给我一颗强劲的心电动汽车电池技术及发展趋势

■文/王珂尹华军给我一颗强劲的心心电动汽车电池技术及发展趋势我国燃料电池汽车领域的资深专家、科技部部长万钢提出的新能源汽车发展目标为：到2012年，国内有10%新生产的汽车是节能与新能源汽车，按届时汽车年产辆为1000万辆算，我国新能源汽车要达到年产100万辆的规模。中信证券测算，如以2011年60万辆新能源汽车的规模测算，近3年国内新能源汽车生产规模复合增速将超过200％。以每辆车使用100kg电池的平均数量计算，到2011年电池市场规模将达6万吨。而万钢部长提出的新能源汽车发展目标为到2012年国内有10%新生产的汽车是节能与新能源汽车，而电动汽车作为新能源汽车的主体，届时，电池市场需求规模将达10万吨。这对于电动汽车与动力蓄电池，可谓是又一个春天。回顾电动汽车百年历史，电动汽车在汽车发展史中经历了3次重大机遇。但面对前两次机遇，电动汽车都“败下阵来”，也说明其身上具有“失败因子”，总结电动汽车的缺点：1.多数电动车辆只能行驶100～200km，然后充电，汽油车辆行驶超过300km以上的距离才需要加油。2.充电时间：完全充电的电池组可以采取8～10h的充电时间。即使是“快速充电”，达到80％的容量也需要充电1h以上。3.电池成本：电池价格昂贵，可能需要更换一次或多次。4.容量和重量：电池包是沉重的，并占用了相当大的运输车辆的空间。以上分析可以看出，电动汽车的最大的失败因子毫无疑问是动力蓄电池。动力蓄电池涵盖全部或部分依靠动力蓄电池系统为驱动能源的电动汽车，其蓄电池的能源供给全部或部分依靠从电网或稳定高效的发电机获取的模式，其充电模式可分为非车载充电和车载充电模式。动力蓄电池技术是电动汽车的关键技术之一。近年来，在各国政策、法律、人们的意识支持下，各大汽车公司、电池厂家都在全力开发电动汽车的电池新技术，伴随着电化学材料业、电子产业的迅猛发展，动力蓄电池技术也得到了飞速的进步。在第3次电动汽车机遇中，它将肩负起重大使命。到2012年，国内有10%新生产的汽车是节能与新能源汽车，按届时汽车年产辆为1000万辆算，我国新能源汽车要达到年产100万辆的规模。ElectricVehicle060电动汽车专辑2010/020611881年特鲁夫（GustaveTrouve）制造出世界上第一辆电动三轮车时，使用的是铅酸电池。目前，仍有不少混合动力汽车和纯电动汽车采用新一代铅酸电池。铅蓄电池内的阳极(PbO2)及阴极(Pb)浸到电解液(稀硫酸)中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：(阳极)(电解液)(阴极)PbO2+2H2SO4+PbPbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)(过氧化铅)(硫酸)(海绵状铅)铅酸蓄电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池。它已实现大批量生产，但比能量低，自放电率高，循环寿命低。当前存在的主要问题是其一次充电的行程短。近期开发的第3代圆柱型密封铅酸蓄电池和第4代TMF(箔式卷状电极)密封铅酸蓄电池已经应用于EV和HEV电动汽车上。尤其是第3代VRLA蓄电池低阻抗优点可以控制快速充电过程中的欧姆热，延长电池的寿命。VRLA蓄电池的结构特点和使用性能这里所说的VRLA蓄电池指的是贫液式(AGM)电池，具有下列结构特点；1.用新板栅材料，负极板栅采用铅一钙合金，以提高析氢过电位，正极板栅用铅基多元合金，用于改善点特性。动力蓄电池简介当前研究开发的电动汽车动力电池种类较多。目前广泛使用的电动汽车电池主要有：铅酸电池、镍金属电池、锂离子电池等，正在开发研究的能量存储装置还有超级电容，以及发展远景更好的燃料电池和太阳能电池。铅酸电池技术成熟，质量重，不能快充深放，循环寿命短，不能满足高性能电动汽车的储能要求；锂离子电池能量高、重量轻、循环寿命长、但价格高；镍氢电池具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点，目前广泛应用在混合动力汽车上；超级电容器充电速度快、大电流放电能力超强，功率密度高，但比能量极低等特点使得它不可能单独用作电动汽车能量源，但作为辅助能量使用具有显著优点；燃料电池为零排放或近似零排放，它的能源来源丰富，能量转化率高，但研究成本投入大，开发周期长，目前尚处于产品研发阶段；太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点，但效率很低而成本很高，目前与其它电池还不能形成竞争。铅酸电池2.改变正、负极板活性物质电化当量配比，设计为以负极板容量相对于正极板过剩。3.电池为贫液设计。电池盖上装单向节流阀，使电池处于密封状态，遇到异常情况时排气阀打开排出气体。经过技术改进的VRLA蓄电池具有这样一些新功能：无酸雾逸出；无需定期进行补水；比能量大；自放电小；浮充寿命长。从这些新性能可以看出来，VRLA蓄电池的薄板设计和低阻抗可以更好地符合混合动力汽车操作要求。两种铅酸电池对比镍氢电池是20世纪90年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍氢电池NiMH电池正极板材料为NiOOH，负极板材料为吸氢合金。电解液通常用30％的KOH水溶液，并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。NiMH电池有圆柱形和方形两种。主要为KOH作电解液（电解质7moL/LKOH+15g/LLiOH）充电时正极反应：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-负极反应：M+H2O+e-→MH+OH-总反应：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH放电时反应相反镍氢电池能量密度为70Wh/kg，功率密度为200W/kg，极限循环1500次。镍氢电池的特点重量方面以每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1.2V，而锂电池确为3.6V，锂电池的电压是其它两者的3倍。并且同型电池的重量锂电池与镍镉电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。可知，每一个电池本身重量不同，但锂电池因3.6V高电压，在输出同等电压的情况下使单个电池组合时数目可减少1/3而使成型后的电池重量和体积减小。记忆效应镍氢电池与镍镉电池相同都有记忆效应。因此，定期的放电管理也是必需的。这种定期放电管理属于模糊状态下被处理，甚至也有些在不正确的知识下进行放电（每次放电或者使用几次后进行放电都因公司的不同而有所差异）这种烦琐的放电管理在使用镍氢电池时是无法避免的。锂电池相对而言因为完全没有记忆效应，在使用上非常方便简单。它完全不必理会残余电压多少，直接可进行充电，充电时间自然可以缩短。自放电率镍镉电池为15%～30%（月）。镍氢电池为25%～35%（月），锂电池为2%～5%（月）。以上镍氢电池的自放电率为最大，而锂电池的特长与其它两类电池相比放电率极低。镍氢电池锂离子电池方形镍氢电池圆形镍氢电池电动汽车镍氢电池组锂离子电池的正极材料有很多种，主要有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前大多数锂离子电池使用的正极材料，而其它正极材料由于多种原因，目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂离子电池。从材料的原理上讲，磷酸铁锂也是一种嵌入、脱嵌过程，这一原理与钴酸锂、锰酸锂完全相同。ElectricVehicle062电动汽车专辑2010/02063磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池是用来做锂离子二次电池的，现在主要方向是动力电池。它的优点是：超长寿命长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，标准充电（5小时率）使用，可达到2000次。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。使用安全磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。可大电流快速放电可大电流2C快速充放电，在专用充电器下，1.5C充电40min内即磷酸铁锂电池锰酸锂电池绿色环保磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属（镍氢电池需稀有金属），无毒（SGS认证通过），无污染，符合欧洲RoHS规定，为绝对的绿色环保电池。磷酸铁锂电池也有缺点，例如磷酸铁锂正极材料的振实密度较小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。采用磷酸铁锂电池的电动汽车种类很多，无论纯电动汽车，还是混合动力汽车。具有代表性的电动汽车生产企业包括深圳比亚迪汽车和万向电动汽车有限公司。可使电池充满，起动电流可达2C，而铅酸电池现在无此性能。耐高温磷酸铁锂电热峰值可达350℃～500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广（-20℃～75℃），有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃～500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。无记忆效应可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，这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。体积小、重量轻同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3重量是铅酸电池1/3。锰酸锂主要为尖晶石型锰酸锂尖晶石型锰酸锂LiMn2O4是Hunter在1981年首先制得的具有三维锂离子通道的正极材料，至今一直受到国内外很多学者及研究人员的极大关注，它作为电极材料具有价格低、电位高、环境友好、安全性能高等优点，是最有希望取代钴酸锂LiCoO2成为新一代锂离子电池的正极材料。LiMn2O4正极材料的缺点：1）循环寿命低，特别在高温条件下（55℃～60℃）；2）存储会产生容量衰减，特别是在高温下储存；3）容量低，不适合手机和笔记本电池的要求；4）在循环过程中，容量常发生快速衰减。锰酸锂电池同磷酸铁锂电池电池一样运用于多种车型，在北京奥运会和上海世博会的影响下，北汽福田、安凯均采用中信国安盟固利生产的锰酸锂电池。优点：LiCoO2是锂离子电池中一种较好的正极材料，具有工作电压高、放电平稳、比能量高、循环性能好等优点，适合大流量放电和锂离子的嵌入和脱出,在锂离子电池中得到率先使用。不足：LiCoO2的实际容量约为140mA·h/g，只有理论容量(274mA·h/g)的约50%,且在反复的充放电过程中,因锂离子的反复嵌入和脱出，使活性物质的结构在多次收缩和膨胀后发生改变，导致LiCoO2内阻增大，容量减小。钴酸锂电池超级电容超级电容的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大，对外表现和电池相同，因此也有称作“电容电池”。特点1.充电速度快，充电10s～10min可达到其额定容量的95％以上；2.循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；3.大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率≥90%；4.功率密度高，可达300W/kg～5000W/kg，相当于电池的5～10倍；5.产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；6.充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；7.超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；8.检测方便，剩余电量可直接读出。优点：1.很小的体积下达到法拉级的电容量；2.无须特别的充电电路和控制放电电路；3.和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；4.从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；5.超级电容器可焊接，因而不存在像电池一样接触不牢固等问题。缺点:1.如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；2.和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路；目前，上海申沃等生产的纯电动客车上已经运用了超级电容技术，采用上海奥威科技有限公司生产的UCE15V80000A无机超级电容器,单体1.5V/80000F,总体600V/200F。燃料电池是一种电化学装置，是由正负两个电极以及电解质组成，其工作原理，如左图所示。在阳极上提供H2，在阴极上提供O2，氢在阳极催化剂的作用下，分解成氢离子和电子。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电