现有电动汽车用动力电池及其发展趋势

电动汽车用动力电池分类及其发展趋势

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1 前言

上个世纪80 年代以来, 随着全球经济的稳步发展, 汽车的产量和保有量急剧增加。这些燃油汽车所排放的废气造成空气质量日趋恶化。环境问题, 特别是大气环境污染问题, 已引起世界各国, 尤其是发达国家的普遍关注。同时, 目前世界石油资源日趋紧张, 石油价格始终居高不下。因此, 各国政府和各大汽车企业都正在加紧开发无排放或低排放、低油耗的清洁汽车。

进入90 年代, 以美欧为主的一些西方国家开始制订并逐步执行严厉的汽车尾气排放标准, 低能耗、无污染的绿色汽车开始成为人们关注的热点。而电动汽车又是能达到这一目标的为数很少的环保型汽车。迫于形势的要求, 各种新材料和新技术在电动汽车上不断被开发应用, 电动汽车的发展异常迅猛。

2 电动汽车用动力电池分类

2.1 铅酸电池

铅酸电池是采用金属铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸作为电解液，放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅。充电时反应过程正好相反。现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电池（VRLA）。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。由于铅酸电池的技术比较成熟，经过进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源。

2.2 镍金属电池

镍氢蓄电池正极活性物质采用氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电解液为氢氧化钾溶液，电池充电时，正极的氢进入负极贮氢合金中，放电时过程正好相反。在此过程中，正、负极的活性物质都伴随着结构、成分、体积的变化，电解液也发生变化。相对于其他电池，N 12MH 电池的优异特性表现在：高比

能量（衡量电动车一次充电行驶里程）已与锂离子电池水平相当；高比功率（赋予电

动车良好的启动、加速、爬坡性能）其性能已高于锂离子电池；长寿命特性（赋予电池良好的经济性）平均寿命3 0 0?6 0 0次；安全性能高，无污染物，被誉为“绿色电源”。但是目前阻碍其应用的一个重要问题是初始成本太高，而且还有记忆效应和充电发热等问题，充电发热会引发安全问题，因此，要求发展相应可靠的能量管理系统。

2.3 锂离子蓄电池

锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。放电时，锂离子由电池负极通过电解液流向正极并被吸收，充电时，过程正好相反。锂离子电池基本上解决了蓄电池的2个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。同时锂离子电池具有高电池单体电压、高比能量和能量密度，可以说是当前比能量最高的电池，工作稳定。它的性能指标都可以满足US ABC制定的电动车中期目标。缺点是自放电率高，初始成本较高。

2.4 锂聚合物电池

锂聚合物电池又称高分子锂电池，它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池（Li-i on）相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化以及高安全性和低成本等多种明显优势。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态” 的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高5 0%以上。此外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。

1.5 高温钠电池

高温钠电池主要包括钠氯化镍电池（NaNiC12）和钠硫蓄电池2种。钠氯化镍电池正极是固态N 1C12，负极为液态Na，电解质为固态B—A1 2 0 2陶瓷，充放电时钠

离子通过陶瓷电解质在正负电极之间漂移。钠氯化镍电池是一种新型高能电池，它具有比能量高（超过1 OOWh/kg）、无自放电效应、耐过充、过放电、可快速充电、安全可靠等优点，但是其工作温度高（2 5 0?3 5 0 C），而且内阻与工作温度、电流和充电状态有关，因此需要有加热和冷却管理系统。钠硫蓄电池具有高的比能量和功率，但成本高，安全性差，其工作温度接近3 0 0 C,熔融的钠和硫有潜在的危险性，并且腐蚀也限制了电池的可靠性和寿命。

2.6锌空气电池（Zinc-air）

锌空气电池是一种机械更换离车充电方式的高能电池，正极为Zn，负极为 C （吸收空气中的氧气），电解液为KOH。锌空气电池的电压为1 .4V 左右，放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制约。每一型号的电池有其最佳使用电流值，超过极限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的荷电量一般比同体积的锌锰电池大3倍以上。锌空气电池具有高比能量，免维护、耐恶劣工作环境，清洁安全可靠等优点，但其比功率较小，不能存储再生制动的能量，寿命较短，不能输出大电流及难以充电等缺点。一般为了弥补它的不足，使用锌空气电池的电动汽车还会装有其它电池（如镍镉蓄电池）以帮助起动和加速。

2.7 超级电容

超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学电容，兼具电池和传统物理电容的优点。其特点是寿命长、效率高、比能量低、放电时间短。超级电容往往和其它蓄电池联合应用作为电动汽车的动力电源，可以满足电动汽车对功率的要求而不降低蓄电池的性能。超级电容的使用将减少汽车对蓄电池大电流放电的要求，达到减少蓄电池体积和延长蓄电池寿命的目的。根据电极材料的不同，超级电容可分为碳类超级电容（双电层电化学电容）和金属氧化物超级电容两类。

2.8 飞轮电池飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池，它由电动/发电机、

功率

转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳体等部分组成，具有高比功率、高比能量、高效率、长寿命和环境适应性好等优点。飞轮电池中的电机在充电时以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转（可达到20000 0r/min ），即用电给飞轮电池“充电”，增加了飞轮的转速从而增大其动能。放电时，电机则以

发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能（动能）到电能的转换。要开发适合电动汽车的实用性飞轮电池，就必须进一步提高它的安全性并降低成本。

2.9 燃料电池燃料电池是一个能量生成装置，并且一直产生能量，直到燃料耗尽。它的优越性在于高效率的把燃料转化为电能，工作安静，以纯氢为燃料时可以实现零排放，燃料补充迅速，并且燃料容易获得。缺点是现在的应用技术还需要进一步的提高，还存在一定的安全问题和价格问题。2 0世纪9 0年代以来燃料电池成为各个发达国家竞相开发的电动车电池。加拿大、美国、日本、德国等国家处于领先地位，其中以加拿大的巴德拉公司最为先进。由于汽车运行工况复杂，如果单独用燃料电池作动力源会导致燃料电池后备功率很大，引起重量增加，成本上升，氢气利用低的问题。所以，目前的燃料电池几乎全部采用燃料电池加辅助动力源的混合驱动方案。目前以氢为燃料的电动汽车在性能上已经基本赶上了燃油汽车。但是，高成本制约了发展。

2.10 太阳能电池太阳能电池是一种把光能转换为电能的装置。目前，部分机构也已研制出了使用太阳能电池的电动汽车样车，但是由于太阳能电池还存在光电转换效率不高、价格太高、电池系统配置较复杂等问题，近期内只能作为电动汽车的补充电源，还不能大规模的生产应用。但太阳能作为最清洁的、取之不尽用之不竭的能源，对它的研究和应用必将会取得长足的进步。

3 电动汽车对动力电池的要求

作为电动汽车用的动力电池, 必须满足下列要求:

1）能量密度高，指电池的质量比能量（W?h -kg - 1 ）和体积比能量（W-h ?_ － 1 ），亦即单位质量或单位体积的电池所能供给的能量。比能量越高，同一质量或同一体积电池所储存和释放的电能就越多。显然，使用比能量高的电池体系有助于降低动力电池的质量和体积，提高电动汽车的有效载量，乃至它的一次充电续驶里程。因此，能量密度是评价动力电池应用性能的一个最重要指标。

2）比功率大。指单位质量或单位体积电池所能输出的功率，分别称为质量比功率(W ? kg — 1 )和体积比功率(W ? L - 1 )。比功率越高，则单位时间电池的输出能量越大，电动汽车的加速性能和爬坡性能就愈优越。就混合动力车而言，

如电池系统的比功率大，其制动能量回收的效率一般就越高，节油效果也越理想。

3) 循环或使用寿命长。其含意即指一定的充放电制度或工况条件下，电池容量

降到某一额定值前所经历的充放电次数。循环寿命越长，则电池在正常使用周期内支撑电动汽车行驶的里程数就越多，有助于降低车辆使用期内的运行成本。

4) 均匀一致性好、可靠性高。对于电动汽车而言，电池组的工作电压大多均应达到数百伏，这就要求至少有几十到上百只电池的串联。为达到设计容量要求，有时甚至需要更多的单体并联。由于电池组的使用性能会受到性能最差的某些单节电池的制约，因此设计上要求各电池单体在容量、内 4 阻、功率特性和循环特性等方面具有高度的均匀一致性，而运行过程中高的可靠性，则有利于减小汽车的维修次数和维修成本。

5) 高低温性能好、环境适应性强。电动汽车作为一种交通工具，要求电池不仅能在北方冬天极冷的气温下，而且能在南方夏天炎热环境中长期稳定地工

作。在最恶劣的气候条件下，电池的工作温度可能要从—40 C变到60 C,

甚至80 C。因此，要求电池应当具有良好的高低温特性。

6) 安全性好。能够有效避免因泄漏、短路、撞击、颠簸等引起的起火或爆炸等危险事故发生，确保汽车在正常行驶或非正常行驶过程中的安全。

7) 自放电率低。自放电是电池在开路状态下自动放电致使电池容量降低的现象。其自放电程度，由自放电率表示，即单位时间内容量降低的百分数。

8) 价格低廉。包括材料来源丰富，电池制造成本低，以使降低整车价格，提高电动汽车的市场竞争力。

9) 绿色、环保。要求电池制作的材料与环境友好、无二次污染，并可再生利用。

对于目前任何一种动力电池来说，如要完全满足上述要求，显然存在一定的困难。在实际选择电池时，往往根据汽车本身动力系统的要求，侧重于电池的某一部

分指标，而其他指标仅作参考。

4 未来电动汽车动力电池发展趋势

4.1 各种电动汽车动力电池的发展空间

目前, 用于电动汽车的动力电池的种类很多, 而且市场竞争日趋激烈。在这种情况下, 加快研究和开发适当的电动汽车动力电池并使之商品化是很关键的。欧盟

(EU)执委会已决定自2003年7月1日起,新销售的汽车(包括电动汽车), 禁止使用铅, 水银, 镉和铬等重金属;并且自2006 年 1 月 1 日起, 所有汽车(包括电动汽车),禁止使用镉电瓶，建议使用MH-Ni和Li-ion 电瓶。这对当前电动汽车动力电池的发展带来了一个明显的信号。当前集中研究的电动汽车动力电池主要有如下几种:

(1) 密封双极LAB 0LAB生产厂家很多,由于Cd-Ni的性价比不如LAB且存在镉污染, 所以, 发展全密封阀控式LAB , 淘汰传统的LAB 并向双极结构和轻量发展是主要方向。最近美国开发了一种铅布双极LAB , 使比能量比提高了

50 %?10 %,寿命提高了近一倍；

(2) MN-Ni , Zn-Ni , Li-ion 由于电池成本高, 导致汽车整车成本比一般内

燃机汽车高出一倍以上, 很难为普通消费者接受, 急需降低成本。Cd-Ni ,Fe-Ni 比能量低,而且,Cd-Ni存在着Cd污染，Fe-Ni电池存在着需要定期加水和除去氧气等问题, 相对而言锌空气电池有推广前途, 价格也适当；

(3) 超大容量电容器和飞轮蓄电池, 极有前途。日本已有商品问世, 美国已完成样品试验。作为辅助动力电池, 国内急需组织开发。

⑷PEMFC 一直被认为是电动汽车的理想电源。作为实用开发的重点和目标应该分为近期、中期和远期。近期以改进的LAB 为主, 中期以MHN、i Li-ion 、锌空气电池、超大容量电容器和飞轮蓄电池为主，远期以PEMFC为主。

4.2 动力电池技术发展之路进一步提高动力电池比能量、比功率、可靠性和安全性，以及进一步降低成本是电动汽车发展的持续要求，也是动力电池技术发展的永恒主题和趋势。在

《NEDOF—代汽车用蓄电池技术开发路线图2008》中，日本明确提出了未来动力电池的发展目标。到2015 年，动力电池成本降低至现有水平的 1 /7 ，功率型电池比能量从现有70 Wh/kg提高至100 Wh /kg，功率密度从现有的1800 W/kg 提高至2000 W/kg;能量型电池从现有的100 W- h /kg 提高至150 W- h /kg ; 功率密度从现有的400 W/kg提高至1200W/k? 到2020年，动力电池成本继续降低至现有水平的1 /10 ?功率型电池比能量、功率密度分别提高至200 W?h /kg 和2500 W- kg;能量型电池比能量、功率密度分别提高至250 W- h/kg和1500 W/kg。并提出至2030年，先进体系动力电池的比能量达到500 W- h/kg以上的开发目标，纯电动车的续驶里程与燃油车相当。与此同步，动力电池的发展目标也被划分为 3 个发展阶段，分别为: 先进锂离子电池( 现在—2015 年) ，革新性锂离子电池( 2015 —2020 年) 和新

体系动力电池( 2020 —) 。由此可见，在未来相当长的时间内，锂离子电池仍将是动力电池的主流产品。但考虑到锂离子电池的能量密度难以突破300 W- h/kg这一极限值，需要尽快开展动力电池的新体系研究。对于动力锂离子电池来说，由于借鉴了小型电池十余年大规模产业化的经验，工艺技术已相对成熟，单纯依靠工艺改进来提高电池比能量的空间非常有限。因此，开发高比能新材料已成为动力锂离子电池比能量大幅度提升的唯一可能途径。从目前研究进展来看，高容量锰基固熔体正极xLi2MnO3?(l —x) LiMO2( M = Ni 、Co Mn)和锡基、硅基合金负极被认为是最有潜力的突破方向。前者的比容量达到了250 mA- h/g以上，几乎接近了

嵌入正极所能达到的理论极限；而后者的理论比容量分别高达994mA h/g和4200 mA- h/g，远高于目前碳负极372 mA- h/g的理论比容量。加紧材料制备和应用性能的研究，解决其循环稳定性问题，有可能发展出比能量接近或达到300 W- h/kg的新型锂离子电池。在新体系电池研究方面，Li /S 电池是有望突

破500 W- h/kg比能量值的电池体系之一，值得关注。目前Li /S 电池的主要

研究焦点是提高硫电极的电化学活性，抑制硫中间可溶性产物的溶解流失，改善电极的循环稳定性。此外，高价阳离子电池如Ca 电池、Mg 电池，因反应过程涉及多个电子转移，理论上具有较现有锂离子电池更高的能量密度，也应受到重视。从更长远来看，锂空气电池值得关注。

5 结语

发展电动汽车是人类一个多世纪以来的追求和梦想。但由于受到化学电源技术水平的制约，电动汽车的发展几起又几落。近年来，随着以镍氢电池和锂离子电池为代表的先进二次电池体系的快速发展，电动汽车的开发、应用又一次迎来

了高潮，伴随而来的是混合动力车的大规模应用和各种插电式混合动力车、纯电动车的成功上市。但应当看到，目前被寄予厚望的动力锂离子电池仍然存在许多有待解决的应用问题，特别是安全性、环境适应性和成本。而从电动汽车的中长期发展看，现今化学电源的技术水平尚远不能支持纯电驱动电动车的商业化普及应用，化学电源的发展任重而道远。