純電動汽車電池結構與系統的研究

胡清茂

摘要：經濟的發展，人們生活水平的提高，人們逐漸意識到可持續發展的重要。隨著可持續發展觀念的進一步深化，人們的環保意識也越來越強，社會各領域都向著生態環保的方向轉變。電動汽車正是在生態環保的背景下蓬勃發展的產業，電動汽車電池的應用能減少對環境的污染。本文就純電動汽車電池結構與系統展開探討。

關鍵詞：電動汽車;電池;鎳氫電池;磷酸鐵鋰電池;三元鋰電池

引言

在經濟日益發展的今天，環境問題越來越嚴重，其中最主要的問題是氣候的變化和空氣的污染。而空氣的污染，最重要的原因是煤炭等資源的燃燒。由于對資源的過度開發使得能源日益的緊張。在資源緊張的大背景下，科學家們正在考慮開發新的清潔能源，比如水能，風能和太陽能等。在這個形勢下，電動汽車利用自身的清潔環保的優勢，從而得到很多人的推廣和運用。而電動汽車的核心是電池，電力工業與汽車工業，之間的核心紐帶是電動汽車的電池部分，電動汽車的電池也是這兩者之間所聯系的重要橋梁和紐帶。用清潔的電能來替代傳統的汽車供應的石油化工，能源是現在社會的大發展趨勢下所必然的過程。

1電動汽車電池的發展和優勢

1.1電動汽車電池的發展歷程

1832年～1839年間美國人Anderson制造出第一臺不可再充的電動車，開啟了電動汽車發展的先河;1899年德國發明家Porsche發明世界上第一輛采用鉛酸蓄電池作為動力源的四輪驅動電動車，實現了電動汽車的循環利用;1996年美國通用汽車公司制造出現代意義上第一代電動汽車;1997年日本豐田Prius采用鎳氫電池技術使電動汽車走上了新的起點[1];2006年鋰離子電池技術的迅速發展，使電動車更符合節能環保的理念;2018年中國成功實現固態鋰電池量產，電動汽車電池獲得巨大突破。

1.2電動汽車電池的主要優勢

從當前的電動汽車的發展來看，電動汽車電池的優化對電動汽車行業的可持續發展起到重要促進作用。電動汽車的應用優勢比較突出，這其中所起到重要作用的就是電池的應用，電動汽車電池的應用和環保的理念是符合的，電動汽車所使用的蓄電池不存在汽車尾氣排放的問題，電池的應用比較安全，也較為方便，對環境不會造成破壞。而燃油汽車的使用就會造成尾氣排放，會對大氣造成很大污染，這也是全球氣溫變暖的一個重要因素。電動汽車的發展中，對電動汽車電池的應用就能符合低碳生活以及環保的理念和要求。從另一方面來看，電動汽車的電池應用對節約能源也能發揮積極作用，電動汽車能再回收利用，對節約能源發揮著積極作用，能從整體上提高能源利用率。電動汽車和燃油汽車相比較，電動汽車的使用壽命也會更長，電池能夠進行更換，這樣就能有助于節約能源。

2電動汽車主流電池分析

2.1磷酸鐵鋰電池

磷酸鐵鋰電池以石墨作為負極，磷酸鐵鋰作為正極，用聚合物膜將兩極分開，僅供離子通過。其工作原理如下：

充電時，鋰離子在電場力作用下從正極的磷酸鐵鋰上脫嵌，經過聚合物膜遷移至石墨表面，磷酸鐵鋰轉化為磷酸鐵，同時電子從外電路由正極遷移至負極。放電時，鋰離子遷移回正極，與磷酸鐵再次結合。

2.2鎳氫電池

鎳氫電池的主要成分是堿性溶液與鎳基。電池的主要分類有鎳鎘電池，鎳鋅電池與鎳氫電池。在現代化電動汽車的行業之中，應用最廣泛的是鎳氫電池。因為鎳氫電池，它的能量儲存比較高，對儲存的環境產生的影響也比較小。而鎳氫電池，它主要產生枝晶比較快，產生這種東西導致電池的壽命比較短。但是現在科學的研究可以運用一些方式解決這些問題，比如說可以利用第三電極充電的形式解決電池壽命短的問題。而鎳氫電池主要的構成部分是氫氧化鎳，在這里的氫氧化鎳多半是陽性的，其中的大多數合金都是由錳和鎳組成，這些組成的合金呈陰性。在這種條件下的電池能量的儲存是普通電池的三倍，而且儲存的功率也比較大。所以這項技術有很大的運行優勢：運行的功率比較高，而且能量多，運行的電壓也高。

2.3三元鋰電池

三元鋰電池以鎳鈷錳酸鋰（NCM）或鎳鈷鋁酸鋰（NCA）為正極材料，以鋰碳層間化合物為負極材料，正負極用隔膜隔開，鋰離子在含有LiPF6、LiAsF6的電解液中移動并完成充放電過程。其中正極材料中的鎳、鈷、錳（鋁），元素的比例可根據實際應用進行調整。充電時的離子反應（NCM）：

三元材料中的鎳可以增強電極材料的活性，提高電池能量密度;鈷能夠穩定電極材料的層狀結構，并使材料深度放電，提高能量利用率;錳元素確保在電池使用中的穩定性。

2.4鋰離子電池

市場上最常見的鋰離子電池陽極是由碳和碳酸二甲構成的電解液。鋰離子電池的陰極多半是二氧化錳酸鋰。市場上常見的這種電池產生的比能量大，電池比較輕便，容易攜帶，而且結實。這種電池的單節電壓可以達到3.7V。經過科學的研究發現鋰離子電池的體積比較小，而且壽命比較長，與其他的電池比起來，質量較輕，由于這種電池的自放電率比較高，所以不會產生記憶效應。這種鋰離子電池有很多的電極組合，個體的性能指標數值范圍廣闊，在性能上有較大的差異。

3電動汽車電池的現狀

電動汽車電池的發展中，對于新能源汽車電池能分成燃料電池和蓄電池。蓄電池對于純新能源汽車是適合的，主要有鉛酸蓄電池以及鎳氫電池和二次鋰電池等。電能汽車使用的電池主要是蓄電池，隨著電動汽車的不斷發展，對蓄電池的應用量也大大提升，蓄電池是電動汽車的主要驅動裝置。電動汽車電池應用的鉛酸蓄電池的應用率比較高，能滿足汽車內部電子設備電能需求，對于這一電池也能進行大量的生產，所花費的資金也不是很高。鉛酸電池的應用量大是因為其自身有著諸多的優勢，但是也存在著不足之處，電池如果長時間高強度荷電狀態，整體能效就會降低，不斷優化荷電狀態是延長電池使用壽命的關鍵。電動汽車電池中的鎳氫電池也是比較重要的應用電池，這一類型的電池應用產生的物質不會影響環境，能量產生量也比較高。鎳鋅電池不能持續使用，而通過充電裝置補充能量，電解液當中添加緩蝕劑，能夠提高其應用性能。鎳氫電池是多種金屬分成組成的，應用在電動汽車當中能發揮其能量優勢，功率比較高，運行電壓以及比能量和比功率都是要優于鉛酸電池的。電動汽車電池的應用中鋰離子電池的應用在當前愈來愈廣泛，從構造上來看是傳統構造類型，鋰離子金屬氧化物以及有機溶劑溶解的溶液等。

4電動汽車電池的應用前景和發展展望

2018年，九成以上的電動汽車采用鋰電池，其中2018年1～5月三元鋰電池的市場份額最大達到55%，比2017年提升10個百分點。相較于鎳氫電池而言，鋰電池的比能量和比功率大、體積小、重量輕。磷酸鐵鋰電池能量密度和比功率存在限制，使其在大規模的制作中產生問題。未來的發展的重點將會轉移到三元鋰電池上，雖然三元鋰電池綜合性能優越，但仍需要優秀的電池管理系統的支持。

參考文獻

[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，2015，35（4）：1-7.

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[5]張春楊，靳曉姣.動力電池技術研究[J].新材料產業，2017（9）：15-22.