關于純電動汽車使用鋰電池作為動力能源的探究

張帥

摘要：鋰電池是純電動車的動力能源，與純電動汽車運行效率具有密切關系，設計對應的電池管理系統，可以實現實時在線檢測電池組的相關參數，并對其中相對重要的參數完成實時在線估算，為優化電池組的運行狀態提供依據，所以一直被視為提升純電動汽車運行效率的重要途徑。基于此，本文主要對純電動汽車使用鋰電池作為動力能源進行分析探討。

關鍵詞：純電動汽車；使用鋰電池；動力能源

在未來數年發展中，電動汽車將在汽車市場中占有相當的比例。而僅由蓄電池提供動力的電動車的成本問題和電動汽車如何能做到單次充電后能行駛上百公里路程，這些都與動力電池密切相關。鋰離子電池是至今比能量最高的蓄電池，其比能量達130Wh/kg，單體電池放電電壓為3.6V，比鎘鎳電池高三倍。除此之外，鋰離子電池有熱效應小、無記憶效應，充電效率遠比鎘鎳與氫鎳電池高。因此鋰電池已經成為電動汽車動力電池的首選。

一、電動汽車電池的現狀

在電動汽車電池經過不斷研究、不斷發展之后，現在對電動汽車電池的研究主要集中在鎳氫電池、鋰離子電池和鉛酸蓄電池這三種電池上，這三種電池也都是各自有著各自的優缺點。比如鎳氫電池，鎳氫電池是由鎳基和堿性溶液電解液構成的，其優點是無污染、比能量高，且相對鉛酸電池而言，體積和密度有較大的提高，運行電壓高、耐受性好都是它的特點，但是，鎳氫電池在遇到高溫或低溫時使用就會受限，而且其造價較高使得運用的廣泛度受到影響，但是，由于電動汽車電池發展較慢，所以，鎳氫電池還是電動汽車使用電池的重要選擇之一。

而鋰離子電池和鉛酸蓄電池也都各有各的特點和缺點，但是由于價格實惠、成本低、技術較為成熟，所以，現在電動汽車電池中使用最廣的就是鉛酸蓄電池了，不論是哪一種電池，都需要人們針對其優缺點，進行不斷地研究和改進，想要研發出完美的符合人們需求的電動汽車電池技術，還有很長的路要走。

二、鋰離子電池

鋰離子電池是20世紀90年代發展起來的高容量可充電電池，鋰離子電池由電極、電解液和隔膜組成。正極采用鋰離子化合物，如磷酸鐵鋰或錳離子，負極采用石墨碳等材料。當電池進行充電時，鋰離子從正極脫出，經過隔膜嵌入到負極，正極發生氧化反應，負極發生還原反應；當電池進行放電時，過程則相反。作為新一代化學電源，鋰離子電池具有比能量大、體積小、單體電池工作電壓高、質量輕、循環壽命長、無記憶效應、無污染及充放電時間短等優點，是當前電動汽車廣泛應用的動力電池。在市場上的主流電池中，鋰離子電池除了在價格和安全性方面處于劣勢外，其他方面均處于領先地位，有進一步研發和大規模應用的前景。

鋰離子電池目前存在的問題主要包括電池的安全性、循環壽命、成本、工作溫度和材料供應等。此外，電池組的電池管理系統中也存在如均衡充電技術不成熟等問題。現如今鋰離子電池一般和超級電容搭配，共同作為電動汽車的動力源。

超級電容器又稱為雙電層電容器，是一種新型儲能裝置，可以實現電能和電場能之間的相互轉化。其原理是采用活性炭材料制作多孔電極，并在相應的電極之間填充電解質溶液，當在其兩端施加電壓時，能夠在電極上和電解質溶液內形成2個集電層，相當于2個電容器串聯，并且由于活性炭具有超高比表面積，而且電解液與多孔電極間的界面距離非常小，使得這種雙電層電容器比傳統物理電容器的電容值要大很多圈。超級電容器有著比蓄電池高10倍以上的功率密度和100倍以上的充放電速度。同時利用超級電容器可以在汽車制動時進行能量回收，由于超級電容器充放電過程中不存在類似其他化學電池的電化學反應，屬于物理電池，基于電化學原理所帶來的問題也就不會出現在超級電容器上，因此它可以大電流充放電并且溫度特性良好。

超級電容器與蓄電池相比具有的優點為：充放電速度快、能量轉換效率高、循環使用壽命長、比功率與可靠性高、溫度范圍寬以及能量回收率較高。超級電容器在電動汽車中主要有3種使用途徑：1）將超級電容器作為唯一電源的純電動公交車。由于超級電容器比能量低，不適合單獨用作電動汽車的動力源，但是城市公交路線固定，沿途停靠頻繁，并且具有快速充電的能力，所以超級電容器可以單獨使用在城市公交上。2）以超級電容器和鋰離子電池為能量源的電動汽車。在加速或者原地起步時，需要較大的電流，此時由電容器來提供電流；當汽車勻速或平穩運行時，所需電流較少，此時由鋰電池來提供電流，這種模式既能增加汽車的行駛里程，又能使能源得到有效利用。3）超級電容器和燃料電池共同使用作為動力源的混合動力汽車。超級電容器目前還有兩大關鍵性問題，即比能量低和電壓均衡不穩定的問題。

三、鋰超級電容器

鋰離子電池和超級電容器是2種重要的儲能電池，分別具有高比能量和高功率的優點。從原理上看，兩者性能指標的提升空間都已經不大。而把兩者從原理和結構上結合起來，從而綜合兩者的優點，得到一種新型鋰超級電容電池嘲。它是一種先進的非對稱超級電容器，具有電池和傳統雙電層電容器的功能，可以在比傳統的雙電層電容器多存儲5-10倍能量的同時，具有功率高和循環壽命長等優點。

鋰超級電容器的工作原理，如圖2所示，它通過組合鋰離子氧化還原電極和活性炭電極，依靠L+在正極上的嵌入脫嵌的氧化還原反應和負極上的吸附脫附反應存儲能量。一般的鋰超級電容器正極材料有LixMn20。和LixCoO2等，負極材料可選用活性炭和石墨烯等。充電時，負極材料如超級電容器一樣，利用雙電層原理吸收陽離子，而正極則有鋰離子脫出；放電時，負極中鋰離子脫出由正極材料接收，也就是嵌入。在工作時，正極是利用鋰離子電池的氧化還原反應機理，而負極是利用超級電容器的雙電層儲能機理。因此，鋰超級電容器可以保證高功率密度，同時具有較高的能量密度。

四、結語

全球污染越來越嚴重的今天，能源的節約也成為了人們關注的焦點，對耗能高、污染大的普通汽車的改革已是迫在眉睫，而耗能低、無污染的電動汽車也隨之進入人們的視線，但是，現在對于電動汽車電池技術的研發還不夠成熟，市場上存在的電動汽車電池都多多少少存在一些問題，這些問題不會阻止人們對汽車轉型的腳步，對于電動汽車電池技術未來的發展，我們應該抱有信心，在人們的關注下和研發人員的努力下，一定會出現更好的電動汽車電池技術。

參考文獻：

[1]牛利勇，時瑋.純電動汽車用磷酸鐵鋰電池的模型參數分析[J].汽車工程，2013，02：127 132.

[2]羅玲，宋文吉.工作溫度對磷酸鐵鋰電池SOC影響及研究進展[J].新能源進展，2015， 01：59-69.