電動汽車動力電池現狀與發展

張紅妮，張雅麗，王虹霞

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

由于國際市場中對化石燃料的大量需求，以及不斷增加的內燃機汽車所引發的逐漸惡化的環境問題，使得電動汽車及混合動力電動汽車用動力電池的研究和發展越來越有必要。對于降低溫室氣體排放以及空氣和噪聲污染問題，電動汽車代表了一種未來道路交通領域的解決方案[1,2]。

當前與電動汽車研究相關的熱點有電動汽車驅動系統，電動汽車去動機技術充電諧波分析和充電站監控系統等[3-9]，電池技術為最主要的難關。本文首先概述幾種常見的電動汽車用動力電池。然后分別從動力電池的工作原理、工作性能、現狀及其應用前景上著重介紹目前使用較為廣泛的動力電池。最后通過對這幾類動力電池的比較，得出各方面的綜合結論。

1 動力電池概述

在所有電池技術中，鉛酸蓄電池的發展歷史最長久。該電池用金屬鉛作為負極，用氧化鉛作為正極。電池在放電過程中，正負兩極都會有硫酸鉛生成，硫酸在電解質溶液中既作為反應過程的反應物，也是反應過程的生成物。在過去的十來年里，關于鉛酸蓄電池的研究和發展主要集中在混合動力電動汽車的應用上。

鎳氫電池工作是基于氧化鎳陽極和氫金屬負極釋放和吸收OH-。在過去鎳氫電池被視為電動汽車上的一種很好的臨時選擇，鑒于鋰離子電池存在著嚴重的安全問題。但是，其50～70Wh/kg的能量密度并不能滿足電動汽車150～200Wh/kg的能量密度需求。同時鎳氫電池中鎳的較大成分占比限制了其未來的價格降低，因此，鎳氫電池并未作為一個可靠選擇。

在應用于電動汽車的商業電池中，鋰離子電池占有最大的份額。目前，這些動力電池可以供電動汽車行使大約150km。鋰離子電池的電極中插入了鋰，也就是說，電極材料是鋰離子的載體。有多種投入使用的正極材料，各自有不同的優點和缺點。然而，無論如何鋰離子電池還需要進一步的技術進步，在保障安全性的前提下提高性能同時降低成本。

2 動力電池的性能

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池經歷了不斷的發展和完善，其技術成熟、來源廣泛、成本低、目前在小型電動汽車、電動工具車、電動自行車上仍有廣泛的應用。表1為鉛酸蓄電池的性能指標[10]。

表1 鉛酸蓄電池性能指標

2.2 鎳氫電池

表2 鎳氫電池性能指標

對比目前目前所用電池，鎳鎘電池和鉛酸蓄電池，鎳氫電池技術正逐漸滿足電動汽車工業領域對動力電池的性能需求。它的優點有：高能量密度和功率，70Wh/kg的能量密度的電池可以保證300km的續駛里程。而且，這類電池可以成功應用于配有電動機的助力系統，有增長壽命的效果。

2.3 鋰離子電池

表3 鋰離子電池性能指標

鋰離子電池是如今電動汽車上使用得最多的動力電池技術，這歸功于它的高能量密度和單體電池中增長的功率，使得這類電池以具有競爭力的價格發展出更小的質量和密度。研究表明電動汽車上使用的鋰離子電池功率（800～2000W/kg和能量密度（100～250Wh/kg）都有所增加。

3 各類動力電池的應用及發展展望

3.1 鉛酸蓄電池

現在鉛酸電池上的大部分工作在于使其能在混合動力汽車上制動時回收能量以及汽車輔助。這就要求電池可以承受在部分充電狀態下成百上千的高功率微循環。將鉛酸電池進行高倍率放電時會產生一個不可逆的嚴重問題，即會有大量的不斷增加的硫酸鉛晶體堆積在負極，這會使得其快速充電能力持續降低。研究發現通過添加碳可以提高導電率、減小硫酸晶體、降低電容，從而可以減輕這個問題。對于低成本的混合動力電動汽車，這種鉛碳電池可窺見其發展潛能，隨著技術的進一步完善發展，會更加吸引雙能源動力電動汽車。

3.2 鎳氫電池

鎳金屬氫電池時使用得最為頻繁的鎳基電池，于 1989年進入市場，它在各方面的性能均要優于鉛酸電池。直到現在，它們仍是混合動力電動汽車的默認選擇，因此它的再生制動和全電力驅動性能也是經過了盡可能的優化。

相較于循環壽命更長、能量密度更大的鋰離子電池和成本更低的鉛酸蓄電池，在電動汽車市場中鎳氫電池并不占優勢。但是鎳氫電池中使用的含水電解質和低反應性的金屬使得它在本質上使用起來更安全，并且其良好的低溫性能對汽車在寒冷氣候下啟動非常有利。現在提倡在鎳金屬氫電池中使用替代結構組件和能量吸收材料作為減輕車輛重量的創造性方法，從而提供更遠程的電動汽車。

3.3 鋰離子電池

鋰離子電池在性能上與前兩種電池相比較，有著較大的優勢，其質量更小，是相同能量鉛酸蓄電池的1/4～1/3。體積更小，是鉛酸蓄電池的1/3～1/2。比能量是鎳氫電池的2倍，鉛酸蓄電池的4倍。壽命更長，是鉛酸蓄電池的2～3倍。被各國研究人員普遍看好，認為是21世紀純電動汽車發展的主要動力電池之一。目前已被各大汽車產商列入發展新能源汽車的重點項目之一，其應用和研發前景十分可觀。由于動力電池技術在不斷進步，鋰離子電池正在逐步占領電動汽車市場。

4 結語

從能量消耗的角度來看，鈉氯化鎳電池是最好的選擇。除此之外其他重要的優點有價格低、壽命長及在苛刻環境下可以正常參數工作的良好性能。這類電池的一個缺點就是較高的工作溫度，這就會使得電池電極在車輛未使用時固化。

對于鋰硫電池，由于其質量小、能量儲存能力大、價格低，相比于其他電池，它也許是對于高儲能系統的最佳解決方案。

對于鎳氫電池，其能耗處于合理水平，但是其效率低影響了電池的動力性能，而且其質量大不利于車身輕量化的目標，目前，其技術水平處于落后狀態。

目前，鋰離子電池在電動汽車中占有最大的市場份額。能耗水平中等、價格持續降低、技術不斷進步、循環壽命更長、質量小、高儲能潛能，這些特點使得鋰離子電池成為動力電池領域的優質選擇。