文曉明

(汽車士官學(xué)校裝備保障系，安徽蚌埠 233011)

電動(dòng)汽車電池技術(shù)研究與展望

文曉明

(汽車士官學(xué)校裝備保障系，安徽蚌埠 233011)

電動(dòng)汽車是未來(lái)主要的新能源汽車，解決電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的技術(shù)難題是電動(dòng)汽車應(yīng)用推廣的關(guān)鍵。主要研究了4種動(dòng)力電池的充放電原理、性能指標(biāo)，指出各自存在的問(wèn)題，深入探討了4種電池的應(yīng)用前景和各自研究方向，最后展望了未來(lái)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì)。

電動(dòng)汽車；鉛酸蓄電池；鎳氫電池；鋰離子電池；燃料電池

0 引言

近100多年來(lái)，汽車行業(yè)的快速發(fā)展給人們的工作和生活帶來(lái)了便利，未來(lái)社會(huì)對(duì)汽車的需求量還會(huì)不斷地增長(zhǎng)，汽車行業(yè)仍具有非常大的發(fā)展前景。但是傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車產(chǎn)生的尾氣、噪聲、城市熱島效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題日益突出，對(duì)人的身心健康造成嚴(yán)重傷害，威脅到人類的生存。同時(shí)，作為傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車動(dòng)力源泉的石油、天然氣等不可再生資源逐漸枯竭，制約了汽車行業(yè)的發(fā)展。近些年，各國(guó)科研機(jī)構(gòu)、汽車制造企業(yè)對(duì)新能源汽車有著極大的關(guān)注，投入了大量的研發(fā)資金、人員，以緩解日益緊張的環(huán)境問(wèn)題并在未來(lái)新能源汽車行業(yè)占得先機(jī)。電動(dòng)汽車是目前發(fā)展最快、最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉雌?。它以電力?qū)動(dòng)，具有零排放或低排放、噪聲低、效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，可有效解決內(nèi)燃機(jī)汽車帶來(lái)的環(huán)境和能源問(wèn)題，未來(lái)幾十年內(nèi)必將逐漸替代內(nèi)燃機(jī)汽車，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 電動(dòng)車電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車按照能源供給的不同主要可分為純電動(dòng)車、混合電動(dòng)車和燃料電池電動(dòng)車。純電動(dòng)車(Blade Electric Vehicles, BEV)采用蓄電池或超級(jí)電容直接帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪，混合電動(dòng)車(Hybrid Electric Vehicle，HEV)以內(nèi)燃機(jī)和蓄電池混合驅(qū)動(dòng)，燃料電池電動(dòng)車(Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。目前，無(wú)論哪種電動(dòng)車，都面臨各自的技術(shù)難題，無(wú)法量產(chǎn)普及。其中，電動(dòng)車用電池技術(shù)是影響電動(dòng)汽車應(yīng)用推廣的關(guān)鍵，解決電池容量、能量補(bǔ)充問(wèn)題，使電動(dòng)車擁有媲美內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力和行駛里程，以及能夠快速方便對(duì)電池進(jìn)行蓄能是目前電動(dòng)車急需解決的技術(shù)難題。電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池、燃料電池等，下面詳細(xì)分析幾種電池的供能原理，研究其性能指標(biāo)，指出目前應(yīng)用存在的問(wèn)題及研究重點(diǎn)。

2 電動(dòng)車電池技術(shù)原理及性能比較

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是目前能夠大量生產(chǎn)供應(yīng)、在汽車領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的電池。它主要由分別浸入電解液(稀硫酸)的正極板(PbO2)、負(fù)極板(Pb)組成。

(1)充放電原理

(1)

充電完畢，正、負(fù)極板回到原始狀態(tài)，又可以為用電器供能。

(2)性能指標(biāo)

鉛酸蓄電池歷史悠久、技術(shù)成熟、造價(jià)低廉，目前在內(nèi)燃機(jī)汽車領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鉛酸蓄電池的主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 鉛酸蓄電池性能指標(biāo)

鉛酸蓄電池比能量和比功率低、循環(huán)使用壽命短、充電時(shí)間長(zhǎng)，極大地限制了其在電動(dòng)車領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。作為電動(dòng)車的動(dòng)力電池，目前僅僅應(yīng)用在行駛里程短、對(duì)充電要求不高的場(chǎng)合，如觀光車、叉車、短途公共汽車等。

(3)應(yīng)用前景

雖然鉛酸蓄電池作為電動(dòng)車的動(dòng)力源存在許多先天不足，許多人并不看好其應(yīng)用前景，但它技術(shù)成熟、可大量生產(chǎn)、造價(jià)低，如果能夠改善其比能量和比功率、提高其充電性能和使用壽命，在新的動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展成熟、廣泛應(yīng)用之前，仍具有一定的應(yīng)用空間。

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池(NiMH)是一種由鎘鎳電池發(fā)展而來(lái)的新型綠色環(huán)保電池，同體積的鎳氫電池容量是鎘鎳電池的2倍，且大大減小了鎘鎳電池存在的“記憶效應(yīng)”。目前商業(yè)化的HEV大多采用鎳氫電池技術(shù)。鎳氫電池主要由電解液(KOH)、堿式氧化鎳(NiOOH)組成的正極和吸氫合金(MH)組成的負(fù)極構(gòu)成。

(1)充放電原理

負(fù)極上的MH存有大量H元素，與電解液中的(OH)-作用失去一個(gè)電子生成H2O，失去的電子經(jīng)過(guò)用電器被正極上的NiOOH捕獲生成Ni(OH)2，從而持續(xù)為用電器功能。充電時(shí)，負(fù)極水被電解，H+得到電子還原為H被合金M吸收，Ni2+失去電子，與水中的(OH)-反應(yīng)重新生成NiOOH?？偟某浞烹姺磻?yīng)方程如式(2)所示：

(2)

(2)性能指標(biāo)

鎳氫電池具有容量高、放電深度大、耐過(guò)充和過(guò)度放電、充電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)見表2。

表2 鎳氫電池性能指標(biāo)

鎳氫電池在能量體積密度、比功率方面有了很大的提高，循環(huán)使用壽命更長(zhǎng)，但是它在低溫時(shí)容量、比功率會(huì)減小，高溫時(shí)充電耐受性降低，此外，金屬鎳較為昂貴，制約了鎳氫電池的推廣應(yīng)用。

(3)應(yīng)用前景

目前BEV技術(shù)條件還不成熟，HEV是電動(dòng)車領(lǐng)域商業(yè)化發(fā)展最快、最具應(yīng)用價(jià)值的一種。鎳氫電池盡管在能量密度方面稍遜于鋰離子電池，但在可靠性上有突出優(yōu)勢(shì)，且成本相對(duì)更低，大量的應(yīng)用在HEV之中。未來(lái)5～10年內(nèi)，鎳氫電池仍會(huì)是混合動(dòng)力電動(dòng)車主流電池。

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池是20世紀(jì)90年代索尼公司推出的新型高能蓄電池，已經(jīng)在便攜式信息產(chǎn)品中獲得推廣應(yīng)用。電動(dòng)車用鋰離子電池性能明顯高于上述兩種電池，是目前動(dòng)力電池的發(fā)展主流。典型的鋰離子動(dòng)力電池由鋰離子金屬氧化物(LiMO2)構(gòu)成的正極、焦炭或石墨(C)構(gòu)成的負(fù)極以及溶有鋰鹽的有機(jī)溶液組成。

(1)充放電原理

充電時(shí)，正極的Li失去電子變?yōu)長(zhǎng)i+脫離金屬氧化物進(jìn)入電解液，負(fù)極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有許多微孔，從電解液中來(lái)的Li+和電子嵌入其中，嵌入的Li越多，容量就越高。放電時(shí)，嵌在負(fù)極碳層的Li釋放電子，從碳層中脫出變?yōu)長(zhǎng)i+進(jìn)入電解液，電子經(jīng)過(guò)用電器到達(dá)正極，和電解液中Li+以及正極金屬氧化物重新組合成LiMO2。充放電反應(yīng)方程如式(3)所示：

(3)

(2)性能指標(biāo)

鋰離子電池在性能上明顯高于鉛酸蓄電池和鎳氫電池，它體積小、壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)污染，無(wú)傳統(tǒng)蓄電池的“記憶效應(yīng)”，其主要性能指標(biāo)如表3所示。

表3 鋰離子電池性能指標(biāo)

鋰離子電池比能量比鎳氫電池高出一倍多，但是它也存在一些問(wèn)題，如快速放電性能差、價(jià)格過(guò)高和過(guò)放電保護(hù)問(wèn)題，更嚴(yán)重的是大容量的、高功率的鋰離子電池安全性上存在較大問(wèn)題，限制了鋰離子電池在電動(dòng)汽車?yán)锏拇笠?guī)模推廣運(yùn)用。目前，主要在小容量、低功率的電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用。

(3)應(yīng)用前景

鋰離子電池普遍被科學(xué)家們看好，認(rèn)為它是21世紀(jì)純電動(dòng)汽車發(fā)展的主要?jiǎng)恿﹄姵刂?。各?guó)汽車生產(chǎn)廠商都將發(fā)展鋰離子電池技術(shù)列為新能源汽車研究的重點(diǎn)項(xiàng)目，未來(lái)具有廣闊的研究和應(yīng)用前景。未來(lái)研究的重點(diǎn)主要在于降低鋰離子電池成本，快速便捷充電，以及大容量電池的安全性等問(wèn)題。

2.4 燃料電池

除上述3種二次電池以外，燃料電池(Fuel Cell，F(xiàn)C)也是各大汽車制造商重點(diǎn)投資的領(lǐng)域。燃料電池是一種存在于燃料和氧化劑之中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，目前研究較多的是以氫氣為燃料的氫燃料電池。它的結(jié)構(gòu)同一般蓄電池類似，由正極、負(fù)極和電解質(zhì)隔膜組成，不同的是，燃料電池的正、負(fù)極不包含活性物質(zhì)，僅僅作為催化轉(zhuǎn)換元件，電池工作時(shí)，氫氣和氧氣由外部供給。理論上，只要不斷輸入反應(yīng)物，不斷排除反應(yīng)產(chǎn)物，燃料電池就能持續(xù)地供應(yīng)電能。

(1)放電原理

電池工作時(shí)，分別給正、負(fù)極供應(yīng)氧氣和氫氣，氫氣在負(fù)極失去電子變?yōu)镠+進(jìn)入電解質(zhì)隔膜，正極處的氧氣捕獲負(fù)極而來(lái)的電子并與電解質(zhì)隔膜中的H+反應(yīng)生成H2O。整個(gè)放電過(guò)程的方程如式(4)所示：

(4)

(2)性能指標(biāo)

燃料電池只需補(bǔ)充燃料與空氣就可以源源不斷地產(chǎn)生動(dòng)力，并不需要一般蓄電池長(zhǎng)時(shí)間的充電儲(chǔ)能過(guò)程，更加接近內(nèi)燃機(jī)汽車，能夠更加快速方便地補(bǔ)給。氫燃料電池作為能源的突出特點(diǎn)是無(wú)污染、效率高、高功率密度、可循環(huán)利用，其主要性能指標(biāo)如表4所示。

表4 氫燃料電池性能指標(biāo)

雖然燃料電池具有許多二次電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)，但目前該種電池的電動(dòng)汽車還處于研究開發(fā)階段，還面臨許多技術(shù)難題。燃料電池造價(jià)昂貴，啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，氫燃料電池氫氣制造和存儲(chǔ)代價(jià)太大，加氫站甚至比鋰離子電池電動(dòng)車的充電站更難建設(shè)；除此之外，氫氣作為易燃易爆氣體，存在較大安全隱患。

(3)應(yīng)用前景

短期內(nèi)，燃料電池很難大規(guī)模推廣應(yīng)用，但隨著技術(shù)成熟進(jìn)步，燃料電池相對(duì)于一般蓄電池會(huì)體現(xiàn)出其先天優(yōu)勢(shì)。燃料電池不僅是未來(lái)電動(dòng)汽車主要的動(dòng)力電池之一，并且它自身可以產(chǎn)生電能而不需要充電，是未來(lái)緩解能源危機(jī)的一種新型綠色能源，具有廣泛的前景。作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，研究重點(diǎn)在于氫氣制造與存儲(chǔ)、降低成本、加氫站建設(shè)以及安全隱患問(wèn)題。

3 結(jié)論與展望

從上述電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能參數(shù)可以看出：內(nèi)燃機(jī)和化學(xué)電池之間的性能差距難以完全通過(guò)新電池技術(shù)來(lái)解決，還需要其他方法輔助，如近些年來(lái)受到廣泛關(guān)注的燃料電池。燃料電池被認(rèn)為可能完全改變現(xiàn)有的電動(dòng)汽車電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，但是現(xiàn)階段燃料電池技術(shù)還很不成熟，推廣應(yīng)用還需要時(shí)間。

從性能上看，燃料電池和鋰離子電池優(yōu)于鎳氫電池，鎳氫電池優(yōu)于鉛酸蓄電池，但它們都存在各自的技術(shù)難題，目前，沒(méi)有哪一種動(dòng)力電池完全占據(jù)了主導(dǎo)地位。它們?cè)诟髯詰?yīng)用領(lǐng)域、不同的時(shí)間段內(nèi)發(fā)揮著各自的作用。鉛酸蓄電池成本低、技術(shù)成熟，適用于現(xiàn)階段的短距離電動(dòng)汽車；鎳氫電池容量較大、功率高、可靠性高，未來(lái)十幾年內(nèi)都將是混合電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的主流；鋰離子電池體積小、質(zhì)量輕且容量大，只要解決了充電、安全性等問(wèn)題，極有可能在不久的將來(lái)廣泛應(yīng)用于純電動(dòng)汽車，使電動(dòng)汽車逐漸取代內(nèi)燃機(jī)汽車；燃料電池通過(guò)添加可再生燃料續(xù)航，不需要進(jìn)行充電，是未來(lái)電動(dòng)汽車的發(fā)展方向，同時(shí)也是解決能源危機(jī)的一種新型能源。

【1】麻良友.電動(dòng)汽車概論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

【2】雷驚雷,張占軍,吳立人，等.電動(dòng)車,電動(dòng)車用電源及其發(fā)展戰(zhàn)略[J].電源技術(shù),2001,25(1):40-46.

【3】畢道治.電動(dòng)車電池的開發(fā)現(xiàn)狀及展望[J].電池工業(yè),2000,5(2):56-62.

【4】熊碧云,康海波.電動(dòng)車動(dòng)力鋰離子電池的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電源技術(shù),2013，37(5):880-882.

Research and Prospect on Battery Technology of Electric Vehicles

WEN Xiaoming

(Equipment Support Department,Bengbu Automobile Non-Commissioner School,Bengbu Anhui 233011,China)

Electric vehicles will be the major models of alternative-fuel cars,the key of popularization and application for electric vehicles is the problem of battery technology.The charge-discharge principle and the performance index of four power batteries were studied,the issues of the battery were pointed out.The applied prospect and the research direction were discussed in depth.Prospect on the developing trend of power battery in electric vehicles was described.

Electric vehicle;Lead-acid battery; NI-MH battery; Lithium-ion battery; Fuel cell

2015-06-24

文曉明(1987—)，男，碩士，助教，主要從事汽車維修方面的教學(xué)研究工作。E-mail：wxmsx1987@163.com。