電動汽車電池的發(fā)展展望

劉江彩 ， 陳 巍 ， 陳 冬 ， 楊輝靜

（河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術學院，河北 石家莊 050000）

由于全球氣候變暖和全球能源危機緊迫，電動汽車越來越受到人們的普遍歡迎。電動汽車采用電能取代了傳統(tǒng)的化石燃料來作為動力來源，為綠色交通提供了可選、有效的解決方案。當前，對于電動汽車的研究熱點，仍聚焦于電動汽車的電機系統(tǒng)、電池技術以及充電等方面。其中，電動汽車的電池技術仍然被視為當前新能源汽車技術突破的重要難關。從儲能上來看，電動汽車儲能技術主要是電化學儲能技術，這種技術能夠通過鈉、硫、鋁離子等作為電池的實際儲能[1]。這些技術從實際應用反饋上來看，仍然存在一定的不安全性，而這些不足也對電動汽車的發(fā)展造成了一定的影響。在當前能源緊缺、各國重視科技創(chuàng)新的大背景下，電動汽車的電池技術研究及發(fā)展，已經(jīng)引起了世界各國的高度重視，各國紛紛投入大量的人力、物力、財力，以便推動本國新能源汽車領域的發(fā)展。比如，鋰離子電池在應用過程中經(jīng)過不斷的測試試驗，其安全性也得到大力提升，這便為電動汽車的發(fā)展，尤其是商業(yè)化的發(fā)展提供了非常重要的基礎保障。

1 電動汽車電池的發(fā)展概述

1.1 電池的發(fā)展

世界上第一輛以電池作為驅動能源的車輛，是在19世紀誕生的，但是由于在當時那個年代缺少成熟的電池配套，所以，在19世紀末電動汽車的電池發(fā)展仍然非常緩慢。而這一時期傳統(tǒng)的燃油汽車憑借其內(nèi)燃機的優(yōu)良機械性能和動力占據(jù)了汽車發(fā)展的主要市場。在20世紀末，電動汽車第二次出現(xiàn)在市面上，此時，是以鋰離子電池為主要的動力來源，而鋰離子電池充電的行駛里程也比第一代電動汽車的行駛里程增加了1.5倍[2]。此時，日本豐田公司通過利用鋰離子電池技術開發(fā)了內(nèi)燃機和電機混合的第3代電動汽車，這也是當前被人們稱之為混合動力汽車的HEV。混合動力汽車，顧名思義是對于汽車而言，擁有多個動力來源，從而根據(jù)汽車的實際運行情況，來選擇合適動力來源的機動車輛，鋰離子電池在電動汽車技術領域中也比較受大家的關注。從十幾年前開始，人們對于鋰離子電池就已經(jīng)進行了一定程度的關注和研究，尤其是在鋰離子電池的安全性上，得到了很大的性能提升，這使得當下較多的純電動汽車和混合動力汽車都能廣泛地使用鋰離子電池，鋰離子電池憑著獨特的優(yōu)勢已經(jīng)成為當下比較熱門的電池類型[3]。

2008年，全球金融危機爆發(fā)，國際油價在高位上震蕩。這些外部和內(nèi)部的經(jīng)濟壓力，對能源價格造成了巨大的影響，所以這一年全球汽車產(chǎn)業(yè)正式進入了能源轉型的關鍵時期。在這個時期，世界各國都對電動汽車的發(fā)展予以關注，各個國家的政府職能部門也在戰(zhàn)略上更加傾向于交通能源轉型，由此出臺了較多相關的優(yōu)惠政策，而電動汽車產(chǎn)業(yè)正是在這樣的背景下進入了快速發(fā)展的新階段[4]。

從電動汽車發(fā)展的整體情況上看，發(fā)展進程中出現(xiàn)過多種不同類型的汽車和不同類型的電池，電動汽車在其應用過程中，也產(chǎn)生了巨大商業(yè)化的使用價值。綜合來看，電動汽車電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池3種類型。

1.2 電池包的發(fā)展

對于新能源汽車電池包而言，電池包對整個電動汽車的運行和安全性都有著重要影響。同時，電池包也屬于電動汽車運行過程中的一個重要動力基礎。從目前行業(yè)對于電池系統(tǒng)整體設計情況來看，電池包主要分為兩大類型，一種類型是集成電池箱的結構，這種結構的電池包，能夠根據(jù)新能源電車的自身結構進行量體裁衣，進行適應性設計，即兩者可以形成一個整體，從而形成集成化的模式，更好地實現(xiàn)電池包和電車整體結構空間最優(yōu)化的設計配置[5]。此外，該結構還能夠將電池的各項監(jiān)測性能和電池的管理界面設置在整個電動汽車操作的空間中。另外一種類型的電池包則是與整車以一種具有良好兼容的結構呈現(xiàn)出來的，這類電池包沒有過多考慮在電車空間中安置的問題，而是直接對新能源電動汽車的某些結構部件直接轉換設計，使其成為電池。目前，這兩種電池包市面上應用廣泛。

2 電動汽車電池的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池早在19世紀初就已經(jīng)被發(fā)明出來，如圖1所示，這種電池的基本結構有三個部分，即作為正極板的氧化鉛、作為負極板的海綿鉛以及作為電解液的硫酸水。鉛酸蓄電池的充放電過程，主要是正負極板與電解液的電化學反應過程，如充電過程是負極板的鉛原子經(jīng)由電化反應生成鉛離子，而正極板的鉛離子則轉化為二價的鉛離子，并以硫酸鉛的形式固化在正極板上。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，鉛酸蓄電池在當今的汽車行業(yè)發(fā)展進程中，主要在內(nèi)燃機汽車的電氣設備上和一些常見的電子設備上廣泛應用，具備比較成熟的生產(chǎn)制造技術，生產(chǎn)成本比較低。隨著社會的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的技術，這些新的技術也在市場中得到了不斷的演變和應用。不過，鉛酸蓄電池在當今社會中依然有很大的用武之地，尤其是在旅游觀光等特殊車輛的使用過程中，鉛酸蓄電池依然是主要的動力源，并且在一些短距離行駛的公交車里面也經(jīng)常得到大量的應用[6]?，F(xiàn)如今，電動汽車應用的密封鉛酸蓄電池，對其的維護減少了很多，可以對鉛酸電池進行深度的充放電，使用的循環(huán)效率相對也比較高。由于鉛酸蓄電池自身所儲存的能量與功率相比，仍然存在一定的弱點，主要原因是由于鉛酸蓄電池內(nèi)部金屬鉛具有較大的密度。雖然說功率的密度可以通過利用電極的表面處理進行一定的增大，但這樣會加大對電池的損壞程度，從而縮短電池的使用壽命。此外，電池的充放電形式也會對電池的壽命造成嚴重的損傷，長期以來，電池在充電過程中所產(chǎn)生的氣體也會導致活性物出現(xiàn)一定的脫落，而這種損壞和脫落勢必會影響電池自身的使用壽命。與此同時，如果電池在充電的過程中沒有達到預期充滿的狀態(tài)，電池也會發(fā)生化學反應，從而對電池自身的孔隙度造成很大的降低，導致了活性物質的進入受到一定的限制。

圖1 鉛酸蓄電池

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池在目前的電動汽車應用領域中，仍然占有一定的比例。這種電池主要是通過鎳基和堿性溶液所構成的。在鎳氫電池、鎳鋅電池和鎳鉻電池這3大品種中，鎳氫電池是在電動汽車中應用最為廣泛的，因為自身具有比較高的能量，并且對環(huán)境友好，產(chǎn)生的污染物比較少。而鎳鋅電池由于產(chǎn)生能量的速度比較快，在某種程度上讓電池的自身壽命受到了很大的影響，但是從如今電氣行業(yè)的發(fā)展來看，仍然有一些辦法可以解決這些缺點。比如說，可以利用第三電極充電的形式來解決。鎳氫電池則是由氫氧化鎳和其他多種成分合金所組合形成的，其中由氫氧化鎳作為電池的陽極，釩、錳、鎳這些金屬共同構成電池的陰極。這種電池和鉛酸電池相比較的話，其能量的儲存量可以提高到3倍，并且電池的比功率也比鉛酸電池大。鎳氫電池這項技術優(yōu)勢明顯，在電動汽車運行過程中電壓比較高，其高能量和比功率也具有十分明顯的優(yōu)勢[7]。

2.3 鋰離子電池

隨著電池技術的革新，鋰離子電池在電池行業(yè)中也得到了一定程度的發(fā)展，這種電池的結構中有石墨陽極、鋰離子、金屬氧化物以及電解液等，如圖2所示。鋰離子電池的陽極是碳，而電池的陰極通常是二氧化錳，鋰電池的電解液通常是由硫酸二甲酯溶解六氟磷酸鋰溶液所構成的。這種電池自身的質量不大，使用輕便且比較結實，而且電池所儲存的能量比較高，一個單體電池甚至可以存儲3.7伏。鋰電池由于自身的體積比較小、質量輕、壽命長以及電池在進行自放電功率比較高的情況下也不會產(chǎn)生一定的記憶效應等優(yōu)勢，因此也具有十分廣泛的應用前景[8]。

圖2 鋰離子電池組

3 電動汽車電池未來發(fā)展展望

3.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池目前仍然是市場中應用最為廣泛的一種電動汽車電池，由于自身的價格低，一般作為火車、摩托車、叉車、短途汽車等的主要動力來源。然而，市面上所使用的鉛酸蓄電池，從能量比上和循環(huán)次數(shù)上來看，相對于其他的電池來說，還存在一定的弱勢。這對電池的實際使用效率，以及實際使用范圍都產(chǎn)生了一定的影響[9]。從未來的發(fā)展趨勢來看，鉛酸蓄電池在高速公路以及長途運輸中應當是最不符合時下各項要求的，也是不經(jīng)濟的。但是，由于鉛酸電池自身的成本較低，這就使得它依舊能夠在未來短途電動汽車和混合電動汽車中得到一定程度的應用。相關的研究表明，在美國已經(jīng)研制出了一種超級電池，實際上指的是超級電容器和鉛酸蓄電池聯(lián)合使用的，這種電池的比功率相對比較高，壽命也比較長。

3.2 鎳氫電池

鎳氫電池相對于鉛酸蓄電池而言，具有比較高的能量比和功率比，然而由于電池組成上存在著大量的鎳和鈷，這就使得電池的成本會相應地增加，由于鎳、鈷本來也是比較稀缺的元素，所以也會導致在電池的生產(chǎn)和使用上出現(xiàn)價格上漲現(xiàn)象。從現(xiàn)今的電池發(fā)展技術來看，鎳氫電池在混合動力汽車中得到一定程度的應用，而隨著鋰離子電池技術的不斷發(fā)展，由于鋰離子成本的降低，所以鎳氫電池也會在原來的市場上受到一定的擠壓。因此，筆者認為鎳氫電池目前在電動汽車發(fā)展過程中仍然屬于過渡階段的電池產(chǎn)品，但在近期和中期的電池發(fā)展市場上，仍然是非常關鍵的動力來源。

3.3 鋰離子電池

從當下鋰離子電池在市場中的應用數(shù)據(jù)來看，鋰離子電池目前的應用迅速擴大。不僅僅是在電動汽車中，現(xiàn)在很多電瓶車也使用鋰離子電池，其電池的能量是鉛酸蓄電池的5倍多，是鎳氫電池儲存能量的3倍左右，因此鋰離子電池的儲能優(yōu)勢是有目共睹的。相對于優(yōu)勢而言，鋰離子電池的價格、功率大小，以及鋰離子電池使用的安全性，是影響其快速發(fā)展的主要劣勢因素[10]。在當下不少的電池安全事故中，有很大一部分是由于鋰離子電池所產(chǎn)生的安全事故。但是從鋰離子電池的主要原料來看，鋰是我國儲存量非常豐富的礦產(chǎn)資源之一，我國已探明的鋰礦總量已位居全世界第二。此外，有研究表明，鋰也大量存在于海水中，隨著科學技術的發(fā)展，人類可以從海水中提煉出鋰離子，所以，從一定程度上看，這對于鋰離子電池技術的未來發(fā)展起著非常重要的作用，可以進一步降低鋰離子電池的價格。

4 結束語

綜上所述，電動汽車的電池是當前汽車行業(yè)最為重要的儲能裝置之一。汽車要想達到一定的行駛周期、達到一定的續(xù)航里程、達到一定的加速動力水平，就需要對電池不斷進行研究和發(fā)展。毋庸置疑，電池將會對未來電動汽車的發(fā)展起到主要的引領和助推作用，因此對電動汽車的電池開展系統(tǒng)研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。