电动汽车用动力电池技术现状及发展趋势

电动汽车用动力电池技术现状及发展趋势山东科技大学（青岛校区）交通学院车辆工程秦泰266510Abstract:Electricvehiclebatteryisthecoreofthedevelopmentofelectricvehicles,butalsothekeypointofthepowerindustryandtheautomotiveindustry.Thepaperfirstlyintroducesthedevelopmentofelectricvehiclebatteryandthenfocusesonthreekindsofelectricvehiclepowerbattery(lead-acidbatteries,nickelmetalhydridebatteriesandlithiumionbatteries)thedevelopmentstatusandapplicationexamples,thenfromtechnicalandeconomicaspectsareanalyzed,Keywords:leadacidbattery,lithiumionbattery,energystorage,life摘要：电动汽车电池既是发展电动汽车的核心，更是电力工业与汽车行业的关键结合点。本文首先介绍电动汽车电池的发展历程，随后重点介绍3种电动汽车动力电池(铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池)的研发状况和应用实例，接着从技术和经济层面加以分析，分别论述其在电动汽车领域的应用前景，同时介绍几种处于研发阶段的电动汽车最新电池技术。最后根据国情，探讨了电动汽车电池未来的发展方向和研究重点。关键词：铅酸电池锂离子电池能量存储使用寿命正文：1、电动汽车对电池的要求电动汽车电池作为汽车的储能装置，既要求有足够的能量来满足一定的驾驶周期和行驶里程，又要提供能达到车辆指定的加速性能所需要的最大功率。基本要求如下：1）良好的充放电性能（快速充放电性能和耐过充，过放电容量）；2）高功率密度（高功率，高功率体积比）；3）高的能量密度（高质量的能量，高体积比TT）；4）价格较低，操作和维护方便；5）电池一致性；6}较长的循环寿命（充放电循环后，工作年限）；7）其他的性能，对环境的污染问题（电池的生产，使用，报废回收过程中不能对环境有负面的影响）等。2、铅酸蓄电池2.1关键技术铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池，主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的电源。铅酸蓄电池在过去半个世纪被广泛应用，具有成熟的技术，可以大批量生产，生产成本低，价格便宜。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池至今仍作为动力源应用于旅游观光车，电动叉车或者一些短距离行驶的公交车上。应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池不须维护，允许深度放电，可循环使用；然而这款电池依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度大。功率密度虽可以通过增大电极的表面积来提高，却会增加侵蚀速度而缩短电池的使用寿命。充放电方式也会严重影响它的使用寿命，长期过充电产生的气体会导致极板的活性物质脱落，不适合放电到低于额定容量的20%，反复过度放电同样导致寿命急剧缩短；此外，在没有定期充满的情况下会有硫酸盐晶体析出，硫酸盐晶体会使电池的孔隙度降低，限制活性物质的进入，导致电池的容量减小。在典型的HEV应用中，电池经常工作于一个高倍率部分荷电状态，使用寿命和性能表现会因此受到严重影响。掌握铅酸电池变流放电情况下的电池特性对延长电池寿命有重要意义。2.2应用及优缺点VRLA电池用途广泛，可用在电动工具，UPS，电动轮椅，计算机和通讯设备等方面。VRLA电池是这样设计的：在电池中，一部分数量的电解液被吸收在极片和隔板中，以此增加负极吸氧能力，阻止电解液损耗，使电池能够实现密封。优点：安全密封：在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出。没有自由酸：特殊的吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。泄气系统：电池内压超出正常水平后，VRLA(Valve-RegulatedLeadAcidBattery即“阀控式密封铅酸蓄电池”的缩写）电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体。维护简单：由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用电池的过程中不需要加水。使用寿命长：采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板，电池可浮充使用10-15年。质量稳定：采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统，电池的质量稳定，性能可靠。电压、容量和密封在线上进行100%检验。缺点：铅的污染；无记忆效应充电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值；重量大、体积大、能量质量比低，对充放电要求严格。3、镍氢电池3.1关键技术高温镍氢电池是伴随着电池充放电过程和使用环境对电池性能要求而产生。目前高温镍氢电池制造的关键技术主要在于正、负极材料的优化：1、正极材料配方中添加稀土、稀有金属、碱土元素等，如Mg、Ca、Sr、Sc、Y、La、镧系元素、Ti、Zr、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Cd、B、Al、Ga、In、Si、P、As、Sb、Bi其中一种或多种氧化物、氢氧化物，主要以机械混合法在电池制造的配料工艺中进行；2、在正极材料-球形氢氧化镍的制造中采用掺杂以上多种元素、在商品掺杂球镍（Cd+Co球镍、Zn+Co球镍）包覆（涂覆）一层或多层上述元素的氢氧化物，主要采用液相沉淀法；3、对负极材料-贮氢合金进行改良，主要是对AB5型合金的组成成分比例和增加其他元素达到好的效果。3.2应用及优缺点大功率的镍氢电池也使用在油电混合动力车辆中，最佳的例子就是丰田的prius，该车使用了特别的充放电程序，使电池充放电寿命可足够车辆使用十年。其他使用镍氢电池的混合动力车辆包括有：本田洞察者，福特汽车的Ford，雪佛兰的ChevroletMalibu，本田的HondaCivicHybrid，通用汽车的HondaCivicHybrid，本田的HondaEVPlus，福特汽车的FordRangerEV优点：1）质量比功率高：目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350Wh/kg。2）循环次数多：目前应用在电动车上的镍氢动力电池，80%放电深度（DOD）循环可以达1000次以上，为铅酸电池的3倍以上。100%DOD循环寿命也在500次以上。在混合动力汽车中可使用5年以上。3）无污染：不含铅、镉等对人体有害的金属，为21世纪“绿色环保电源”。4）耐过充过放。5）无记忆效应。6）使用温度范围宽：正常使用温度范围了-30～55℃；贮存温度范围-40～70℃。7）安全、可靠：短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性、可靠性试验无爆炸、燃烧现象。缺点：1）自放电率高：满电常温下存储自放电率30～35％2）高温性能差3）在过充和过放时会排出气体4.锂离子电池4.1关键技术锂离子电池：是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。4.2应用及优缺点目前，锂电现在被广泛应用于电动车行业，例如Mitsubishi已发布的采用锂电池为电力的电动汽车。鉴于大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预估将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一。由其以磷酸铁锂材料的锂电池出现，更推动了锂电池产业的发展和应用。优点：1）电压高：单体电池的工作电压高达3.7-3.8V（磷酸铁锂的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍。2）比能量大：能达到的实际比能量为555Wh/kg左右，即材料能达到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理论值的约88%。3）循环寿命长：一般均可达到500次以上，甚至1000次以上，磷酸铁锂的可以达到2000次以上。对于小电流放电的电器,电池的使用期限，将倍增电器的竞争力。4）安全性能好：无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身新型锂离子电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。5）自放电小：室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni-MH的30-35%。6)快速充电：1C充电30分钟容量可以达到标称容量的80%以上，磷铁电池可以达到10分钟充电到标称容量的90%。7)工作温度：工作温度为-25~45°C，随着电解液和正极的改进，期望能扩宽到-40~70°C。缺点：1）衰老：与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关。可能的机制是内阻逐渐升高，所以，在工作电流高的电子产品更容易体现。2）回收率：大约有1%的出厂新品因种种原因需要回收。3）不耐受过充：过充电时，过量嵌入的锂离子会永久固定于晶格中，无法再释放，可导致电池寿命短。4）不耐受过放：过放电时，电极脱嵌过多锂离子，可导致晶格坍塌，从而缩短寿命。5、燃料电池5.1关键技术燃料电池汽车的车用储氢器必须具有较高的单位质量储氢密度。美能源部认为，车用高压储氢的单位质量密度至少应为6%，即每立方米储存60公斤氢气。为了满足汽车480公里续航能力的要求，一次需储氢大约4到7公斤。目前小型汽车的车用储氢方式大多采用高压储氢，工作压力为70兆帕的碳纤维储氢瓶是目前家用汽车的最佳选择，其售价大约为3000美元。研究人员正在致力于开发新的材料和制造工艺，以进一步降低储氢气瓶成本。目前正在进行的另一研究方向是，通过采用高表面积材料研究低压吸附储存氢气。5.2应用及优缺点燃料电池汽车的实用性能，如行驶速度、加速能力、一次加注燃料续驶里程等方面，可以和目前的燃油汽车相媲美。这是燃料电池汽车易于被使用者接受的主要原因。氢燃料电池汽车和传统的内燃机汽车有很大的不同，燃料电池汽车不用内燃机离合器、传动轴等，省去70％的机械零件，使之更适合自动化生产。更便宜，更容易进入千家万户。优点：1）燃料多样性：现代种类繁多的电池中，虽然仍以氢气为主要燃料，但配备燃料转化器(或译重组器，fuelreformer)的电池系统可以从碳氢化合物或醇类燃料中萃取出氢元素来利用。此外如垃圾掩埋场、废水处理场中厌氧微生物分解产生的沼气也是燃料的一大来源。利用自然界的太阳能及风力等可再生能源提供的电力，可用来将水电解产生氢气，再供给至燃料电池，如此亦可将水看成是未经转化的燃料，实现完全零排放的能源系统。只要不停地供给燃料给电池，它就可不断地产生电力。2）高效能：由于燃料电池的原理系经由化学能直接转换为电能，而非产生大量废气与废热的燃烧作用，现今利用碳氢燃料的发电系统电能的转换效率可达40~50%；直接使用氢气的系统效率更可超过50%；发电设施若与燃气涡轮机并用，则整体效率可超过60%；若再将电池排放的废热加以回收利用，则燃料能量的利用率可超过85%。用于车辆的燃料电池其能量转换率约为传统内燃机的3倍以上，内燃引擎的热效率约在10~20%。3）环境亲和性：科学家们已认定空气污染是造成心血管疾病、气喘及癌症的元凶之一。最近的健康研究显示，市区污染性的空气对健康的威胁如同吸入二手烟。燃料电池运用能源的方式大幅优于燃油动力机排放大量危害性废气的方案，其排放物大部份是水份。某些燃料电池虽亦排放二氧化碳，但其含量远低于汽油之排放量(约其1/6)。缺点：1）燃料电池造价偏高：车用PEMFC之成本中质子交换隔膜(USD300/m2)约占成本之35%;铂触媒约占40%，二者均为贵重材料。2）反应/启动性能：燃料电池的启动速度尚不及内燃机引擎。反应性可藉增加电极活性、提高操作温度及反应控制参数来达到，但提