現(xiàn)代汽車電池的研究和應(yīng)用

吳雅莉 劉彥笈

摘 要：新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機(jī)汽車、其他新能源汽車等。研究和了解汽車電池的特性，研究汽車需求市場，從而正確對待新能源車輛的投入及使用。

關(guān)鍵詞：工作特性;電池分類;應(yīng)用

純電動汽車（Blade Electric Vehicles，BEV）是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車，它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電動機(jī)提供電能，驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而推動汽車行駛?；旌蟿恿ζ嚕℉ybrid Electric Vehicle，HEV）是指驅(qū)動系統(tǒng)由兩個(gè)或多個(gè)能同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)的單個(gè)驅(qū)動系聯(lián)合組成的車輛，車輛的行駛功率依據(jù)實(shí)際的車輛行駛狀態(tài)由單個(gè)驅(qū)動系單獨(dú)或多個(gè)驅(qū)動系共同提供。因各個(gè)組成部件、布置方式和控制策略的不同，混合動力汽車有多種形式。燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）是利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下.在燃料電池中經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電能作為主要動力源驅(qū)動的汽車。燃料電池電動汽車實(shí)質(zhì)上是純電動汽車的一種，主要區(qū)別在于動力電池的工作原理不同。一般來說，燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電化學(xué)反應(yīng)所需的還原劑一般采用氫氣，氧化劑則采用氧氣，因此最早開發(fā)的燃料電池電動汽車多是直接采用氫燃料，氫氣的儲存可采用液化氫、壓縮氫氣或金屬氫化物儲氫等形式。根據(jù)汽車電池的分類及特性，合理應(yīng)用于現(xiàn)代汽車，正確對待新能源汽車發(fā)展。

一、汽車電池的分類及特性

現(xiàn)代電池分為兩類，一類為物理電池，例如太陽能電池，另一類為化學(xué)電池。一般情況下，化學(xué)電池內(nèi)部核心由三部分構(gòu)成：正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)。其中參加化學(xué)電池充放電反應(yīng)的正負(fù)極材料也被成為活性物質(zhì)。

（一）原電池

電池放電時(shí)，活性物質(zhì)不斷地消耗掉，放電到一定程度，電池便停止工作，即電池壽命終止。電池放電后不能用簡單的充電方法使其復(fù)原而繼續(xù)使用。因此，原電池是一種只能用來放電、活性物質(zhì)僅供一次使用的電池。

如鋅錳電池和鋅汞電池。

Zn—MnO2干電池，Zn—HgO干電池

我國基本采用鋅錳電池，目前日本產(chǎn)出的電池都會標(biāo)識出無汞。相對于鋰電池來說，鋰電池很難進(jìn)行回收和處理，只能采用封存，深埋地下礦井的方式。我國于1993年開始研究，1995年開始制造鋰電池。

這使得汽車電池在推向市場的時(shí)候還不夠成熟，代價(jià)過高，目前歐美在政策上采用不引導(dǎo)、不強(qiáng)迫的態(tài)度。

（二）蓄電池

電池放電后，可通過充電方法使活性物質(zhì)復(fù)原，可使電池再次放電的電池。因此，蓄電池又稱為二次電池。蓄電池的活性物質(zhì)可反復(fù)多次使用，幾十次至上千次。

如鉛酸電池——以硫酸為介質(zhì)，鎘電電池。

Pb—PbO2蓄電池，Cd—NiOOH蓄電池

目前鎘電電池已被禁用，鎘元素致癌，受熱后會通過充電放熱以蒸汽方式泄露。

（三）貯備電池

電池在貯存期間，活性物質(zhì)與電解質(zhì)不直接接觸或電解質(zhì)處于不導(dǎo)電的惰性狀態(tài)，即不能發(fā)生電池反應(yīng)。使用時(shí)臨時(shí)注入電解液，或用某種方法使電解質(zhì)（如熔化）導(dǎo)電，使電池處于代放點(diǎn)狀態(tài)而具有活性，即能發(fā)生電池反應(yīng)。

如美銀電池。

Mg—AgCl電池

這種電池以NaCl為電解質(zhì)。目前在海軍航空兵上使用，接觸海水工作，缺點(diǎn)是造價(jià)昂貴。

（四）燃料電池

電池供電（放電）時(shí)，將活性物質(zhì)輸入電池，使電池能連續(xù)工作的一次型電池。負(fù)極活性物質(zhì)或燃料通常是氣態(tài)或液態(tài)的（與通常在電池中的金屬負(fù)極比較），而氧或空氣是氧化劑（相當(dāng)于正極活性物質(zhì)材料）。

如H2—O2燃料電池

氫氣作為攜帶物質(zhì)，空氣取自大氣。這類電池存放時(shí)無活性物質(zhì)，沒有極板，但有電解質(zhì)，只有在工作時(shí)才放入極板。

（五）電池的分類及特性

其中燃料電池最開始用于航天用途。阿波羅13電池曾因此而爆炸。由于攜帶氫氣，一般用于軍用備用電源，我國的軍用備用電源也采用柴油發(fā)電機(jī)，但由于柴油發(fā)電機(jī)聲音大，所以具有容易被偵測到的缺點(diǎn)，所以采用鉑Pt作為燃料電池的催化劑，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴。

二、鉛酸蓄電池

（一）鉛蓄電池的分類

按蓄電池的使用方向可分為：動力電池（牽引電池）和起動電池。按電池的物理結(jié)構(gòu)可分為：密封電池、開口電池、膠體電池。目前鉛蓄電池的回收較為成熟，但缺點(diǎn)是較為沉重，能量效率不高，優(yōu)點(diǎn)是安全，不易著火。相比于鋰電池，鋰一旦單置于空氣中，常溫下能夠發(fā)生自燃，非?；钴S。動力電池常用于新能源汽車電池的應(yīng)用，起動電池用傳統(tǒng)的鉛酸電池。

1.開口電池

開口電池可通過加注口擰開，可觀測可檢測，維護(hù)方便，一旦車輛發(fā)生問題，容易泄露，現(xiàn)在汽車已經(jīng)不再采用此類電池。

2.密封電池

密封電池，無需補(bǔ)充電解液，當(dāng)不滿足使用時(shí)直接更換，面對一般的碰撞、破損也很難泄露。

（二）鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及型號

由多個(gè)正負(fù)極板組成，能夠有效吸附硫酸，即使破裂也不會泄露，安全可靠。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)，鉛酸蓄電池產(chǎn)品型號的編制和含義：

由于鎘元素是劇毒，所以現(xiàn)代汽車蓄電池已經(jīng)不再采用這類電池。

（三）蓄電池的充放電反應(yīng)的奇特性

按照理論上說，在充放電的過程中，正負(fù)離子應(yīng)往不同的極板運(yùn)動，但在蓄電池的充放電過程中，正負(fù)離子往兩個(gè)極板方向運(yùn)動反應(yīng)。這個(gè)反應(yīng)過程無法進(jìn)行觀測，但只能看到形成后的結(jié)果，對于已經(jīng)較為成熟的鉛蓄電池尚且無法檢測，其他電池的充放電過程檢測將會更加困難。

四、蓄電池的容量

電池在規(guī)定條件下能夠提供的電量，成為電池的容量，通常用按時(shí)（Ah）表示。電池在規(guī)定條件下尤其放電制度，根據(jù)電池的放電電流強(qiáng)度、溫度和終止電壓來確定。電池容量可以分為理論容量、標(biāo)稱容量和額定容量。

（一）理論容量

理論容量是按照電池中的活性物質(zhì)量，假定全部都參加成流反應(yīng)，根據(jù)法拉第定律計(jì)算所能給出的電量。理論容量是電池容量的最大極大值。實(shí)際上，電池放出的容量知識理論容量的一部分。

根據(jù)法拉第定律的表述，通電于電解質(zhì)溶液后，在電機(jī)山發(fā)生反應(yīng)物質(zhì)的量與通過的電量成正比，通過相同電量于串聯(lián)電解池時(shí)，各電極上發(fā)生反應(yīng)物質(zhì)的獲得電子數(shù)或失去電子數(shù)總數(shù)相等。

Q=mMzF或Q=nzF

其中Q為通過電解質(zhì)溶液的電量，m為電極上發(fā)生反應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量，M為該反應(yīng)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，n為電極上發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)的量（m/M=n），z為反應(yīng)粒子的得失電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。1F=96500C=26.8Ah。安時(shí)是一種直觀單位，工程化計(jì)量方式。

（二）額定容量

額定容量是在規(guī)定條件下電池應(yīng)放出的電量。額定容量是制造廠表明的安時(shí)容量，作為驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要技術(shù)指標(biāo)的依據(jù)。電池的額定容量作為重要的技術(shù)指標(biāo)列入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。國家標(biāo)準(zhǔn)中鉛酸動力電池的額定容量為20℃時(shí)，以5小時(shí)率C5放電到終止電壓，以安時(shí)表示的容量。起動電池以20小時(shí)率C20放電到終止電壓，以安時(shí)表示的容量。蓄電池在充滿電的情況下，按要求電流、穩(wěn)定等條件放電至截止電壓時(shí)所放出的電量，國標(biāo)上通常采用恒流放電。

五、蓄電池的工作特性

（二）當(dāng)前汽車蓄電池的應(yīng)用

1.MH/NiOOH電池

主要應(yīng)用于混合動力汽車（HEV），如TOYOTA的Prius。林肯車型也有采用，這類電池的特點(diǎn)是空調(diào)冷風(fēng)先經(jīng)過電池，給電池降溫。

2.鋰電池

鋰電池正極材料主要包括LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等體系。其中LiCoO2過于活躍，容易爆炸，而LiFePO4非常穩(wěn)定，但電池效率不夠，LiMn2O4應(yīng)用較為廣泛。負(fù)極以C作為材料，電解質(zhì)采用LiClO4+有機(jī)酯（甲酸甲酯、甲酸乙酯等）但由于酯類可燃，目前技術(shù)上還存在一定的問題。鋰電池主要應(yīng)用于國內(nèi)的一些電動汽車上（EV）例如比亞迪的混合動力車型-秦。

3.燃料電池（Fuel Cell）

燃料電池以H2為燃料，通過燃料電池系統(tǒng)使H2與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生電能。燃料電池技術(shù)的發(fā)展，為全新的H2能源利用，提供了可能。由于氫氣不夠穩(wěn)定，而以鉑為催化劑價(jià)格過于昂貴，材料稀有，實(shí)用價(jià)值不高，因此清華大學(xué)早在十二五期間就停止了燃料電池的研究。

在純?nèi)剂想姵厣?，歐寶車型有所采用。2000年悉尼奧運(yùn)會上由通用公司提供純?nèi)剂想姵剀囆陀糜隈R拉松比賽的領(lǐng)跑。2004年的希臘雅典奧運(yùn)會，由于希臘沒有汽車工業(yè)，因此租用奔馳純?nèi)剂想姵亍?008年北京奧運(yùn)會使用國產(chǎn)的純?nèi)剂峡蛙嚒?/p>

（三）新型電池存在的問題

新型電池在制造和使用上存在成本、壽命、安全、比能量等問題。

從成本上，MH2/NiooH電池的售價(jià)約為8元/Wh、Li-ion電池售價(jià)約為2.2元/Wh而Fuel Cell由于使用Pt作為催化劑，因此價(jià)格更加昂貴。

在壽命上，MH2/NiooH電池的循環(huán)壽命約為1000次，Li-ion電池的循環(huán)壽命約為1000次以上，F(xiàn)uel Cell電池壽命約為5000小時(shí)。

在能量密度上，同等重量情況下，汽油使汽車的行駛里程是蓄電池的幾十倍（能量密度：93#汽油使奇案酸蓄電池的50倍以上;是鋰電池的30倍以上）。汽油的能量密度遠(yuǎn)大于蓄電池的能量密度。

在安全上MH2/NiooH電池存在熱失控的問題，Li-ion電池也存在各種安全性問題，F(xiàn)uel Cell電池存在H2不穩(wěn)定的安全問題。

目前最為廣泛應(yīng)用的為，Li-ion電池，國家采用硬性測試，經(jīng)過短路、擠壓、穿刺試驗(yàn)后才能投入生產(chǎn)，要求不能爆照，其威力不亞于手榴彈，一個(gè)小于礦泉水量的爆炸，足以炸開實(shí)驗(yàn)室防爆門。

七、正確對待新能源車輛

目前由日產(chǎn)生產(chǎn)的leaf羚風(fēng)采用的純電動為驅(qū)動力，較為有特點(diǎn)的是續(xù)航里程非常短，應(yīng)用范圍僅限于買菜、接送小孩等用途，在蘇州進(jìn)行了為期3個(gè)月的測試，其安全和駕駛感都非常好，續(xù)航里程為60公里。它的出產(chǎn)目的并不是替代油車，而是特定用途。隨著油車的成型，油耗降低，百公里油耗相當(dāng)于高于新能源車寶百里1升油。新能源車輛將來的方向不一定是為代替油車而投入市場，而是根據(jù)汽車市場的需要對市場進(jìn)行細(xì)分，有針對性的投入。