吳志平

摘要：本文就目前普遍應(yīng)用的鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料動(dòng)力電池的技術(shù)參數(shù)與電池反應(yīng)原理，并針對(duì)電池安全性、快速充電、耗電成本和行駛里程計(jì)算方法等問題進(jìn)行了討論，為當(dāng)下在新能源交通工具核心動(dòng)力部件的內(nèi)容進(jìn)行了分析和研究。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;技術(shù)參數(shù);運(yùn)行;經(jīng)濟(jì)效益

0 ?引言

本文中提到的動(dòng)力電池是指為電動(dòng)汽車和電動(dòng)摩托車等運(yùn)輸工具提供動(dòng)力的化學(xué)電源，電池供電的運(yùn)輸已成為許多國家發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)。其中，以美國，德國和日本為首的發(fā)達(dá)國家起步較早并保持一定優(yōu)勢(shì)，中國的電動(dòng)汽車起步較晚，但近年來取得了驚人的進(jìn)步。2018年，它占全球市場(chǎng)份額增長(zhǎng)到了49%，并已成為全球最大的電動(dòng)汽車市場(chǎng)。從技術(shù)的角度來看，中國在動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)和電子控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得了重大進(jìn)展，并已成為高職汽車知識(shí)教育中值得提及的領(lǐng)域。本文討論了汽車動(dòng)力電池的類型，技術(shù)參數(shù)，運(yùn)行成本和其他問題，以便為化學(xué)電源的應(yīng)用提供教學(xué)背景和技術(shù)數(shù)據(jù)。

首先介紹了幾種常用的動(dòng)力電池，鉛酸電池是使用鉛和氧化鉛作為電極并使用硫酸作為電解質(zhì)的二次電池，它是150多年來開發(fā)的首個(gè)大型儲(chǔ)能電池，它的優(yōu)點(diǎn)是儲(chǔ)能成本低，安全性好，效率高，技術(shù)成熟，因此在運(yùn)輸，國防等方面得到了廣泛的應(yīng)用。自1970年以來，鎳金屬氫化物電池就已開發(fā)出來，1990年，新型金屬氫化物鎳電池在大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用中占有重要地位。鎳氫電池不僅用于電子設(shè)備，還經(jīng)常用于電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車，例如第二代通用EV。鋰離子電池目前具有高能量密度和高功率充放電功能的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為電動(dòng)汽車的首選。電動(dòng)汽車中的鋰離子電池可分為鋰錳氧化物電池、鋰鈷氧化物電池、磷酸鐵鋰電池和鋰離子電池。燃料電池已有170年的歷史，但發(fā)展緩慢，1970年左右，隨著制氫技術(shù)的發(fā)展，它開始迅速發(fā)展。燃料電池和其他動(dòng)力電池領(lǐng)域區(qū)別在于，蓄能器是存儲(chǔ)電能的蓄能器，而燃料電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，即發(fā)電機(jī)。

在應(yīng)用領(lǐng)域中，為了安全起見，必須充分考慮上述各種類型的動(dòng)力電池。電動(dòng)汽車的爆炸常常引起社會(huì)關(guān)注，這些事故大多數(shù)與電池系統(tǒng)有關(guān)，通常是由機(jī)械沖擊，過充電，短路等引起的。當(dāng)電池溫度過高時(shí)，當(dāng)溫度達(dá)到閾值時(shí)，電池內(nèi)部隔板直接在電極材料和電解質(zhì)之間進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，釋放出大量的熱量和氣體，并導(dǎo)致熱失控，在嚴(yán)重的情況下，會(huì)引起爆炸。

鉛酸電池具有安全性能高，儲(chǔ)能成本低和應(yīng)用技術(shù)成熟等特點(diǎn)，是市場(chǎng)上短程電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的主要產(chǎn)品。2012年，全球電動(dòng)自行車銷量約為3100萬輛。由于鉛酸電池的比能量和循環(huán)壽命不足，它們僅用于電動(dòng)汽車應(yīng)用中的短距離通勤，因此它們通常用于公共汽車和電動(dòng)摩托車。磷酸鐵鋰電池具有較高的熱失控閾值，并且由于安全性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，它們是小型電動(dòng)汽車和PHEV（插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車）動(dòng)力電池的主要選擇，但磷酸鋰鋰電池與鈷酸鋰和錳酸相比，由于鋰電池具有低電壓和比能量，因此大型純電動(dòng)汽車傾向于選擇鈷酸鋰和錳酸鋰作為動(dòng)力電池。在資源方面，2010年全球鋰電池負(fù)極灰分消耗量約為53，000噸，分別占鈷酸鋰54%，三元材料27%，錳酸鋰11%和磷酸鐵鋰4%。由于世界上缺乏鋰和鈷資源（中國鋰資源相對(duì)豐富），動(dòng)力電池的成本通常很高。與純電動(dòng)汽車相比，氫燃料汽車在環(huán)境保護(hù)和行駛里程方面更具優(yōu)勢(shì)，但由于尚未解決生產(chǎn)和技術(shù)成本問題，其使用和普及程度仍不及其他動(dòng)力電池汽車。

1 ?技術(shù)參數(shù)

1.1 電池容量

電池容量，也稱為單位容量，是指電池在特定條件下（例如放電速率，終止電壓，溫度）放電的電量，通常單位為Ah（安培小時(shí)）或mAh（毫安小時(shí)），電池容量直接影響電池放電時(shí)間和最大工作電流。電池容量分為理論容量，實(shí)際容量和額定容量，理論容量是指電池內(nèi)部活性物質(zhì)的容量，實(shí)際容量表示在特定溫度，放電電壓和放電電流等條件下電池的實(shí)際放電容量。實(shí)際容量值低于理論容量值，額定容量是指電池在指定溫度和放電速率下放電的容量，并且電池末端的電壓下降到端電壓。

1.2 電池的能量密度

電池能量密度是指通過平均體積或質(zhì)量存儲(chǔ)在材料中的電能。通常，能量密度具有兩個(gè)表達(dá)式：能量體積密度和比能，單位為（Wh）/L或（Wh）/kg（瓦/小時(shí)/升或瓦特/小時(shí)/千克）和能量密度。例如，像普通鋰電池一樣，電池性能的主要指標(biāo)是比鉛電池更高的能量密度。當(dāng)兩個(gè)電池具有相同的電池容量時(shí)，鋰電池的體積和質(zhì)量較小，這對(duì)于日常使用是有利的。

1.3 電池電壓

電池電壓包括終端電壓、工作電壓和開路電壓。終端電壓表示電池放電時(shí)的最低工作電壓極限，工作電壓代表工作過程中電池兩極之間的電勢(shì)差，即工作過程中電池的實(shí)際輸出電壓，開路電壓是指電路處于開路狀態(tài)時(shí)的電壓。

1.4 電池的循環(huán)壽命

在某些工作條件下，電池容量達(dá)到一定值之前的電池工作時(shí)間稱為電池壽命。電池壽命通常用充放電循環(huán)次數(shù)來表示，并且受溫度、制造工藝、充放電系統(tǒng)等許多因素的影響。因此，電池的壽命是不同的，但是通常根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

1.5 電池的浮充充電

浮動(dòng)充電是恒壓和小電流充電。為了平衡由于電池的自放電引起的容量損失，需要對(duì)電池進(jìn)行恒定和長(zhǎng)期的恒定電壓充電，此填充模式為浮動(dòng)填充。浮充電壓略高于小電流充電電壓，足以補(bǔ)償電池的自放電損失，并且可以在電池放電后迅速將電池恢復(fù)到接近完全充電的狀態(tài)。浮動(dòng)充電（也稱為連續(xù)充電）旨在防止電池自放電并增加充電深度，這種充電方法主要用于電話交換機(jī)，不間斷電源（UPS）和各種備用電源。

2 ?電池快、慢充技術(shù)的討論

電池快速充電的問題是電動(dòng)汽車發(fā)展中要討論的重要因素。除了提高電動(dòng)汽車的使用效率外，它還直接影響充電時(shí)間，安全性能和循環(huán)壽命。以鋰電池為例，鋰離子電池的快速充電技術(shù)是增加充電器的充電電壓和電流，以縮短電池的充電時(shí)間。鋰電池的工作原理如圖1所示。如果鋰離子在充電和放電期間的遷移速率相同，則可以對(duì)電池進(jìn)行定期充電。然而，由于充電期間的電化學(xué)反應(yīng)速率小于電子傳遞速率，因此負(fù)極板上的離子逐漸增加電荷，導(dǎo)致負(fù)極顆粒表面的實(shí)際電勢(shì)偏離平衡電勢(shì)，引起極化，并且充電電流越大，電池極化越大。極化的存在對(duì)電極造成不可逆的損害，從而影響循環(huán)壽命。

另外，隨著充電電流的增加，電池的內(nèi)阻逐漸增加，導(dǎo)致在充電周期中對(duì)電極材料的損壞，這增加了電池可以接受的最大充電電流。此外，大多數(shù)鋰電池都使用石墨作為陰極，低溫下快速充電會(huì)沉淀出活性鋰金屬，縮短電池壽命并容易引起電池短路（這可能導(dǎo)致事故）。在低速充電過程中，電壓和電流較低，可以緩解上述各種缺點(diǎn)，降低危機(jī)安全程度，延長(zhǎng)循環(huán)壽命，但同時(shí)降低充電效率。因此，開發(fā)快速充電技術(shù)的關(guān)鍵是降低電池的內(nèi)部電阻并降低其極性。同時(shí)，它要求電池材料具有很高的穩(wěn)定性，從而提高了安全性和循環(huán)壽命。

目前，中國快速充電的鋰離子電池主要用于電動(dòng)客車。磷酸鐵鋰/快速充電石墨電池可達(dá)到10-15分鐘的充電效率。盡管它便宜且具有高安全性能，但仍然存在磷酸鐵鋰體系。諸如低溫性能差和抽頭密度小等缺陷，三元材料/多孔硬碳電池系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)10-15分鐘的充電效率，但成本高，高電壓下負(fù)電壓更高?？焖俪潆娂夹g(shù)具有廣泛的應(yīng)用范圍，但是快速充電的鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用仍需要技術(shù)創(chuàng)新。

3 ?運(yùn)行成本

決定鋰電池價(jià)格的因素是什么？第一，電池的主要材料，例如陰極材料（主要是碳酸鋰），陽極材料（主要是石墨），電解質(zhì)（六氟磷酸鋰，溶劑和添加劑）和隔板（主要是聚烯烴基石油化工產(chǎn)品）;第二，其他輔助材料，例如：粘合劑、溶劑、鋁帶和用于搭扣的鎳帶;第三，制造過程的成本，如人工成本，生產(chǎn)線維護(hù)成本等;第四，環(huán)保費(fèi)用。

在日常生活中，人們認(rèn)為電動(dòng)摩托車是最經(jīng)濟(jì)的交通工具，但是很少有證據(jù)證實(shí)這一點(diǎn)。其中，電價(jià)為0.5元/度，油價(jià)為7元/升。比較發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)汽油車的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于純電動(dòng)車的價(jià)格，對(duì)于在城市附近上班的上班族來說，電動(dòng)摩托車的成本是最便宜的，并且便利性和時(shí)間控制性相對(duì)較高，最大的優(yōu)勢(shì)還可以減少空氣污染程度并保護(hù)環(huán)境。電動(dòng)汽車價(jià)格相對(duì)昂貴，例如TeslaModelS基本的70kWh電池?？鄢绹a(bǔ)貼后，價(jià)格為7.12萬美元，電池為2個(gè)占了2.2萬左右的美元的成本，由此可以看出，純電動(dòng)汽車仍由電池成本主導(dǎo)。

隨著電動(dòng)汽車數(shù)量的迅速增加，將來將產(chǎn)生壽命越來越長(zhǎng)的電池組。如果不能正確解決回收問題，則主要可能會(huì)遇到環(huán)境問題。這些廢棄電池的內(nèi)部化學(xué)組成保持不變，只是化學(xué)活性降低。盡管充電和放電性能無法滿足汽車的需求，但它作為能量存儲(chǔ)設(shè)備是一個(gè)很好的解決方案。例如，戴姆勒和德國的幾家相關(guān)公司已經(jīng)建立了一家合資企業(yè)，以購買動(dòng)力電池來處理所有戴姆勒的電動(dòng)汽車，并試圖建立世界上最大的廢電池儲(chǔ)能發(fā)電廠以平衡電力壓力，安裝在儲(chǔ)能電廠中的廢電池可以繼續(xù)運(yùn)行10年，從而大大延長(zhǎng)了電池壽命。

4 ?結(jié)論

作為電動(dòng)汽車發(fā)展的最重要支柱，動(dòng)力電池的發(fā)展引起了廣泛的關(guān)注。即使在燃料汽車開發(fā)的早期，我們也面臨諸如發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料存儲(chǔ)之類的問題。動(dòng)力電池科技的進(jìn)步解決了這個(gè)問題，因此，我們有理由相信隨著技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力電池中存在的各種問題將最終得到解決。

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