極，與磷酸鐵再次結(jié)合。

2.2鎳氫電池

鎳氫電池的主要成分是堿性溶液與鎳基。電池的主要分類有鎳鎘電池，鎳鋅電池與鎳氫電池。在現(xiàn)代化電動(dòng)汽車的行業(yè)之中，應(yīng)用最廣泛的是鎳氫電池。因?yàn)殒嚉潆姵?，它的能量?chǔ)存比較高，對儲(chǔ)存的環(huán)境產(chǎn)生的影響也比較小。而鎳氫電池，它主要產(chǎn)生枝晶比較快，產(chǎn)生這種東西導(dǎo)致電池的壽命比較短。但是現(xiàn)在科學(xué)的研究可以運(yùn)用一些方式解決這些問題，比如說可以利用第三電極充電的形式解決電池壽命短的問題。而鎳氫電池主要的構(gòu)成部分是氫氧化鎳，在這里的氫氧化鎳多半是陽性的，其中的大多數(shù)合金都是由錳和鎳組成，這些組成的合金呈陰性。在這種條件下的電池能量的儲(chǔ)存是普通電池的三倍，而且儲(chǔ)存的功率也比較大。所以這項(xiàng)技術(shù)有很大的運(yùn)行優(yōu)勢：運(yùn)行的功率比較高，而且能量多，運(yùn)行的電壓也高。

2.3三元鋰電池

三元鋰電池以鎳鈷錳酸鋰（NCM）或鎳鈷鋁酸鋰（NCA）為正極材料，以鋰碳層間化合物為負(fù)極材料，正負(fù)極用隔膜隔開，鋰離子在含有LiPF6、LiAsF6的電解液中移動(dòng)并完成充放電過程。其中正極材料中的鎳、鈷、錳（鋁），元素的比例可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整。充電時(shí)的離子反應(yīng)（NCM）：

三元材料中的鎳可以增強(qiáng)電極材料的活性，提高電池能量密度;鈷能夠穩(wěn)定電極材料的層狀結(jié)構(gòu)，并使材料深度放電，提高能量利用率;錳元素確保在電池使用中的穩(wěn)定性。

2.4鋰離子電池

市場上最常見的鋰離子電池陽極是由碳和碳酸二甲構(gòu)成的電解液。鋰離子電池的陰極多半是二氧化錳酸鋰。市場上常見的這種電池產(chǎn)生的比能量大，電池比較輕便，容易攜帶，而且結(jié)實(shí)。這種電池的單節(jié)電壓可以達(dá)到3.7V。經(jīng)過科學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的體積比較小，而且壽命比較長，與其他的電池比起來，質(zhì)量較輕，由于這種電池的自放電率比較高，所以不會(huì)產(chǎn)生記憶效應(yīng)。這種鋰離子電池有很多的電極組合，個(gè)體的性能指標(biāo)數(shù)值范圍廣闊，在性能上有較大的差異。

3電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車電池的發(fā)展中，對于新能源汽車電池能分成燃料電池和蓄電池。蓄電池對于純新能源汽車是適合的，主要有鉛酸蓄電池以及鎳氫電池和二次鋰電池等。電能汽車使用的電池主要是蓄電池，隨著電動(dòng)汽車的不斷發(fā)展，對蓄電池的應(yīng)用量也大大提升，蓄電池是電動(dòng)汽車的主要驅(qū)動(dòng)裝置。電動(dòng)汽車電池應(yīng)用的鉛酸蓄電池的應(yīng)用率比較高，能滿足汽車內(nèi)部電子設(shè)備電能需求，對于這一電池也能進(jìn)行大量的生產(chǎn)，所花費(fèi)的資金也不是很高。鉛酸電池的應(yīng)用量大是因?yàn)槠渥陨碛兄T多的優(yōu)勢，但是也存在著不足之處，電池如果長時(shí)間高強(qiáng)度荷電狀態(tài)，整體能效就會(huì)降低，不斷優(yōu)化荷電狀態(tài)是延長電池使用壽命的關(guān)鍵。電動(dòng)汽車電池中的鎳氫電池也是比較重要的應(yīng)用電池，這一類型的電池應(yīng)用產(chǎn)生的物質(zhì)不會(huì)影響環(huán)境，能量產(chǎn)生量也比較高。鎳鋅電池不能持續(xù)使用，而通過充電裝置補(bǔ)充能量，電解液當(dāng)中添加緩蝕劑，能夠提高其應(yīng)用性能。鎳氫電池是多種金屬分成組成的，應(yīng)用在電動(dòng)汽車當(dāng)中能發(fā)揮其能量優(yōu)勢，功率比較高，運(yùn)行電壓以及比能量和比功率都是要優(yōu)于鉛酸電池的。電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用中鋰離子電池的應(yīng)用在當(dāng)前愈來愈廣泛，從構(gòu)造上來看是傳統(tǒng)構(gòu)造類型，鋰離子金屬氧化物以及有機(jī)溶劑溶解的溶液等。

4電動(dòng)汽車電池的應(yīng)用前景和發(fā)展展望

2018年，九成以上的電動(dòng)汽車采用鋰電池，其中2018年1～5月三元鋰電池的市場份額最大達(dá)到55%，比2017年提升10個(gè)百分點(diǎn)。相較于鎳氫電池而言，鋰電池的比能量和比功率大、體積小、重量輕。磷酸鐵鋰電池能量密度和比功率存在限制，使其在大規(guī)模的制作中產(chǎn)生問題。未來的發(fā)展的重點(diǎn)將會(huì)轉(zhuǎn)移到三元鋰電池上，雖然三元鋰電池綜合性能優(yōu)越，但仍需要優(yōu)秀的電池管理系統(tǒng)的支持。

參考文獻(xiàn)

[1]宋永華，陽岳希，胡澤春.電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，35（4）：1-7.

[2]李偉.電動(dòng)汽車電池現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（35）：60.

[3]李學(xué)楠，崔炎.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池性能發(fā)展趨勢探析[J].中國設(shè)備工程，2019（1）：166-167.

[4]李雨芹.磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用與回收[J].化工管理，2019（1）：61-62.

[5]張春楊，靳曉姣.動(dòng)力電池技術(shù)研究[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2017（9）：15-22.