純電動車電池的發(fā)展現(xiàn)狀和前景

趙鴻濱

（新鄉(xiāng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南 新鄉(xiāng) 453000）

電動汽車，顧名思義就是主要采用電力驅(qū)動的汽車，其難點在于電力儲存技術(shù)。隨著全球汽車持有量的不斷增加，一方面燃油大量消耗引起的能源危機變得日益嚴重，另一方面汽車尾氣排放引起環(huán)境污染的程度也越來越嚴重。人們只有通過技術(shù)探索，尋找替代能源，降低排放，才能緩解汽車需求與環(huán)境保護的矛盾。電動汽車采用電能取代石油等化石燃料作為動力，是未來交通的唯一的長遠解決方案。

純電動車是完全依靠動力蓄電池作為動力源，并以電動機與電機控制系統(tǒng)驅(qū)動的汽車。純電動車不使用液體燃料，沒有發(fā)動機，沒有污染尾氣的排放管，是近年來“綠色出行”的最佳選擇。純電動車省去了油箱、發(fā)動機、變速器、冷卻系統(tǒng)以及排氣系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的內(nèi)燃汽油發(fā)動機動力系統(tǒng)，其電動機和控制器的成本更低，且能量轉(zhuǎn)換效率更高。從世界各國的戰(zhàn)略發(fā)展目標來看，發(fā)展電動汽車已被普遍確立為保障能源安全和轉(zhuǎn)型低碳經(jīng)濟的重要途徑，而純電動車更是電動汽車發(fā)展的終極目標。

1 .純電動車對動力電池的要求

電池是電動汽車的動力源，當(dāng)前與電動汽車相關(guān)的研究熱點有許多，其中電動汽車電池技術(shù)被視為最主要的難關(guān)。電池的好壞一方面決定著電動汽車的成本，另一方面決定著汽車的行駛里程，這2方面是電動汽車與傳統(tǒng)燃油汽車區(qū)別競爭的關(guān)鍵，因此開發(fā)出性價比高的動力電池對電動汽車的未來發(fā)展至關(guān)重要。尤其是在純電動車上，蓄電池作為其唯一的動力源，地位更加重要。

為滿足純電動車的動力性能、使用安全性以及經(jīng)濟性的要求，先進的動力電源系統(tǒng)原則上需要具備以下特點[1]:

第一，比能量高。使用比能量高的電池體系有助于降低動力電池的質(zhì)量和體積，提高電動汽車的有效載荷，乃至它的一次充電續(xù)航里程。

第二，比功率大。比功率越高，單位時間內(nèi)電池的輸出能量越大，電動汽車的加速性能越優(yōu)越。

第三，循環(huán)使用壽命長。循環(huán)壽命越長，電池在正常使用周期內(nèi)制成電動汽車形式的里程數(shù)就越多，越有助于降低車輛使用周期內(nèi)的運行成本。

第四，可靠性高。

第五，安全性好。能夠有效避免因泄露、短路、撞擊、顛簸等引起的起火爆炸等危險事故發(fā)生，確保汽車在正常行駛乃至非正常行駛過程中的安全。

第六，高低溫性能好，環(huán)境適應(yīng)性強。電動汽車要求電池不僅能夠適應(yīng)北方冬天極冷的氣溫，也要能在南方夏天炎熱的環(huán)境下工作。即使在最極端的環(huán)境下，電池也要穩(wěn)定工作。因此， 要求電池具有良好的高低溫性能。

第七，自放電率低。

第八，價格低廉。制造電池的材料應(yīng)該來源豐富，電池制造成本低，以降低整車價格，提高電動汽車的市場競爭力。

第九，綠色環(huán)保。要求電池制作的材料與環(huán)境友好、無二次污染，并可再生利用。

2 .電動汽車常用動力電池

電動車的發(fā)展過程中出現(xiàn)過多種不同類型的電池，其中產(chǎn)生巨大影響并商業(yè)化使用至今的電動汽車電池主要有鉛酸電池和鋰離子電池[2]。

（1） 鉛酸電池

鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池荷電狀態(tài)下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池自1859年誕生以來，已經(jīng)歷了150多年的發(fā)展歷程，在交通、通信、電力、軍事、航海、航空等眾多領(lǐng)域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。

鉛酸電池的主要特性為:

第一，安全密封。在正常操作中，電解液不會從電池的端子或外殼中泄露出。

第二，沒有自由酸。特殊的吸液隔板將酸保持在內(nèi)，電池內(nèi)部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置。

第三，泄氣系統(tǒng)。電池內(nèi)壓超出正常水平后，鉛酸電池會放出多余氣體并自動重新密封，保證電池內(nèi)沒有多余氣體。

第四，維護簡單。由于獨一無二的氣體復(fù)合系統(tǒng)使產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化成水，在使用鉛酸電池的過程中不需要加水。

第五，使用壽命長。采用了有抗腐蝕結(jié)構(gòu)的鉛鈣合金欄板，鉛酸電池可浮充使用10～15年。

第六，質(zhì)量穩(wěn)定，可靠性高。采用先進的生產(chǎn)工藝和嚴格的質(zhì)量控制系統(tǒng)，鉛酸電池的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠，電壓、容量和密封在線上進行100%檢驗。

（2） 鋰離子電池

鋰離子電池是Li+在正負極之間反復(fù)進行脫出和嵌入的一種高能二次電池，是20世紀90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池。鋰離子電池的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括石墨陽極、鋰離子金屬氧化物構(gòu)成的陰極和電解液。作為一種新型的化學(xué)電源，鋰離子電池具有如下優(yōu)勢：單體電池工作電壓高，組成電池組時一致性要求相比鉛酸電池和氫鎳電池偏低，電池的使用壽命可以提高；電池質(zhì)量輕、必能量大，使得整車質(zhì)量減小且行駛里程增加；電池循環(huán)壽命長，可以達到鉛酸電池的2～3倍；自放電率低，每月低于5%；工作范圍寬、低溫特性好、無記憶效應(yīng)、無污染等。

電池材料的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性決定了電池的性能，理想的電動車用鋰離子電池材料應(yīng)具備以下特性:

第一，具有層狀或隧道的晶體結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的嵌入和脫出，從而保證鋰離子電池的循環(huán)壽命。

第二，充放電過程中，應(yīng)該有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出， 使電極具有較高的電化學(xué)容量。

第三，在鋰離子進行嵌入和脫出時，電池具有平穩(wěn)的充放電電壓。

第四，鋰離子應(yīng)具有較大的擴散系數(shù)，以減少極化造成的能量損耗，從而保證電池具有較好的快速充放電性能。

第五，比較重要也是關(guān)鍵性的一點:材料價格應(yīng)該便宜，對環(huán)境無污染，質(zhì)量輕且可回收。

鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三原材料等，負極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。

正極材料的性能極大程度上影響著電池的性能，與此同時，正極材料也直接決定著電池成本的高低，鋰離子電池正極材料的發(fā)展引領(lǐng)了鋰離子電池的發(fā)展。作為電動汽車的動力電池，目前較受關(guān)注的有錳酸鋰和磷酸鐵鋰，圖1是這兩種材料的結(jié)構(gòu)示意，表1是這兩種材料的優(yōu)缺點對比分析。

圖1 磷酸鐵鋰結(jié)構(gòu)示意

表1 兩種材料的優(yōu)缺點對比分析

3 .純電動車電池前景展望

鉛酸電池雖然便宜，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動力源應(yīng)用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環(huán)次數(shù)仍存在嚴重的限制。未來使用鉛酸電池來驅(qū)動在高速公路上行駛的電動汽車是不實際的，但價格優(yōu)勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動汽車（如觀光車）中仍占一席之地。

目前市場上的動力電池中，鋰離子電池的性能最好，同質(zhì)量的鋰離子電池其能量是鉛酸電池的4～6倍，是氫鎳電池的2～3倍。對于鋰離子電池技術(shù)最大的挑戰(zhàn)是繼續(xù)擴大電池容量，同時保證安全性和循環(huán)次數(shù)不受影響，并降低成本?，F(xiàn)階段車用動力電池多數(shù)仍停留在價格相對便宜的鉛酸電池等傳統(tǒng)產(chǎn)品上，但隨著技術(shù)突破和生產(chǎn)成本下降，鋰電池質(zhì)輕、續(xù)航里程長以及高能量密度和高輸出功率的優(yōu)勢將逐漸浮現(xiàn)。長期來看，鋰離子電池是未來車用動力電池的首選技術(shù)，整車廠與鋰離子電池生產(chǎn)廠商合作共同開發(fā)電池系統(tǒng)是必然趨勢[3]。

[1]李興虎.電動汽車概論[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2005：55-58.

[2]朱松然.蓄電池手冊[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，1998：23-25.

[3]雷立旭，劉巍，馬蓓蓓.鉛酸電池的可持續(xù)生產(chǎn):概念及應(yīng)用[ J ].電池工業(yè)，2016( 1 ):14-15.