由動(dòng)力電池提供動(dòng)力的電動(dòng)汽車在當(dāng)今的汽車工業(yè)中逐漸成為重要的一部分, 在目前的電動(dòng)汽車構(gòu)造中有多種不同類型的電池。文章首先對(duì)動(dòng)力電池的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行概述, 動(dòng)力電池伴隨電動(dòng)汽車發(fā)展起來(lái), 并隨著工業(yè)的進(jìn)展而衰落、崛起, 到如今其性能不斷完善優(yōu)化。目前市場(chǎng)上使用得較普遍的有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池。文章針對(duì)這3種電池的工作原理、性能特征及應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行介紹。綜合動(dòng)力電池的各類特性, 最后總結(jié)出目前鋰離子電池最具發(fā)展前景, 但其安全性能和快速充電性能有待進(jìn)一步的技術(shù)突破。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;電動(dòng)汽車;鉛酸蓄電池;鋅空氣電池;鋰離子電池;

作者簡(jiǎn)介：張紅妮 (1994-) , 碩士研究生, 就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院, 研究方向:電動(dòng)汽車。;

Electric vehicles powered by power batteries are becoming an important part of today's automotive industry, with many different types of batteries in current electric vehicle construction. This paper first summarizes the development process of power batteries. The power battery is developed along with electric vehicles, and has declined and rised with the progress of industry. Now its performance is constantly improving and optimizing. At present, lead-acid batteries, nickel-hydrogen batteries, and lithium-ion batteries are commonly used on the market. This paper introduces the working principle, performance characteristics, application status and development prospects of these three kinds of batteries. The various characteristics of the integrated power battery finally summarize the current development prospects of lithium-ion batteries, but their safety performance and fast charging performance need further technological breakthroughs.

Power battery; electric car; lead-acid battery; zinc-air battery; lithium-ion battery;

由于國(guó)際市場(chǎng)中對(duì)化石燃料的大量需求, 以及不斷增加的內(nèi)燃機(jī)汽車所引發(fā)的逐漸惡化的環(huán)境問(wèn)題, 使得電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池的研究和發(fā)展越來(lái)越有必要。對(duì)于降低溫室氣體排放以及空氣和噪聲污染問(wèn)題, 電動(dòng)汽車代表了一種未來(lái)道路交通領(lǐng)域的解決方案^[1,2]。

當(dāng)前與電動(dòng)汽車研究相關(guān)的熱點(diǎn)有電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 電動(dòng)汽車去動(dòng)機(jī)技術(shù)充電諧波分析和充電站監(jiān)控系統(tǒng)等^{[3,4,5,6,7,8,9]}, 電池技術(shù)為最主要的難關(guān)。本文首先概述幾種常見(jiàn)的電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池。然后分別從動(dòng)力電池的工作原理、工作性能、現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景上著重介紹目前使用較為廣泛的動(dòng)力電池。最后通過(guò)對(duì)這幾類動(dòng)力電池的比較, 得出各方面的綜合結(jié)論。

在所有電池技術(shù)中, 鉛酸蓄電池的發(fā)展歷史最長(zhǎng)久。該電池用金屬鉛作為負(fù)極, 用氧化鉛作為正極。電池在放電過(guò)程中, 正負(fù)兩極都會(huì)有硫酸鉛生成, 硫酸在電解質(zhì)溶液中既作為反應(yīng)過(guò)程的反應(yīng)物, 也是反應(yīng)過(guò)程的生成物。在過(guò)去的十來(lái)年里, 關(guān)于鉛酸蓄電池的研究和發(fā)展主要集中在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的應(yīng)用上。

鎳氫電池工作是基于氧化鎳陽(yáng)極和氫金屬負(fù)極釋放和吸收OH^-。在過(guò)去鎳氫電池被視為電動(dòng)汽車上的一種很好的臨時(shí)選擇, 鑒于鋰離子電池存在著嚴(yán)重的安全問(wèn)題。但是, 其50～70Wh/kg的能量密度并不能滿足電動(dòng)汽車150～200Wh/kg的能量密度需求。同時(shí)鎳氫電池中鎳的較大成分占比限制了其未來(lái)的價(jià)格降低, 因此, 鎳氫電池并未作為一個(gè)可靠選擇。

在應(yīng)用于電動(dòng)汽車的商業(yè)電池中, 鋰離子電池占有最大的份額。目前, 這些動(dòng)力電池可以供電動(dòng)汽車行使大約150km。鋰離子電池的電極中插入了鋰, 也就是說(shuō), 電極材料是鋰離子的載體。有多種投入使用的正極材料, 各自有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。然而, 無(wú)論如何鋰離子電池還需要進(jìn)一步的技術(shù)進(jìn)步, 在保障安全性的前提下提高性能同時(shí)降低成本。

鉛酸蓄電池經(jīng)歷了不斷的發(fā)展和完善, 其技術(shù)成熟、來(lái)源廣泛、成本低、目前在小型電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具車、電動(dòng)自行車上仍有廣泛的應(yīng)用。表1為鉛酸蓄電池的性能指標(biāo)^[10]。

表1 鉛酸蓄電池性能指標(biāo)  下載原圖

表2 鎳氫電池性能指標(biāo)  下載原圖

對(duì)比目前目前所用電池, 鎳鎘電池和鉛酸蓄電池, 鎳氫電池技術(shù)正逐漸滿足電動(dòng)汽車工業(yè)領(lǐng)域?qū)?dòng)力電池的性能需求。它的優(yōu)點(diǎn)有:高能量密度和功率, 70Wh/kg的能量密度的電池可以保證300km的續(xù)駛里程。而且, 這類電池可以成功應(yīng)用于配有電動(dòng)機(jī)的助力系統(tǒng), 有增長(zhǎng)壽命的效果。

表3 鋰離子電池性能指標(biāo)  下載原圖

鋰離子電池是如今電動(dòng)汽車上使用得最多的動(dòng)力電池技術(shù), 這歸功于它的高能量密度和單體電池中增長(zhǎng)的功率, 使得這類電池以具有競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格發(fā)展出更小的質(zhì)量和密度。研究表明電動(dòng)汽車上使用的鋰離子電池功率 (800～2000W/kg和能量密度 (100～250Wh/kg) 都有所增加。

現(xiàn)在鉛酸電池上的大部分工作在于使其能在混合動(dòng)力汽車上制動(dòng)時(shí)回收能量以及汽車輔助。這就要求電池可以承受在部分充電狀態(tài)下成百上千的高功率微循環(huán)。將鉛酸電池進(jìn)行高倍率放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)不可逆的嚴(yán)重問(wèn)題, 即會(huì)有大量的不斷增加的硫酸鉛晶體堆積在負(fù)極, 這會(huì)使得其快速充電能力持續(xù)降低。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)添加碳可以提高導(dǎo)電率、減小硫酸晶體、降低電容, 從而可以減輕這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于低成本的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車, 這種鉛碳電池可窺見(jiàn)其發(fā)展?jié)撃? 隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善發(fā)展, 會(huì)更加吸引雙能源動(dòng)力電動(dòng)汽車。

鎳金屬氫電池時(shí)使用得最為頻繁的鎳基電池, 于1989年進(jìn)入市場(chǎng), 它在各方面的性能均要優(yōu)于鉛酸電池。直到現(xiàn)在, 它們?nèi)允腔旌蟿?dòng)力電動(dòng)汽車的默認(rèn)選擇, 因此它的再生制動(dòng)和全電力驅(qū)動(dòng)性能也是經(jīng)過(guò)了盡可能的優(yōu)化。

相較于循環(huán)壽命更長(zhǎng)、能量密度更大的鋰離子電池和成本更低的鉛酸蓄電池, 在電動(dòng)汽車市場(chǎng)中鎳氫電池并不占優(yōu)勢(shì)。但是鎳氫電池中使用的含水電解質(zhì)和低反應(yīng)性的金屬使得它在本質(zhì)上使用起來(lái)更安全, 并且其良好的低溫性能對(duì)汽車在寒冷氣候下啟動(dòng)非常有利?，F(xiàn)在提倡在鎳金屬氫電池中使用替代結(jié)構(gòu)組件和能量吸收材料作為減輕車輛重量的創(chuàng)造性方法, 從而提供更遠(yuǎn)程的電動(dòng)汽車。

鋰離子電池在性能上與前兩種電池相比較, 有著較大的優(yōu)勢(shì), 其質(zhì)量更小, 是相同能量鉛酸蓄電池的1/4～1/3。體積更小, 是鉛酸蓄電池的1/3～1/2。比能量是鎳氫電池的2倍, 鉛酸蓄電池的4倍。壽命更長(zhǎng), 是鉛酸蓄電池的2～3倍。被各國(guó)研究人員普遍看好, 認(rèn)為是21世紀(jì)純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要?jiǎng)恿﹄姵刂弧Ｄ壳耙驯桓鞔笃嚠a(chǎn)商列入發(fā)展新能源汽車的重點(diǎn)項(xiàng)目之一, 其應(yīng)用和研發(fā)前景十分可觀。由于動(dòng)力電池技術(shù)在不斷進(jìn)步, 鋰離子電池正在逐步占領(lǐng)電動(dòng)汽車市場(chǎng)。

從能量消耗的角度來(lái)看, 鈉氯化鎳電池是最好的選擇。除此之外其他重要的優(yōu)點(diǎn)有價(jià)格低、壽命長(zhǎng)及在苛刻環(huán)境下可以正常參數(shù)工作的良好性能。這類電池的一個(gè)缺點(diǎn)就是較高的工作溫度, 這就會(huì)使得電池電極在車輛未使用時(shí)固化。

對(duì)于鋰硫電池, 由于其質(zhì)量小、能量?jī)?chǔ)存能力大、價(jià)格低, 相比于其他電池, 它也許是對(duì)于高儲(chǔ)能系統(tǒng)的最佳解決方案。

對(duì)于鎳氫電池, 其能耗處于合理水平, 但是其效率低影響了電池的動(dòng)力性能, 而且其質(zhì)量大不利于車身輕量化的目標(biāo), 目前, 其技術(shù)水平處于落后狀態(tài)。

目前, 鋰離子電池在電動(dòng)汽車中占有最大的市場(chǎng)份額。能耗水平中等、價(jià)格持續(xù)降低、技術(shù)不斷進(jìn)步、循環(huán)壽命更長(zhǎng)、質(zhì)量小、高儲(chǔ)能潛能, 這些特點(diǎn)使得鋰離子電池成為動(dòng)力電池領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)選擇。

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