電化學儲能在電動汽車中的應用分析

張云天

摘 要：電化學儲能技術具有使用方便、反應快、配置靈活的特點，目前應用在電動汽車上的儲能技術主要是電化學儲能技術。該文根據電動汽車動力電池的性能需要，從能量、比能量、比功率、充電性能、安全性和成本等角度比較了現有的主要電化學儲能技術，總結了鉛酸電池、鋰離子電池、釩液流電流和鈉硫電池在電動汽車商業化中的應用現狀，其中鋰離子電池在純電動車中應用最廣，而鉛酸電池主要應用在混合動力車和觀光車、公交汽車中。最后指出現有的儲能技術在比能量、比功率、充電速度、循環壽命次數、安全性和成本等方面仍然存在不足，還遠遠不能滿足電動汽車的普及推廣。

關鍵詞：電動汽車 電化學儲能 鋰離子電池 鉛酸電池

中圖分類號：TM91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）05（b）-0019-02

Abstract：Currently， the energy storage technology used in electric vehicles is mainly electrochemical energy storage technology， which has the characteristics of convenient operation， fast response and flexible configuration. Based on the performance requirements of electric vehicle power battery， this paper compares existing major electrochemical energy storage technology from the perspectives of the energy， specific energy， specific power， charging performance， safety and cost， and summarizes the application status of lead-acid batteries， lithium-ion batteries， vanadium flow current and sodium-sulfur batteries in the commercialization of electric vehicles. Among them， lithium-ion batteries are most commonly used in battery electric vehicle while the lead-acid batteries are mainly used in hybrid vehicle， sightseeing car and bus. Finally， this paper points out that existing energy storage technology is still insufficient in terms of energy， specific power， charging speed， cycle life times， safety and cost， which cannot meet the further promotion of electric vehicles.

Key Words：Electric vehicles；Electrochemical energy storage technology；Lithium-ion battery；Lead-acid battery

由于電能不能大量儲存，而太陽能、風電發電又具有非常明顯的隨機性與不確定性，因而常常造成了新能源發電量的浪費；同時電網供電存在峰谷電價差異，因此利用儲能裝置來吸收系統“多余”便宜的電能，在需要時再重新利用，具有顯著的經濟價值，從而使得儲能技術得到了廣泛的關注和發展[1]。與此同時，由于能源危機，采用電能取代汽油燃料作為汽車動力，是未來交通發展的唯一長遠解決方案。

在現有的儲能技術中，電化學儲能具有技術相對成熟、轉換效率高、能量密度大、容量擴展方便，是解決電動汽車電源問題最有前途的技術。

1 電化學儲能技術的發展現狀

電化學儲能是指通過發生可逆的化學反應來完成電能和化學能之間的相互轉換，進而實現電能的存儲和釋放。電化學儲能電池主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池、氫鎳電池、鋅空氣電池、燃料電池以及超級電容器，其中鉛酸電池、鋰離子電池、釩液流電池和鈉硫電池是研究重點和熱點[2]。

描述儲能裝置的主要技術參數有能量、功率、比能量、比功率、充放電倍率、循環壽命次數、轉換效率和單位成本等，其中比能量、比功率是最重要的性能指標。比能量是單位體積或質量存儲的能量，表示電動汽車的續航能力；比功率是單位質量電池所能提供的功率，表示電動汽車的加速性能和最高車速。同時，儲能裝置的經濟性也是其發展的重要動力。表1給出了常用電化學儲能技術的主要參數比較。

2 電化學儲能技術在電動汽車中的應用

電化學儲能技術最重要的民用領域就是電動汽車。其中鉛酸電池技術較為成熟經濟，是使用最廣泛的儲能電池。美國是全球鉛酸蓄電池使用量最高的國家，中國也是制造和消費鉛酸電池最多的國家。第一代電動汽車就是采用鉛酸電池作為儲能裝置。但是由于鉛酸電池的比能量和轉換效率較低，不能滿足電動汽車的長途、高速行駛的動力需求，所以常常作為旅游觀光車、市內公共汽車和叉車上的電力電源。同時由于價格優勢突出、性能穩定，鉛酸電池常常被用來與其他動力源混合，應用于電動汽車。近期報道，美國在“下一代電動車”中將研制一種超級電池（UltraBattery），將超級電容器與鉛酸電池并聯使用（“外并”），進化為“內并”，將雙電層電容器的高比功率、長壽命優勢融合到鉛酸電池中，造成高功率、高能量密度、長壽命，且成本低廉的超級電池[3]。可見鉛酸電池的未來發展前景也非常值得期待。

目前市場上，鋰離子電池被公認為性能最好，同質量的鋰離子電池的能量是鉛酸電池的4～6倍，是鎳氫電池的2～3倍，并且地球上鋰礦資源豐富，海水中也存在鋰離子，未來可利用太陽能從海水中提取，基本沒有原材料問題。但是其價格過高，且大功率鋰電池存在不可忽視的安全性問題，這是電動汽車大規模應用的瓶頸。然而瑕不掩瑜，經過對鋰電池的安全性、穩定性、壽命及成組技術的實驗改進，目前國內外多數汽車廠家選擇鋰電池作為電動汽車的動力電池，表2給出了世界部分品牌電動汽車電池技術比較表。

釩液流電池能夠快速大電流充電，可實現“瞬間充電”，還具有大電流深度放電，比功率大，比能量高特點，非常適合于作電動汽車的動力電源。鈉硫電池的比能量，續航能力強，可高功率大電流放電，但對工作溫度有一定要求。在目前技術水平下，這兩類電池仍處于研究較短，距離商業化應用還有一段距離。

3 結語

電化學儲能技術具有使用方便、反應快、配置靈活的特點，是目前最受重視的儲能技術。應用在電動汽車上的電化學儲能技術主要有鉛酸電池、鋰離子電池、釩液流電池、鈉硫電池等。目前商業化應用最多的是鉛酸電池和鋰離子電池，釩液流電池和鈉硫電池還處于實驗室階段。總體來說，這些儲能技術在比能量、比功率、充電、循環壽命次數、安全性和成本等方面仍然存在不足，還不能使電動汽車與傳統的燃油汽車媲美。還需要更先進的儲能技術以獲得更加理想的駕駛周期、行駛里程、駕駛體驗和更低的成本。

參考文獻

[1] 張坤，彭勃，郭姣姣，等.化學儲能技術在大規模儲能領域中的應用現狀與前景分析[J].電力電容器與無功補償，2016，37（2）：54-59.

[2] 劉勝永，張興.新能源分布式發電系統儲能電池綜述[J].電源技術，2012，87（4）：601-605.

[3] 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.