电动汽车电池技术综述

电动汽车电池技术综述摘要：电动车作为新型交通工具，有着巨大的环保价值和广阔的市场前景。目前电动汽车电池有铅酸蓄电池、镰基蓄电池、锂基蓄电池、超级电容器、燃料电池。铅酸蓄电池已成熟产业化，镰基、锂基蓄电池具备产业化条件，但价格昂贵。超级电容和燃料电池目前处在技术攻克阶段。关键词：电动汽车；铅酸电池；镣基电池；锂基蓄电池；超级电容器；燃料电池汽车是发展现代工业技术最重大的成就之一，汽车产业的发展为工业社会的进步做出了巨大贡献。在当代，汽车产业往往是国家的支柱性产业，其强大的产业链特性构成了国家的经济支柱。但随着汽车保有量大量增加，已经引发了严重的环境与人类生存问题，如我国近年出现的雾霾现象。另外，内燃机汽车是以燃烧油料、天然气等宝贵的资源为动力，而这些资源同时又是重要的、不可再生的化工原料，作为燃料直接烧掉是极大的浪费⑴。按照目前的消耗速度，石油、天然气等资源仅仅能再维持数十年的时间。因此随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨，新一代电动车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具，引起了人们的普遍关注并得到了极大的发展。电动车以电力驱动，行驶无排放（或低排放），噪声低，能量转化效率比内燃机汽车高得多。同时，电动汽车还具有结构简单（可以直接利用电于技术实现传动、显示和控制）、运行费用低等优点，安全性也优于内燃机汽车。电动车的发明可以追溯到1881年，距今已有一百多年历史。在其开发应用过程中，曾经于19世纪末在欧美等地区达到一个高潮。但后来由于内燃机汽车以及石油开采技术有了突破性进展，而电动车始终没有解决电池的比容量、功率以及寿命等方面的问题因此电动车的性能远不及内燃机汽车，只好让内燃机汽车垄断市场。进入本

世纪8()年代后，节能与环保问题成为世界各国所关注的主要社会问题，电动车项目已经成为许多国家和各个大汽车公司的重要发展项目，电动车的研究进入了一个新的发展时期。目前,电动车存在的主要问题在于价格、续驶里程、动力性能等方面,而这些问题都是与电源技术密切相关的。如燃油汽车一次加油行驶距离可达50()km左右，而电动汽车一次充电行驶距离一般不会超过200kmo因此，电动车实用化的难点仍然在于电源技术，特别是电池(化学电源)技术。目前世界各国政府都相继发布电动汽车发展战略和国家计划，进一步为产业发展指明了方向。最核心的动力电池组件的研发，也得到高度重视，投入急剧增加，电动汽车技术瓶颈突破的预期大大增强。我国，发展新能源汽车已经上升到国家战略高度。在国务院《政府工作报告》、《汽车产业发展政策》、《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》和《国家中长期科学和技术发展规划纲要》等重要宏观政策中，都专门提到鼓励新能源汽车发展。尤其是2009年，为应对金融危机发布的《汽车产业调整和振兴规划》,提出实施国家新能源汽车战略，重点支持电动汽车零部件产业化和整车的示范推广。此时针对电动车的政策开始细化落实，借助试点、示范运行，经济激励政策取得突破，国家需要动车的政策开始细化落实，借助试点、示范运行，经济激励政策取得突破，国家需要出台新能源汽车补贴政策以支持试点示范㈡。美国奧巴马政府实施绿色新政，把电动汽车作为国家战略的重要组成，2009年3月宣布安排24亿美元支持PHEV的研发与产业化，其中20亿美元用来支持先进动力电池的研发和产业化；日本把发展电动汽车作为“低碳革命”的核心内容，并计划到2020年普及包括电动汽车在内的“下一代汽车”达到1350万辆，为完成这一目标，日本到2020年计划开发出至少17款纯电动汽车、33款混合动力车；德国政府在2008年11月提出未来10年普尺100万辆纯电动汽车和插电式混合动力汽车，并宣称该计划的实施，标志德国将进入电动汽车时代。可以说国家战略的发布实施，对产业发展有着十分重要的导向作用，必将进一步加快国际电动汽车产业发展的进程⑺。电动车用动力蓄电池与一般启动用蓄电池不同，它是以较长时间的中等电流持续放电为主，间或以大电流放电（用于启动、加速或爬坡）0电动车对电池的基本要求可以归纳为以下几点:（1）高能量密度（高质量比能量、高体积比能量）；（2）高功率密度（高质量比功率、高体积比功率）；（3）较长的循环寿命（充放电循环次数、工作年数多）；（4）较好的充放电性能（快速充放电性能和抗过充、过放能力好）；（5）电池一致性好;（6）价格较低;（7）使用维护方便;（8）其它性能好，如安全性能（发生交通事故时的安全性）好，无环境污染问题（电池生产、使用、报废回收的过程中不能对环境产生不良影响）等等。目前电动汽车电池有铅酸蓄电池、银基蓄电池、锂基蓄电池、超级电容器、燃料电池。铅酸蓄电池铅酸蓄电池目前技术成熟，且广泛商用化。它的主要优点在于:低成本、成熟的技术，相对的高功率容量。但也有若干缺点，如其能量密度低（主要是由于铅的高分于量）；温度特性较差曲；高度腐蚀性的硫酸对车内人员造成安全隐患；自放电反应所释放的氢，因为氢在微量状态集聚就极度易燃,造成了潜在的危险。不过已开发的现代铅酸蓄电池补救了它的这些缺点，如减少不活泼物质壳体、集电极和隔膜等，提高比能量，增加使用寿命，但带来了大量的成本增加，带来不能规模化低成本运用。另外，随着铅酸蓄电池产量的增大，报废更新的铅酸蓄电池越来越多，对环境和人类造成极大威胁。铅酸电池主要由铅、硫酸、部分其他金属尺塑料组成。铅酸电池内含有硫酸，浓度接近于纯硫酸，酸液具高溶解性，这种酸液里含有大量的铅、无机盐。废电池里污染最重的是铅。铅是一种重金属，主要存在的形式有两种：烟尘和粉尘。极细小的铅烟尘在50（）°C以上的条件下形成，因而较大颗粒的铅粉尘就成了主要的污染形式。如果人体血液中铅含量超过10（）跆/L，可能会造成贫血、腹痛和脉搏减弱，造成神经代谢、生殖等方面的疾病，严重时会导致人的死亡。而铅酸电池中的酸处理不当流入农田将导致农作物的大量死亡叫报废的铅酸电池早已被列入《国家危险废物名录》。据统计，一组电动车的废电池会污染上万吨水。早期的电动汽车基本上采用铅酸电池，美国通用汽车公司“冲击”牌电动汽车的样车采用了铅酸电池，有连续行驶195Km的记录，但进一步提高铅酸电池的比能量有很大困难，铅酸电池已逐步被其它高能电池取代。镰基蓄电池现有的镣基蓄电池技术有：镰-铁、镣-锌、鎳-镉和葆-氢蓄电池。2.1镰铁蓄电池早在20世纪初期镰-铁系统就已经商品化，其应用范围包括叉式起重机、矿用机车、短途区间车等叫该系统由氢氧化镰-氧化物的正经和金属铁的负极组成。电解液为含有氢氧化锂(5O0L)的氢氧化钾(典型值为240g/L)的浓缩液。镰-铁蓄电池存在排气、腐蚀、自放电和温度特性差的问题。为解决这些问题需要复杂的结构处理放电过程中所释放的氢和氧，以&改善其温度特性，这些会带来较大的成本增加，从而影响了其广泛应用的前景。2.2镰•镉蓄电池镰-镉蓄电池使用了同于镰-铁蓄电池的正极和电解液，在组成中应用了金属隔的负极银隔电池的工作电压较低，单体电池的标称电压为1。2Vo质量能量为55Wh/Kg,质量功率可以超过225W/Kg,循环使用寿命达200()次以上。可以迸行快速充电，充电15min可恢复50%的电荷容量、lh可恢复10()%的电荷容量，但一般情况下完全充电需要6h。深放电达100%,每天自放电率低于()。5%。可以在一4O_8()°C的环境温度条件下正常工作。镰隔电池中采用的隔(Cr)是一种有害的重金属，在电池报废后必须进行有效的回收，这点在国外已能实现。操锅电池的成本约为铅酸电池的4-5倍,初始购置费用较高，但镇锡电池的比能量和循环使用寿命，都大大地高于铅酸电池，因此在电动汽车实际使用时，总的费用不会超过铅酸电池。由于银隔电池使用性能比铅酸电池好，在HEV和EV上得到广泛地采用。克莱斯勒公司的TE厢式车、标致106型电动汽车、雪铁龙AX动汽车及日本本田汽车公司、日产汽车公司等生产的电动汽车上都采用了银锡电池。但银镉蓄电池也有高的初始成本、相对低的单体蓄电池电压以尺隔的致癌性和危害环境的缺点。2.3W-MW电池镰氢电池也是一种碱性电池。镰氢电他的质量能量可达到70-80Wh/Kg,有利于延长电动汽车的一次充电行程。质量功率可达到200-30()W/Km，是铅酸电池的2-3倍，能够提高车辆的起动性能和加速性能。有高倍率的放电特性，短时间可以3C放电瞬时脉冲放电率很大。镰氢电池的过充电和过放电性能好，能够带电充电，并可以快速充电，在15min内可充60%的电荷容量,lh内可以完全充满，应急补充充电的时间短。在80%的放电深度下，循环寿命可达到1()0()次以上是铅酸电池的3倍。采用全封闭外壳以在真空环境中正常工作。低温性能较好，能够长时间存放。镰氢电池的正极，是球状氢氧化镶粉末与添加剂钻等金属、塑料和猫合剂等制成的涂膏，用自动涂膏机涂复在正极板上，然后经过干澡处理成发泡的氢氧化葆正极板。在正极材料(Ni()H)中添加Cn、Co.Zn或稀土元素，对稳定电极的性能有明显的改进。采用高分于材料作为猫合剂或用挤压和轧制而成的泡沫银电极，并采用镣粉、石墨等作为导电剂时，可以提高大电流时的放电性能。镰氢电极的负极的关键技术是储氢合金。储氢合金是一种允许氢原于进人或分离的多金属合金的晶格基块，用钛-钻為-葆（Ti-V-C（）-Cr-Ni）五种基本元素，并与钻、猛等金属元素烧结的合金，经过加氢、粉碎、成型和烧结成负极板。储氢合金的种类和性能，对镰氢电池的性能有直接的影响。负极在充电或放电过程中既不溶解，也不再结晶，电极不会有结构性的变化，在保持自身化学功能的同时，还保证本身的力学坚固性。储氢合金一般需要进行热处理和表面处理，以增加储氮合金的防腐性能，这有利于提高鎳氢电池的比能量、比功率和使用寿命。法国SAFT镇氢电池是采用储氢台金，日本。古河电池是采用AB,或SNh储组合金。人氏类合金是以铺银为基础的稀土合金。AE5类合金是钛皓构成的合金,AB?比ABs有更大的电荷容量，但AB§比AB?有更好的充电性能和稳定性，目前多数鎳氢电池采用了AE,合金作为负极。我国是采用稀土系的储氢合金等，并采用稀土材料作为防腐剂。镰氢电池需要运用贵重、稀有金属，因此成本很高。不同的储氢合金具有不同的储存氢的能力，价格也不相同。锂基蓄电池1990年以后，由于日本开发成功镰氢电池得到了人们的高度重视，应用量急速增加。但自1994年日本新力电池公司推出锂离于电池后，人们又开始认同锂电池，一些镇氢电池企业纷纷转产生产锂电池。一时间人们所热衷的镰氢电池似乎有被冷落的意思。锂电池可分为锂离于电池和锂分于（髙聚合物）电池两种。锂电池具有体积小，质量能和质量功率高、电压高、高安全性（固态）、环保性好和无污染性等优点。锂电池的能量密度（体积能和质量能）几乎是镰镉电池的1。5〜3倍，也就是说在同样大小能量的情况下,锂电池的体积和质量可减小1/2左右。单元电池的平均电压为3。6V,相当于3个鎳镉或镇氢电池串接起来的电压值。能减少电池组合体的数量，从而因单元电池电压差所造成的电池故障的概率可减少许多，也就是说大大延长了电池组合体的寿命。在开发锂电池过程中，也经历了一些技术进步和不断完善的过程。锂电池处于过充电状态时,钻系锂电池要将正极材料氧化锂钻分解成强还原剂氧化钻，要使裡在极板上形成树枝状的针尖状物质。此树枝状针尖状物质极易刺穿正极板间厚度仅数微米的隔离膜而造成短路。造成强还原剂和强氧化剂发生化学反应，从而急剧释放出大量能量，引起电池爆炸和引发火灾。为此人们将钻系改成猛系，有效解决了上述问题。选择特殊的隔离膜材料,使之能在过充电电池温度上升到一定温度时熔融，起到保护作用。加装安全阀，防止高温环境下电解液汽化，以避免压力升高造成意外。人们在解决了这个难题后，锂电池安全性也就可有了保证。为进一步增进锂电池的安全性，人们在实际应用锂电池时往往还要加装钮电池保护电路模块(PGM)。它由IC和MOSFET开关等主要元件组成，具有过充电(小于4。25V〜4。35V)保护和过放电决于2。75V〜2。8V)保护，以及过电流保护功能。总之，锂电池已日臻完善，在电动车上它大有取代铅酸电池、镰镉电池、镇氢电池之势，它将随着电动车的普尺发展而成长壮大。在为于孙后代节省化石能源的责任感下，电动车定会得到大发展，锂电池也将呈亮丽的发展之势，它将成为21世纪电动车的主要电池。超级电容器超级电§(Ultracapacilor)是近期发展起来的一种新型储能元件，是一种具有超级储电能力、可提供强大脉动功率的物理二次电源，它与常规电容器不同，其容量可达数万法。超级电容按储能机理主要分为三类⑹①由碳电极和电解液界面上电荷分离产生的双电层电容；②采用金属氧化物作为电极，在电极表面和体相发生氧化还原反应而产生可逆化学吸附的法拉第电容;③由导电聚合物作为电极而发生氧化还原反应的电容。由于双电层电容的充放电纯属于物理过程，其循环次数高，充电过程快，因此比较适合在电动车中应用。双电层超级电容是靠极化电解液来储存电能的一种新型储能装置，其原理结构如图1所示。当向电极充电时，处于理想化电极状态的电极表面电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离于，使这些离于附于电极表面形成双电荷层，构成双电层电容。由于超级电容与传统电容相比，储存电荷的面积大得多,电荷被隔离的距离小得多，因此一个超级电容单元的电容量就高达几法至数万法％由于采用了特殊的工艺，超级电容的等效电阻很低，电容量大且内阻小，使得超级电容可以有很高的尖峰电流，因此具有很高的比功率,高达蓄电池的5()〜1()()倍，可达到10kW/kg左右，这个特点使超级电容非常适合于短时大功率的应用场合。由于超级电容的优越性能和近年来对超级电容开发能力的提高，因此超级电容在工业领域中得到了广泛应用宀⑴。目前，世界各国争相研究、并越来越多地将其应用到电动车上。超级电容已经成为电动车电源发展的新趋势""，而超级电容与蓄电池组成的复合电源系统被认为是解决未来电动车动力问题的最佳途径之一。日本的情况。日本是将超级电容应用于混合动力电动汽车的先驱，超级电容是近年来日本电动车动力系统开发中的重要领域之一。本田的FCX燃料电池-超级电容混合动力车是世界上最早实现商品化的燃料电池轿车，该车已于2002年在日本和美国的加州上市。日产公司于2002年6月24日生产了安装有柴油机、电动机和超级电容的并联混合动力卡车，此外还推出了天然气回超级电容混合动力客车，该车的经济性是原来传统天然气汽车的2-4倍。目前，装备超级电容的混合动力电动公交车已经成为日本的国家攻关项目。欧美的状况。瑞士的PSI研究所给一辆48kW的燃料电池车安装了储能360Wh的超级电容组，超级电容承担了驱动系统在减速和起动时的全部瞬态功率，以50W的15s额定脉冲功率来协助燃料电池工作，牵引电机额定连续功率为45kW,lll$值功率为75kW,采用36()V的直流电源。大众Bora实验车进行的燃油消耗测试结杲表明其油耗少于7L/100km,而相同质量的EMW7系列油耗则为10.7L/100kmo1996年俄罗斯的Ellrail公司研制出以超级电容作电源的电动汽车，采用30()个电容串联，充电一次可行驶12加，时速为25km/h。美国在超级电容混合动力汽车方面的研究也取得了一定进展,Maxwell公司所开发的超级电容器在各种类型电动汽车上都得到了良好的应用。美国NASALewis研究中心研制的混合动力客车采用超级电容作为主要的能量存储系统。中国的现状。目前，国内对以超级电容作为惟一能源的电动汽车的研究取得了一定的进展,2004年7月我国首部m电容蓄能变频驱动式无轨电车(在上海张江投入试运行，该公交车利用超级电容比功率大和公共交通定点停车的特点，当电车停靠站时在30s内快速充电，充电后就可持续提供电能，时速可达44km/h。2005年1月上海交通大学与山东烟台市签晉协议，共同投资开发超级电容公交电车，计划在烟台福山区建一条12km的示范线，在福山高新技术产业区建立年产1万辆新型环保超级电容公交车的生产基地。哈尔滨工业大学和巨容集团研制的超级电容电动公交车，可容纳50名乘客，最高速度2()km/ho但是，国内目前对超级电容-蓄电池复合电源电动车的设计尺控制，基本上还处于起步阶段(绚。超级电容由于具有比功率高、循环寿命长、充放电时间短等优势，因此作为电动车的动力源而得到重视。随着环保型电动车研究的深入，超级电容已经成为近年来新型能源器件的一个研究热点，超级电容的市场份额也将会越来越大。用超级电容作为惟一能源的电动车，由于超级电容比能量低的致命影响，注定其续驶里程短，难以推广应用。如果超级电容的比能量不能在近阶段内有突破性进展，那么以超级电容作为惟一能源的电动车在近几年里就很难迸入实用阶段。燃料电池燃料电池(Fuc1cell)是一种将氢和氧的化学能通过电极反应直接转换成电能的装置。由于燃料电池同时兼具无污染、高效率、适用广、噪声低、可快速补充能量、具有模块化等特点，被认为是今后替代传统内燃机最理想的汽车动力装置。与传统内燃机汽车、纯电动车、混合动力电动汽车相比，燃料电车汽车具有以下优势。(1)能量转换效率高燃料电池的最大特点是反应过程不涉及燃烧和热机做功，因此能量转换效率不受“卡诺循环”的限制。燃料电池理论上能量效率可接近83%,实际使用中能量转换效率高达60%〜70%,是普通内燃机的2倍左右。由于传统的内燃机汽车经常工作在负荷较低的工况下，燃油效率差，而燃料电池在低负荷时的系统效率较高，这一特点更适合于汽车应用。(2)绿色环保燃料电池可以使用石油燃料或有机燃料，并可使用包括再生燃料在内的几乎所有的含氢元素的燃料。氢燃料电池电动车以纯氢为燃料，反应生成物只有水，属于零排放。其他非纯氢燃料电池电动车污染物的排放均比以汽油机和柴油机驱动的汽车低1〜2个数量级，而且C02的排放量降低了40%〜6()%。所以总体上讲，目前使用燃料电池作为动力源的交通工具在环境保护方面的优势是传统汽车无法达到的。(3)运行噪声低燃料电池属于静态能量转换装置，除了空气压缩机和冷却系统外无其他部件的运动，因此运行比较平稳、无噪肖和振动。(4)续驶里程长采用燃料电池系统作为能量源，克服了纯电动汽车续驶昱程短的缺点，其长途行驶能力尺动力性已接近传统汽车。(5)设计灵活方便燃料电池汽车可以按照线传操控技术的思路进行汽车设计，改变传统的汽车设计概念，可以在空间和重量等问题上进行灵活的配置。线传操控技术具有操控简便快捷、精确控制、减轻重量、环保节能和节省空间等优点。线传操控技术使用计算机、电于线路和电机来替代原先通过机械连接方式实现的功能，使汽车可以彻底抛弃传统机械连接装置的束缚。虽然燃料电池电动汽车推出容易，但是推广难度大。燃料电池汽车在发展过程中遇到了一些困难，存在着以下几方面问题需要解决。燃料电池价格过高车用的燃料电池基本为质于交换膜燃料电池，目前质于交换膜燃料电池的价梏在500美元/kW左右，一辆使用5()kW质于交换膜燃料电池的FCEV单纯燃料电池的成本就达到2-5万美元，这是市场无法接受的。只有当燃料电池生产成本降到5()美元/kW的水平才能为消费者所接受。也就是说，当一台80kW的汽车用燃料电池的成本降到350()美元的价格时，才能创造巨大的市场效益。造成燃料电池高成本的原因有3方面：首先是质于交换膜的价格过高；其次是燃料电池电极催化剂贵金属钳价格昂贵；最后由于质于交换膜燃料电池产量过低，这也是导致其成本过高的一个主要原因。质于交换膜燃料电池最理想的燃料是纯氢，由于氢气需要人工制取。大量高纯度氢气需要繁琐昂贵的工艺，因此提炼髙纯度液氢的高成本成为目前影响氢动力汽车推广的主要障碍之一。FCEV—次加氢的行驶距离应该在50()km以上才能满足市场的需求，即每次加氢在5炖以上。由于氢气比重轻、室温下呈气态，如果以压缩状态储存在高压容器中，为了获得与内燃机车相当的续驶里程需要很大容积的储气罐，这必然会给汽车的布置带来困难；以液态储氢可以解决续驶里程与整车布置的矛盾，但是将氢气液化会消耗相当于所液化的氢气所含的60%的能量、而且车载冷却装置成本昂贵。其他储氢方法比如金属氢化物储氢等技术目前还尚未成熟，但目前有一种单位质量可以吸收20%氢气的、具有复杂纳米结构的石墨纤维受到了关注，具有很大的市场潜力。(3)加氢站基础设施不気善、建设成本昂贵氢动力汽车进行燃料补给的加氢站建设投入大、不成体系，无法为其长时间远距离运行提供保障，也成为影响氢燃料电动汽车发展的因素。其他的有待解决的问题包括提高燃料电池的比功率和功率密度、提高蓄电池的比能量和能量密度、减少钳催化剂的用量和寻找钳催化剂替代物等。6结语电动汽车是未来汽车产业的制高点，我国未来电动汽车的发展需要国家从顶层设计的角度考虑。我国电动汽车技术起步相对较晚，还有很长路要走，并且需要政策的长期扶持。在电池技术方面，近期或中期镰基蓄电池和锂基蓄电池是主要的发展趋势，远期超级电容器和燃料电池是发展趋势。参考文献：[1]YERuqiu.EnergyandenvironmentissuesinChina[A]・EditedbyMAOZQ,VEZIROGLUTN。Proceedingofthe13thWorldHydrogenEnergyConference[C]。Beijing:2000.75-84.杜坤•中国电动车产业未来发展趋势探析[F]•经济论从,2010,(20):216-218T.R.Crompton,BatteryReferenceBook,SocietyofAutomotiveEngineers(SAE),Press,0xford,2001.包有福，胡信国，童一波，等•废旧铅酸电池的回收和再利用[J]•电池工业，2002,4(2):42-44.D.AJRand,R.Wood,andR.M.Dell,BatteriesforElectricVehicles,SocietyofAutomobileEngineers(SAE),Warrendale,PA,1988.⑹储军，陈杰，李忠学•电动车用超级电容器充放电性能的实验研究[J]•机械，2004,31(3):20-22.CHUJun,CNENJie,LIZhongxue.Experimentalresearchoncarbonbasedsupercapacitors*characterofgreatcurrentchargeanddischarge[J].Machine,2004,31(3):20-22.张慧妍•超级电容器直流储能系统分析与控制技术的研究[D].北京：中国科学院电工研究所,2006.YOSHIDAA,IMOTOK,YODEDAH,etal.AnelectricdoubleElayercapacitorwithhighcapacitanceandlowresistance[J]•IEEETransonComponentsHybridsandManufacturingTechnology,1992,15(1):133-138.CONWAYBE.Electrochemicalsupercapacitors:scientificfundamentalsandtechnologicIapplications!M].NewYork:Plenum,1999•陈永真•电容器及其应用[M]•北京：科学出版社,2005•ZOUJiyan,ZHANGLi,SONGJinyan.Developmentofthe40Vhybridsupercapacitorunit[J]•lEEETransonMagnetics,2005,41(1):294-298.BAISDENAC,EMADIA.ADVISOR-basedmodelofabatteryandanultracapacitor