电动车电池的开发现状及展望

电动车电池的开发现状及展望本文摘自:电池论坛()详细出处请参考：摘要无污染的电动车已成为各国政府和企业关注的焦点，电动车电池是电动车开发中需要解决的关键技术之一。文章介绍了铅蓄电池、MH2Ni电池、锂离子电池、钠2氯化镍电池及燃料电池在电动车上应用的近期发展情况。对各种电动车的未来发展也做了简要的讨论并对我国电动车的开发提出了建议。0前言据近期世界电动车报导，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、欧等发达国家的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，把环境保护作为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的分担率分别为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）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、价格上进一步改进，才能指望在市场竞争中站住脚。各种主要电动车用蓄电池的对比见表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MH2Ni电池有可能很快进入市场。本文将重点讨论铅蓄电池、MH2Ni、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。表2各种主要电动车用蓄电池对比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）.一项对北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：比能量50W·hkg-1（一次充电行程160km）比功率150Wkg-1价格150美元/kW·h循环寿命500次快充性能：50%5min80%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极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%）.在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年公布的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级。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中实现，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1991~1995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12V·150A·h电池，最高车速80km/h,充电一次行驶100km;小轿车使用10只12V·150A·h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就需更换。1.2金属氢化物镍电池金属氢化物镍电池（MH2Ni）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MH2Ni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MH2Ni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MH2Ni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MH2Ni电池的价格为500~700美元/kW·h,据报导，美国通用汽车公司今年已开始生产装有高性能MH2Ni电池的EV21电动轿车，采用24只13.2V、90A·h、1.2kW·h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4USABC中长期目标及Ovonic公司MH2Ni电池性能日本从事电动车用MH2Ni电池开发的主要代表性厂家为松下电池公司，不但开发了纯电池电动车用的EV型电池组，还开发了供汽油机-电池混合动力的HEV用的高功率型MH2Ni电池，其主要性能参数见表5.其中HHR650D型电池就用在丰田公司于1997年12月率先宣布的全世界第一次批量生产的EV-Prius混合动力电动轿车上。该车除装有1.5L42.6kW汽油发动机外，还装有40块7.2V、6.5A·h电池模块，构成288V、6kW·h电池组，电池重136kg.在高速行驶时采用汽油机动力；低速、起动、爬坡时采用电池动力。最高车速为160km/h,一次加油（50L）可行驶1400km,是普通燃油汽车的2倍。与普通燃油汽车相比，其CO2排放量减少50%,CO、CH及NOx排放量减少了90%.这种混合动力车的售价为18000美元，约为纯电池动力车的一半。该车已投放日本市场，并在1998年形成热销，售出18000辆。目前的生产能力为每月2000辆，并计划在2000年销往北美及欧洲，计划销售20000辆。表5松下公司电动车用MH2Ni电池主要性能目前世界各大汽车公司都在研制、开发并生产混合电动车。预计在零排放的纯电池电动车成为主流之前，混合电动车在一段时间内可以取代部份燃油汽车，形成一定的规模。我国在政府863计划支持下，北京有色金属总院进行了电动车用方形MH2Ni电池的研究试验，共设计了10A·h、44A·h、80A·h、100A·h4种单体电池，比能量分别为55W·h/kg、58W·h/kg、60W·h/kg及67W·h/kg.若组合成6V·100A·h电池组，则比能量为54W·h/kg[3].曾在电动摩托车及电动轿车上进行了演示。另外，和平海湾电源集团公司在消化日本东芝引进生产线技术基础上，开发了电动车用方形MH2Ni电池，共开发出QNF12、QNF18、QNF25、QNF1004种型号，重量比能量≥60W·h/kg,体积比能量≥190W·h/L。与国外开发水平相比，尚有差距。还有不少电池研究和生产单位，正在开发用于电动自行车的MH2Ni电池。多数为D型MH2Ni电池组成电池组，容量628A·h,电池组电压24V.每组售价1000元，相当于铅酸电池的4倍，因此，未能大量投放市场。1.3锂离子电池锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高，是当前比能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。1995年，索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分两种类型，一种是用于纯电动车（EV）容量为100A·h的圆柱形单体电池，8只串联成一个电池模块；另一种是用于混合动力车（HEV）,容量为22A·h,8只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2.7倍。表6列出这两种电池的主要技术性能。用于纯电动车的电池称为高能型锂离子蓄电池，用于混合动力车的电池称为高功率型锂离子蓄电池。高能型电池已于1996年装在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上（日产Al2traEV）,在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车装有12块28.8V、94A·h锂离子电池模块构成的345V、31.2kW·h电池组。一次充电可行驶200km,最高时速120Km/h.售价现为50999美元，月租价为599美元。其运行费用仅为燃油汽车的1/4.表6索尼公司电动车用锂离子电池主要技术性能电动车用锂离子电池推广应用的障碍之一是其价格太高。法国萨弗特公司则致力于LiNiO2及LiNixMyO2等较便宜的正极材料的开发并已取得技术进展。已制成1kW·h的小组合电池，由6只44A·h电池串联及并联构成，配有智能电子控制及热管理系统。装车联试一次充电可行驶200km,比能量达120W·h/kg,200W·h/L.该公司开发的大容量工业用锂离子电池有方形及圆柱形两种，主要技术性能见表7.表7法国萨弗特公司锂离子电池主要性能德国瓦尔塔公司也在开发车用锂离子电池，特点是采要更廉价的尖晶石LiMn2O4正极材料。1997年制成60A·h电池，比能量为115W·h/kg,充放电寿命为900次，脉冲比功率为500W/kg.混合动力车用电池比能量为35W·h/kg,脉冲比功率850W/kg。目前锂离子电池除钴以外的廉价正极材料虽然已试制成相应的车用电池及电池组，但在技术性能上都不够稳定，还有待进一步研究改进。据分析，正极加隔膜的成本占锂