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电动车电池的开发现状及展望天津电源研究所 毕道治前言 据近期“世界电动车”1报导，预测到2007年，全世界电动车年销量可达百万辆以上（见表1），约占全球汽车总销量的1.5%。虽然这样小的份额不足以说明电动车已商品化，但也说明经过几十年，尤其是近10年的全球性努力，电动车在技术上已取得很大成就。预测电动车销售的主要依据仍然是人们对环境污染的关注，尤其是在中心城市。美、欧等发达国家一些中心城市都在限制燃油汽车的使用。我国政府也越来越重视环境保护问题，把环境保护作实施可持续发展战略的一项重要内容。我国环境监测数据表明，汽车尾气排放量是城市大气污染的主要来源之一。北京市机动车尾气排放对大气污染物中CO、HC、NOx的分担率分别是63.4%，73.5%和46%，非采暖期这一分担率更高，分别为80.3%，79.1%和54.8%。上海市更为严重，分别为86%、96%和56%；广州、天津、重庆等许多大中型城市具有类似情况。因此，最近国务院有关部委组织召开了一次“清洁汽车行动”的大会，以推动我国燃油汽车的清洁化、新型燃气汽车的推广应用和国家电动汽车重大科技产业化工程项目的实施。 表1 电动汽车销售量预测(千辆) 年份 1997 2003 2007 北美 西欧 亚太地区 其他 总计 0.9 7.5 1.0 9.4 140 285 160 45 630 265 400 260 85 1010 目前，各种类型的电动汽车包括以蓄电池驱动的BEV，以内燃机与电池混合驱动的HEV及以燃料电池驱动的FCEV都面临着与改进的燃油汽车及采用各种替代燃料的低污染汽车的市场竞争。电动车必须在性能、价格上一步改进，才能指望在市场竞争中站住脚。 各种主要电动车用蓄电池对比见表2。目前能大量生产供应的只有铅蓄电池和镉镍蓄电池。由于镉镍电池性能价格比不如铅蓄电池而且存在镉污染，性能优良的MH-Ni电池有可能很快进入市场。本文将重点讨论铅蓄电池、MH-Ni、锂离子及钠氯化镍蓄电池的进展情况。质子交换膜燃料电池（PEMFC）是唯一可以在性能上与燃油汽车竞争的电池，本文将介绍其最近发展情况情况。 表2 各种主要电动车用蓄电池对比 性能 电池种类 比能量 Wh/kg 能量密度 Wh/L 比功率 W/kg 循环寿命 (次) 价格 (相对) 商品化 程度 铅酸 镉镍 MH-Ni NaNiCl2(ZEBRA) 锂离子 35 50 65 86 100 90 80 135 132 170 150 200 150 157 300 500 1000 1000 1000 1200 100 500 400 500 1000 大量生产 大量生产 试制 中试 试制 1 电动车电池的研制进展1.1 铅蓄电池 铅蓄电池是目前唯一能大量生产供应的电动车电池。从表2可以看出，它的优点是价格低，缺点是比能量低，一次充电行驶里程短(约100km)。一项对比美私人汽车日行程的调查表明，日行程在160km以下的占90%，其余10%日行程超过240km甚至更高。因此有人提出若能将铅蓄电池比能量适当提高，使一次充电行程达到160km，同时开展快速充电的研究，就有可能使价格低廉的铅蓄电池满足大多数城市中心区短途运输及交通用电动车的要求。为此，1992年由国际铅锌组织联合世界铅蓄电池制造厂商成立的“先进铅蓄电池联合体（ALABC）”制定了先进铅蓄电池的研制目标为2：比能量 50Whkg-1(一次充电行程160km)比功率 150Wkg-1价 格 500次快充性能 50% 5min 80% 15min上述5项指标中，价格及比功率已为一般铅蓄电池所具备，因而改进的主要力量集中在比能量，循环寿命及快充性能3项指标。(1) 比能量 提高比能量主要从减轻板栅重量及提高正板活性物质利用率着手。研究表明，提高铅钙合金中锡的含量可以增强板栅耐腐性及抗蠕变强度，从而可以减轻板栅重量（Sn含量0.5%-1%）。从正极活性物质中添加吸酸能力强的添加剂（如发泡聚丙烯）可以提高正极活性物质利用率约10%。(2) 循环寿命 研究结果表明有4种方法可提高铅蓄电池的循环寿命：(i)板栅合金采用锡含量高的铅钙合金，可以克服因板栅蠕变而造成的早期失效。(ii)为了防止极板膨胀，采用加大极板法向压力，试验证明将法向压力从8kpa增至40kpa，可使循环寿命由200次提高到700次。为此需改进隔膜材料以免在受压情况下松散。(iii)采用合理的充电制度，尤其要精确掌握充电后期的充电量及充电速率，以保证充足电。(iv)改进负极膨胀剂以避免延长充放循环寿命后，负极活性物质海绵状铅的硬化。(3) 快速充电 由于近期快速充电技术的发展，使传统的铅蓄电池快速充电性能不好的概念已有所改变。实验证明，多数阀控式铅酸蓄电池可以承受快速充电制度（50%soc，5min；80%soc，15min）。而且，合理的快速充电制度及方法，对延长电池寿命不但无害而且有利。国外已将快速充电方法由单组电池扩展应用到整个电池组，并且在车载情况下进行试验。1998年公布ALABC的报告表明，通过研究改进，阀控式铅酸蓄电池的比能量有望提高到改进前的2倍，循环寿命有可能提高到原有的10倍，而充电时间缩短一个数量极。目前ALABC正在大力支持各有关方面的研究改进工作。假如上述研究改进目标能在铅蓄电池的生产实现，则铅蓄电池将在近期电动车的产业化过程中发挥重要作用。我国在“八五”计划期间，国家科委和国家计委就把电动车用铅蓄电池的研究和开发列为重点项目予以支持。许多从事电动车设计和研制的单位认为，虽然铅蓄电池比能量低，但在我国期望将公交车、出租车放在电动车使用的首要地位的情况下，铅蓄电池以其价格低廉，能够大量生产供应的优势，被列入近期电动车产业化工程项目计划中还是可行的。表3列出我国电动车用密封铅蓄电池的近期研究发展目标，其中第一阶段强调电池总体性能的提高，第二阶段把重点放在电池循环寿命及电池性能的均匀一致性的改进上。 表3 我国电动车用密封铅酸电池研制目标3 第一阶段 19911995年 标称电压 （V） 12 标称容量（5h率） （Ah） 150 水损失 （g/ Ah） 5 高倍率放电能力 （A） 2C5 循环寿命（） （次） 750（75%DOD） 比能量（5h率） （Wh/kg） 30-40 充电至400次 第二阶段 19962000年 主要要求循环寿命600800次 比能量可适当降至 （80%DOD） 35Wh/kg左右 19911995期间，保定金风帆蓄电池有限公司、轻工业化学电源研究所等单位参与电动车用密封铅蓄电池的研制工作。其中风帆电池厂采用正负极涂膏平板电极，轻工业化学电源研究所则正极采用其具有专利权的椭圆形管式极板，负极仍为涂膏平板电极。试制结果表明，我国的电动车用铅蓄电池除循环寿命外其余各项均能达到第一阶段研制目标。 目前风帆公司及镇江蓄电池厂的密封铅蓄电池已在我国改装车上试用，其中在面包车上采用20只12V150Ah电池，最高车速80km/h，充电一次行驶100km；小轿车用10只12V150Ah 电池组，车速可达80km/h，充电一次行驶100km。存在的最大问题是均匀性差，个别电池累计行车里程不足1000km就需要换。 1.2 金属氢化物镍电池 金属氢化物镍电池(MH-Ni)是90年代发展起来的一种新型绿色电池，它与镉镍电池有很好的互换性，但没有镉污染而且比能量较高。小型圆柱式MH-Ni电池在日本已达到产业化规模生产，广泛应用于便携式信息设备。电动车用MH-Ni电池主要在美国及日本进行开发。美国Ovonic公司在美国先进电池开发联合体（USABC）的资助下开展了电动车用MH-Ni电池的开发，据报导研制水平已接近USABC制定的中期发展目标（见表4），但成本仍较高，目前MH-Ni电池的价格为500700美元/kWh，据报导，美国通用汽车公司今年已开始生产装有高性能MH-Ni电池的EV-1电动轿车，采用24只13.2V、90Ah、12kWh的电池模块，重量410kg（若用铅蓄电池重量为553kg）一次充电可按城市行驶模式行驶150km（铅蓄电池为112km）。整车售价为43995美元，租赁的月租费为499美元。而采用铅酸电池的整车售价为33959美元，月租费为424美元。 表4 USABC中长期目标及Ovonic公司MH-Ni电池性能4 指标 USABC（中期） USABC（长期） Ovonic公司 比能量Wh/kg 80-100 200 70-80 比功率W/kg 150-200 400 200-250 充电时间 h 6 3-6 15min（60%） 寿命 年（次） 5（600） 10（1000） （600） 成本 美元/kWh 150 250W/kg，比能量100Wh/kg。 表10是用第2代ML型单电池组装的Z11型电动车电池组（299V，96Ah，28.7kWh）与USABC中期目标性能的对照。可以看出，ZEBRA电池已达到中期目标，个别项目还超过指标要求。其中初始生产价格虽然还达不到指标，但因该电池的材料成本只占售价的20%，因此大量生产后的降低余地较大据估算，生产量达30万组电池时，价格即可降至150美元/kWh。另外该电池虽然自放电很低几乎为零，但由于电池组工作温度高，停车时的热损失以及启动时需要长时间加热等缺点，使该电池只适用于经常运转的车队车辆，不太适合于私人小轿车。 表10 ZEBRA电动车电池组性能与USABC中期目标比较8 技术参数 USABC中期目标 ZEBRA Z11电池组 比能量 (Wh/kg) 80(100期望值) 86() 比功率 (W/kg) 150(200期望值) 150() 循环寿命 (次) 600(80%DOD) 1000(100%DOD) 里程寿命 (km) 160000 112000(显示) 年份寿命 (车) 5 5(显示)10(潜在) 价格 (S/kWh) 150 300(初始生产) 再生比功率 (W/kg) 75 200() 工作环境温度 () -30-65 -40-+70 正常充电 (h) 6(20%-100%soc) 6(20%-100%soc) 快速充电 (min) 80 电池组能量损失(W/kWh) 热损失3.2 热损失5.5 自放电48hr15% 无自放电 :系统重量包括BMS、IFB、冷却 至今，ZEBRA电池已有多年的路试历史，目前仍有300多个电池组在进行台架试验及路试。近百辆用ZEBRA电池装备的电动车已有累积2000000km的行驶里程，其中部份试验已超过5年，个别车还创造了实际路试100000km电池无故障的记录。 1.5 质子交换膜燃料电池(PEMFC) PEMFC的优点是以固体物质（聚合物膜）为电解质，易操作无腐蚀，结构紧凑，耐冲击振动，工作温度低（80），易常温起动，具有比其他类型燃料电池更高的功率密度，比蓄电池电动车行驶距离长。90年代以来成为各发达国家竞相开发的电动车用电池。加、美、日、德等国处于领先地位，其中以加拿大巴拉德（Ballard）公司（BPS）最先进。迄今加拿大的BPS公司已开发了3代PEMFC电动车电池9： 第1代：PEMFC电堆MK5，单体平均工作电压 0.57V时可输出功率5kW，功率密度为150W/kg，150W/L，24个电堆构成PEMFC电池发动机用于1993年世界第一辆PEMFC电动公共汽车，总功率43kW，车长9.8m，载客20人，一次加燃料行驶160km，超动时间20S，时速48km，最高时速72km。 第2代 MK513，单体平均工作电压为0.58V时可输出功率13kW，功率密度300W/kg，300W。L，20个电堆串联构成总功率200kW以上的PEMFC发动机，相当于常规公交车所装柴油机功率并占有与柴油机相同的体积。不仅提供行车动力而且提供照明，空调用电。以存放于车身顶部的高压贮氢为燃料，氢瓶压力21MPa，一次加燃料可行驶400km，载客60人，最高时速95km。 第3代 MK7，单体平均工作电压0.68V时可输出功率32.3kW，功率密度700W/kg，1000W/L，已满足并超过汽车制造商、美国能源部及PNGV（Partnership for a New Ceneration Vehicle）所确定的研制目标。 目前，美、日、德等国大汽车公司都致力于PEMFC电动车的开发，而且几乎都是用加拿大BPS公司开发的PEMFC电堆，实用化PEMFC电堆水平如下： （1）用纯H2为燃料：70kW BPS/Daimler-Benz电堆，正在进行车上试验，（NECAR4，4座小轿车），采用7kg液态H2，可行驶450km，效率36%。这是由于使用液态H2必需有一定泄漏量。实际PEMFC电堆的性能是0.7kW/kg,1kW/L，转换效率65%，系统效率45%-50%。 （2）用重整气为燃料 30kW BPS/GM电堆，达到水平为0.3kW/L，0.25kW/kg，使用甲醇转化氢，含CO1510-6。 （3）低Pt载量10kW MTI（美国机械技术公司）电堆，Pt载量0.17mg/cm2，纯H2为燃料，演示性能850mA/cm2，0.6V；功率密度0.25kW/kg。 PEMPC电动车的演示成功，说明在技术上已取得突破，性能上已可与燃油汽车相比。目前商品化的障碍是价格及氢源问题。为此PNGV拟定了技术及价格目标。 （1）市区及高速公路混合行驶，燃料电池系统效率55%（LHV） （2）比功率：0.4kW/kg。 0.4kW/L （3）成本：$30/kW(电堆) $60/kW(系统) （4）启动时间：30s（满功率） （5）寿命：5000h和160000km 降低价格的措施为降低铂载量，已由0.4mg/cm2降至0.13 mg/cm2，并将继续降低到0.1 mg/cm2。0.05-0.025 mg/cm2；降低PEM膜价格：已由$700m2降至$50m2相当于$10/kW(0.65V)和$17kW(0.75V)；降低集流板价格，目前机加工石墨板造价是电堆造价的60%，措施是用不锈钢表面改性、轻金属镀钛或炭黑聚合物模压复合材料（电阻率0.01cm2）以及研究膜电极组件的大规模生产工艺等。 为了将来不必大规模发行当前汽车燃料的供应基础设施，各大汽车公司正集中力量研究车载生整器如小型高集成重整器，可用汽油，甲醇、乙醇等以及部份氧化甲醇重整器，优点是无须加热，直接加入甲醇即可起动。起动时间可以100s。但这样的重整气含CO达到1%，必需处理后方送入燃料电池。尽管已有上述降价途径，但要达到目标，可能还需较长时间（7-10年）。 2 展望从长远的能源及环境保护角度来看，发展电动车将成为必然的趋势。自1996年以来，已有3种类型电动车问世，即以线性蓄电池驱动的零排放的BEV、以燃油机与蓄电池混合驱动的HEV及以燃料电池驱动的FCEV。下面方试图讨论一个这3种电动车的发展趋势。（1）BEV电动车 这种车的优点是零排放，缺点是一次充电行程短，因此只适用于城市中心及小区内的短途运输。改进的铅蓄电池将成为此类车的首先商品化电池。以后，当MH-Ni电池，锂离子电池及Na-NiCl2电池的技术及生产逐渐达到市场接受的性能价格比时，将部份取代铅蓄电池。按我国的国情，发展小型电动车，包括电动两轮车、三轮车及微型四轮车是符合我国国情的个人交通工具，比发达国家具有更广泛的市场前景，政府应鼓励这类车按市场机制开发，同时要抓紧充电站等基础设施建设及在政策、法规上予以