現代汽車電池的研究和應用

吳雅莉 劉彥笈

摘 要：新能源汽車包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車、其他新能源汽車等。研究和了解汽車電池的特性，研究汽車需求市場，從而正確對待新能源車輛的投入及使用。

關鍵詞：工作特性;電池分類;應用

純電動汽車（Blade Electric Vehicles，BEV）是一種采用單一蓄電池作為儲能動力源的汽車，它利用蓄電池作為儲能動力源，通過電池向電動機提供電能，驅動電動機運轉，從而推動汽車行駛。混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是指驅動系統由兩個或多個能同時運轉的單個驅動系聯合組成的車輛，車輛的行駛功率依據實際的車輛行駛狀態由單個驅動系單獨或多個驅動系共同提供。因各個組成部件、布置方式和控制策略的不同，混合動力汽車有多種形式。燃料電池電動汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）是利用氫氣和空氣中的氧在催化劑的作用下.在燃料電池中經電化學反應產生的電能作為主要動力源驅動的汽車。燃料電池電動汽車實質上是純電動汽車的一種，主要區別在于動力電池的工作原理不同。一般來說，燃料電池是通過電化學反應將化學能轉化為電能，電化學反應所需的還原劑一般采用氫氣，氧化劑則采用氧氣，因此最早開發的燃料電池電動汽車多是直接采用氫燃料，氫氣的儲存可采用液化氫、壓縮氫氣或金屬氫化物儲氫等形式。根據汽車電池的分類及特性，合理應用于現代汽車，正確對待新能源汽車發展。

一、汽車電池的分類及特性

現代電池分為兩類，一類為物理電池，例如太陽能電池，另一類為化學電池。一般情況下，化學電池內部核心由三部分構成：正極材料、負極材料和電解質。其中參加化學電池充放電反應的正負極材料也被成為活性物質。

（一）原電池

電池放電時，活性物質不斷地消耗掉，放電到一定程度，電池便停止工作，即電池壽命終止。電池放電后不能用簡單的充電方法使其復原而繼續使用。因此，原電池是一種只能用來放電、活性物質僅供一次使用的電池。

如鋅錳電池和鋅汞電池。

Zn—MnO2干電池，Zn—HgO干電池

我國基本采用鋅錳電池，目前日本產出的電池都會標識出無汞。相對于鋰電池來說，鋰電池很難進行回收和處理，只能采用封存，深埋地下礦井的方式。我國于1993年開始研究，1995年開始制造鋰電池。

這使得汽車電池在推向市場的時候還不夠成熟，代價過高，目前歐美在政策上采用不引導、不強迫的態度。

（二）蓄電池

電池放電后，可通過充電方法使活性物質復原，可使電池再次放電的電池。因此，蓄電池又稱為二次電池。蓄電池的活性物質可反復多次使用，幾十次至上千次。

如鉛酸電池——以硫酸為介質，鎘電電池。

Pb—PbO2蓄電池，Cd—NiOOH蓄電池

目前鎘電電池已被禁用，鎘元素致癌，受熱后會通過充電放熱以蒸汽方式泄露。

（三）貯備電池

電池在貯存期間，活性物質與電解質不直接接觸或電解質處于不導電的惰性狀態，即不能發生電池反應。使用時臨時注入電解液，或用某種方法使電解質（如熔化）導電，使電池處于代放點狀態而具有活性，即能發生電池反應。

如美銀電池。

Mg—AgCl電池

這種電池以NaCl為電解質。目前在海軍航空兵上使用，接觸海水工作，缺點是造價昂貴。

（四）燃料電池

電池供電（放電）時，將活性物質輸入電池，使電池能連續工作的一次型電池。負極活性物質或燃料通常是氣態或液態的（與通常在電池中的金屬負極比較），而氧或空氣是氧化劑（相當于正極活性物質材料）。

如H2—O2燃料電池

氫氣作為攜帶物質，空氣取自大氣。這類電池存放時無活性物質，沒有極板，但有電解質，只有在工作時才放入極板。

（五）電池的分類及特性

其中燃料電池最開始用于航天用途。阿波羅13電池曾因此而爆炸。由于攜帶氫氣，一般用于軍用備用電源，我國的軍用備用電源也采用柴油發電機，但由于柴油發電機聲音大，所以具有容易被偵測到的缺點，所以采用鉑Pt作為燃料電池的催化劑，缺點是價格昂貴。

二、鉛酸蓄電池

（一）鉛蓄電池的分類

按蓄電池的使用方向可分為：動力電池（牽引電池）和起動電池。按電池的物理結構可分為：密封電池、開口電池、膠體電池。目前鉛蓄電池的回收較為成熟，但缺點是較為沉重，能量效率不高，優點是安全，不易著火。相比于鋰電池，鋰一旦單置于空氣中，常溫下能夠發生自燃，非常活躍。動力電池常用于新能源汽車電池的應用，起動電池用傳統的鉛酸電池。

1.開口電池

開口電池可通過加注口擰開，可觀測可檢測，維護方便，一旦車輛發生問題，容易泄露，現在汽車已經不再采用此類電池。

2.密封電池

密封電池，無需補充電解液，當不滿足使用時直接更換，面對一般的碰撞、破損也很難泄露。

（二）鉛酸蓄電池的結構及型號

由多個正負極板組成，能夠有效吸附硫酸，即使破裂也不會泄露，安全可靠。

按照國家標準，鉛酸蓄電池產品型號的編制和含義：

由于鎘元素是劇毒，所以現代汽車蓄電池已經不再采用這類電池。

（三）蓄電池的充放電反應的奇特性

按照理論上說，在充放電的過程中，正負離子應往不同的極板運動，但在蓄電池的充放電過程中，正負離子往兩個極板方向運動反應。這個反應過程無法進行觀測，但只能看到形成后的結果，對于已經較為成熟的鉛蓄電池尚且無法檢測，其他電池的充放電過程檢測將會更加困難。

四、蓄電池的容量

電池在規定條件下能夠提供的電量，成為電池的容量，通常用按時（Ah）表示。電池在規定條件下尤其放電制度，根據電池的放電電流強度、溫度和終止電壓來確定。電池容量可以分為理論容量、標稱容量和額定容量。

（一）理論容量

理論容量是按照電池中的活性物質量，假定全部都參加成流反應，根據法拉第定律計算所能給出的電量。理論容量是電池容量的最大極大值。實際上，電池放出的容量知識理論容量的一部分。

根據法拉第定律的表述，通電于電解質溶液后，在電機山發生反應物質的量與通過的電量成正比，通過相同電量于串聯電解池時，各電極上發生反應物質的獲得電子數或失去電子數總數相等。

Q=mMzF或Q=nzF

其中Q為通過電解質溶液的電量，m為電極上發生反應物質的質量，M為該反應物質的摩爾質量，n為電極上發生反應的物質的量（m/M=n），z為反應粒子的得失電子數，F為法拉第常數。1F=96500C=26.8Ah。安時是一種直觀單位，工程化計量方式。

（二）額定容量

額定容量是在規定條件下電池應放出的電量。額定容量是制造廠表明的安時容量，作為驗收電池質量的重要技術指標的依據。電池的額定容量作為重要的技術指標列入技術標準。國家標準中鉛酸動力電池的額定容量為20℃時，以5小時率C5放電到終止電壓，以安時表示的容量。起動電池以20小時率C20放電到終止電壓，以安時表示的容量。蓄電池在充滿電的情況下，按要求電流、穩定等條件放電至截止電壓時所放出的電量，國標上通常采用恒流放電。

五、蓄電池的工作特性

（二）當前汽車蓄電池的應用

1.MH/NiOOH電池

主要應用于混合動力汽車（HEV），如TOYOTA的Prius。林肯車型也有采用，這類電池的特點是空調冷風先經過電池，給電池降溫。

2.鋰電池

鋰電池正極材料主要包括LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等體系。其中LiCoO2過于活躍，容易爆炸，而LiFePO4非常穩定，但電池效率不夠，LiMn2O4應用較為廣泛。負極以C作為材料，電解質采用LiClO4+有機酯（甲酸甲酯、甲酸乙酯等）但由于酯類可燃，目前技術上還存在一定的問題。鋰電池主要應用于國內的一些電動汽車上（EV）例如比亞迪的混合動力車型-秦。

3.燃料電池（Fuel Cell）

燃料電池以H2為燃料，通過燃料電池系統使H2與空氣中的O2發生反應，產生電能。燃料電池技術的發展，為全新的H2能源利用，提供了可能。由于氫氣不夠穩定，而以鉑為催化劑價格過于昂貴，材料稀有，實用價值不高，因此清華大學早在十二五期間就停止了燃料電池的研究。

在純燃料電池上，歐寶車型有所采用。2000年悉尼奧運會上由通用公司提供純燃料電池車型用于馬拉松比賽的領跑。2004年的希臘雅典奧運會，由于希臘沒有汽車工業，因此租用奔馳純燃料電池。2008年北京奧運會使用國產的純燃料客車。

（三）新型電池存在的問題

新型電池在制造和使用上存在成本、壽命、安全、比能量等問題。

從成本上，MH2/NiooH電池的售價約為8元/Wh、Li-ion電池售價約為2.2元/Wh而Fuel Cell由于使用Pt作為催化劑，因此價格更加昂貴。

在壽命上，MH2/NiooH電池的循環壽命約為1000次，Li-ion電池的循環壽命約為1000次以上，Fuel Cell電池壽命約為5000小時。

在能量密度上，同等重量情況下，汽油使汽車的行駛里程是蓄電池的幾十倍（能量密度：93#汽油使奇案酸蓄電池的50倍以上;是鋰電池的30倍以上）。汽油的能量密度遠大于蓄電池的能量密度。

在安全上MH2/NiooH電池存在熱失控的問題，Li-ion電池也存在各種安全性問題，Fuel Cell電池存在H2不穩定的安全問題。

目前最為廣泛應用的為，Li-ion電池，國家采用硬性測試，經過短路、擠壓、穿刺試驗后才能投入生產，要求不能爆照，其威力不亞于手榴彈，一個小于礦泉水量的爆炸，足以炸開實驗室防爆門。

七、正確對待新能源車輛

目前由日產生產的leaf羚風采用的純電動為驅動力，較為有特點的是續航里程非常短，應用范圍僅限于買菜、接送小孩等用途，在蘇州進行了為期3個月的測試，其安全和駕駛感都非常好，續航里程為60公里。它的出產目的并不是替代油車，而是特定用途。隨著油車的成型，油耗降低，百公里油耗相當于高于新能源車寶百里1升油。新能源車輛將來的方向不一定是為代替油車而投入市場，而是根據汽車市場的需要對市場進行細分，有針對性的投入。