純電動車電池的發展現狀和前景

趙鴻濱

(新鄉市質量技術監督檢驗測試中心，河南新鄉453000)

純電動車電池的發展現狀和前景

趙鴻濱

(新鄉市質量技術監督檢驗測試中心，河南新鄉453000)

介紹了純電動車對動力電池的要求。分析了幾種常用的純電動車動力電池、電池的主要特性以及電池的關鍵材料(正極材料、負極材料、電解液等)。闡述了純電動車電池的發展現狀和前景展望。

純電動車電池；關鍵材料；正極材料

電動汽車，顧名思義就是主要采用電力驅動的汽車，其難點在于電力儲存技術。隨著全球汽車持有量的不斷增加，一方面燃油大量消耗引起的能源危機變得日益嚴重，另一方面汽車尾氣排放引起環境污染的程度也越來越嚴重。人們只有通過技術探索，尋找替代能源，降低排放，才能緩解汽車需求與環境保護的矛盾。電動汽車采用電能取代石油等化石燃料作為動力，是未來交通的唯一的長遠解決方案。

純電動車是完全依靠動力蓄電池作為動力源，并以電動機與電機控制系統驅動的汽車。純電動車不使用液體燃料，沒有發動機，沒有污染尾氣的排放管，是近年來“綠色出行”的最佳選擇。純電動車省去了油箱、發動機、變速器、冷卻系統以及排氣系統，相對于傳統的內燃汽油發動機動力系統，其電動機和控制器的成本更低，且能量轉換效率更高。從世界各國的戰略發展目標來看，發展電動汽車已被普遍確立為保障能源安全和轉型低碳經濟的重要途徑，而純電動車更是電動汽車發展的終極目標。

1 純電動車對動力電池的要求

電池是電動汽車的動力源，當前與電動汽車相關的研究熱點有許多，其中電動汽車電池技術被視為最主要的難關。電池的好壞一方面決定著電動汽車的成本，另一方面決定著汽車的行駛里程，這兩方面是電動汽車與傳統燃油汽車區別競爭的關鍵，因此開發出性價比高的動力電池對電動汽車的未來發展至關重要。尤其是在純電動車上，蓄電池作為其唯一的動力源，地位更加重要。

為滿足純電動車的動力性能、使用安全性以及經濟性的要求，先進的動力電源系統原則上需要具備以下特點[1]：

(1)比能量高。使用比能量高的電池體系有助于降低動力電池的質量和體積，提高電動汽車的有效載荷，乃至它的一次充電續航里程。

(2)比功率大。比功率越高，單位時間內電池的輸出能量越大，電動汽車的加速性能越優越。

(3)循環使用壽命長。循環壽命越長，電池在正常使用周期內制成電動汽車形式的里程數就越多，越有助于降低車輛使用周期內的運行成本。

(4)可靠性高。

(5)安全性好。能夠有效避免因泄露、短路、撞擊、顛簸等引起的起火爆炸等危險事故發生，確保汽車在正常行駛乃至非正常行駛過程中的安全。

(6)高低溫性能好，環境適應性強。電動汽車要求電池不僅能夠適應北方冬天極冷的氣溫，也要能在南方夏天炎熱的環境下工作。即使在最極端的環境下，電池也要穩定工作。因此，要求電池具有良好的高低溫性能。

(7)自放電率低。

(8)價格低廉。制造電池的材料應該來源豐富，電池制造成本低，以降低整車價格，提高電動汽車的市場競爭力。

(9)綠色環保。要求電池制作的材料與環境友好、無二次污染，并可再生利用。

2 電動汽車常用動力電池

電動車的發展過程中出現過多種不同類型的電池，其中產生巨大影響并商業化使用至今的電動汽車電池主要有鉛酸電池和鋰離子電池[2]。

2.1 鉛酸電池

鉛酸電池是一種電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池荷電狀態下，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電狀態下，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池自1859年誕生以來，已經歷了150多年的發展歷程，在交通、通信、電力、軍事、航海、航空等眾多領域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。

鉛酸電池結構如圖1所示。

表1列舉了鉛酸電池組件材料及其作用。

鉛酸電池的主要特性為：

(1)安全密封：在正常操作中，電解液不會從電池的端子或外殼中泄露出。

(2)沒有自由酸：特殊的吸液隔板將酸保持在內，電池內部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置。

(3)泄氣系統：電池內壓超出正常水平后，鉛酸電池會放出多余氣體并自動重新密封，保證電池內沒有多余氣體。

(4)維護簡單：由于獨一無二的氣體復合系統使產生的氣體轉化成水，在使用鉛酸電池的過程中不需要加水。

(5)使用壽命長：采用了有抗腐蝕結構的鉛鈣合金欄板，鉛酸電池可浮充使用10～15年。

(6)質量穩定，可靠性高：采用先進的生產工藝和嚴格的質量控制系統，鉛酸電池的質量穩定，性能可靠，電壓、容量和密封在線上進行100%檢驗。

圖1 鉛酸電池結構

表1 鉛酸電池組件材料與作用分析

2.2 鋰離子電池

鋰離子電池是Li+在正負極之間反復進行脫出和嵌入的一種高能二次電池，是20世紀90年代發展起來的高容量可充電電池。鋰離子電池的傳統結構包括石墨陽極、鋰離子金屬氧化物構成的陰極和電解液。其工作原理如圖2所示。

圖2 鋰離子電池工作原理

作為一種新型的化學電源，鋰離子電池具有如下優勢：單體電池工作電壓高，組成電池組時一致性要求相比鉛酸電池和氫鎳電池偏低，電池的使用壽命可以提高；電池質量輕、必能量大，使得整車質量減小且行駛里程增加；電池循環壽命長，可以達到鉛酸電池的2～3倍；自放電率低，每月低于5%；工作范圍寬、低溫特性好、無記憶效應、無污染等。

電池材料的物理結構和化學特性決定了電池的性能，理想的電動車用鋰離子電池材料應具備以下特性：

(1)具有層狀或隧道的晶體結構，有利于鋰離子的嵌入和脫出，從而保證鋰離子電池的循環壽命。

(2)充放電過程中，應該有盡可能多的鋰離子嵌入和脫出，使電極具有較高的電化學容量。

(3)在鋰離子進行嵌入和脫出時，電池具有平穩的充放電電壓。

(4)鋰離子應具有較大的擴散系數，以減少極化造成的能量損耗，從而保證電池具有較好的快速充放電性能。

(5)比較重要也是關鍵性的一點：材料價格應該便宜，對環境無污染，質量輕且可回收。

鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、鎳酸鋰、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三原材料等，負極材料主要有石墨、鈦酸鋰等。

正極材料的性能極大程度上影響著電池的性能，與此同時，正極材料也直接決定著電池成本的高低，鋰離子電池正極材料的發展引領了鋰離子電池的發展。作為電動汽車的動力電池，目前較受關注的有錳酸鋰和磷酸鐵鋰，圖3、圖4是這兩種材料的結構示意圖，表2是這兩種材料的優缺點對比分析。

圖3 錳酸鋰結構示意圖

圖4 磷酸鐵鋰結構示意圖

表2 錳酸鋰與磷酸鐵鋰優缺點對比

3 純電動車電池前景展望

鉛酸電池雖然便宜，并在叉車、觀光車或者短途公共汽車上作為動力源應用，但新一代鉛酸電池的比能量和循環次數仍存在嚴重的限制。未來使用鉛酸電池來驅動在高速公路上行駛的電動汽車是不實際的，但價格優勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動汽車(如觀光車)中仍占一席之地。

目前市場上的動力電池中，鋰離子電池的性能最好，同質量的鋰離子電池其能量是鉛酸電池的4～6倍，是氫鎳電池的2～3倍。對于鋰離子電池技術最大的挑戰是繼續擴大電池容量，同時保證安全性和循環次數不受影響，并降低成本。現階段車用動力電池多數仍停留在價格相對便宜的鉛酸電池等傳統產品上，但隨著技術突破和生產成本下降，鋰電池質輕、續航里程長以及高能量密度和高輸出功率的優勢將逐漸浮現。長期來看，鋰離子電池是未來車用動力電池的首選技術，整車廠與鋰離子電池生產廠商合作共同開發電池系統是必然趨勢[3]。

[1]宋永華，陽岳希，胡澤春.電動汽車電池的現狀及發展趨勢[J].電網技術，2011，35(4)：1-7.

[2]胡信國，王殿龍，戴長松.動力電池材料[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3]邱綱，陳勇，李東.電動汽車用動力電池的現狀及發展趨勢[J].遼寧工學院學報，2004，24(4)：41-44.

Developing situation and prospects of EV batteries

ZHAO Hong-bin

The problem of energy and the conjuncture of environment were the two weightily tasks nowadays and in the future.The problems were partly solved by the appearance of EV.The requirements of EV on batteries were introduced.Several kinds of EV batteries,their main characteristics and the key materials(anode materials,cathode materials and electrolyte)were analyzed.The developing situation and prospects of EV batteries were elaborate.

EV batteries;key materials;anode materials

TM 912

A

1002-087 X(2015)03-0631-02

2014-11-20

趙鴻濱(1977—)，女，河南省人，本科，工程師。