電動車電池的研究進展

史冊 劉姝

摘要：介紹了鋰離子電池、燃料電池、鋅一空氣電池、超級電容器，以及太陽能電池的性能和技術進展;并在現有國內外研究的基礎上，分析了上述電池在電動汽車上的應用現狀和發展前景。

關鍵詞：電動車;電池;性能;應用

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1005-5312（2018）24-0282-01

隨著社會的進步和科技的發展，保護環境、節約資源的呼聲日益高漲，電動車作為無污染的新型交通工具，近年來得到蓬勃發展，2017全球動力鋰離子電池總裝機量達到50GWh，中國占36GWh。電池是電動車的動力源，同時也是制約電動車發展的關鍵。目前供電動車使用的動力源主要有鋰離子電池、燃料電池、鋅空氣電池、超級電容器，以及太陽能電池，本文將簡要介紹這些電動車電池的研究進展。

一、鋰離子電池

鋰離子電池是20世紀90年代發展起來的新型環保電池，工作電壓高且平穩、循環壽命長，自放電率小，工作溫度范圍寬，無記憶效應和環境污染。目前商業化的動力鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、三元材料NCM/NCA、磷酸鐵鋰等化合物，負極一般采用純石墨或者石墨/Si復合材料，電解質為溶有鋰鹽的有機溶液或具有鋰離子導通能力的膠體。

為了確保動力電池的能量密度和安全性能，三元材料和磷酸鐵鋰目前應用較廣泛。三元材料具有較高能量密度，但安全性稍差，主要應用于新能源乘用車和貨車上。磷酸鐵鋰具有優秀的熱穩定性，雖然其能量密度稍差，但考慮到安全系數，主要應用于新能源客車上。鋰離子電池在電動汽車上的使用還有許多艱苦的工作，主要是純電動汽車和混合電動汽車上使用的電池數量多、系統復雜，安全性難度更大，對可靠性和一致性的要求更高，以及價格太高。

二、燃料電池

早在1839年，英國人G.R.Grove就提出了氫和氧反應發電的原理。20世紀60年代，由美國UTC公司首先用于航天和軍事領域。燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。它的基本化學原理是水電解反應的逆過程，即氫氧反應產生電、水和熱。它不需要燃燒、無轉動部件、無噪聲、運行壽命長、可靠性高、維護性能好，實際效率能達到普通內燃機的2至3倍，加之其最終產物又是水，真正達到清潔、可再生、無排放的要求。根據電解質的不同，燃料電池可分為堿性型、磷酸型、熔融碳酸鹽型、質子交換膜型和固體氧化物型等幾種。目前只有質子交換膜型燃料電池最適合電動汽車使用。

三、鋅-空氣電池

鋅空氣電池屬于半燃料電池，其正極是一個由催化層、防水層及金屬網集電器組成的空氣電極，負極為純鋅，電解質是氫氧化鉀水溶液，鋅空氣電池的理論比能量為2000Wh/kg。

鋅-空氣電池雖然質量比能量高，但電解液碳酸化、失水和吸潮、機械充電方式等都是較復雜的技術問題。此外，由于不是充電，而是添加金屬“鋅”，廢液處理成本也是其發展的瓶頸。鋅空氣電池比功率較低，不能輸出大電流，當用于電動汽車時，車輛的啟動和加速性能不好，只能與其它蓄電池共同使用。新興的鋰-空氣電池、鋁-空氣電池，反應機理與鋅-空氣電池類似。

四、超級電容器

超級電容器是一種電化學電容，兼具電池和傳統物理電容的優點。目前開發的超級電容器主要有以活性碳為正極與負極的雙電層超級電容、金屬氧化物超級電容和高分子聚合物超級電容。其巨大的優越性表現為：功率密度高;循環壽命長;充電時間短;實現高比功率和高比能量輸出;儲存壽命長;可靠性高;可以任意串并聯使用。超級電容往往和其它蓄電池聯合應用作為電動汽車的動力源，可滿足電動汽車在起動、加速、爬坡時對功率的要求，而且在汽車制動回收再生電流時，可對短時大電流充電起緩沖作用。進一步開發高比能量、高比功率、長壽命、低成本的超級電容器，是今后研發工作的重點。

五、太陽能電池

太陽能電池是借助于某種中間材料將太陽能直接轉換為電能的裝置。太陽能汽車具有清潔、環保的優點，是真正的“零排放”交通工具。雖然部分機構也已研制出了使用太陽能電池的電動汽車，但由于太陽能電池還存在光電轉換效率不高、價格太高、電池系統配置較復雜以及實用受天氣的限制等問題，對要求在各種環境下實用汽車來說，作為主電源利用的可能性不大，近期內只能作為電動汽車的補充電源。但太陽能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應用必將會取得長足的進步。

六、結語

當前電動車正處于發展高潮，對于電動車技術的全面發展，重中之重就在于能量存儲技術的提高。動力電池將向著高比能量、高可靠性、低成本、安全環保方向發展。