電動(dòng)汽車電池的發(fā)展展望

劉江彩 ， 陳 巍 ， 陳 冬 ， 楊輝靜

（河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

由于全球氣候變暖和全球能源危機(jī)緊迫，電動(dòng)汽車越來越受到人們的普遍歡迎。電動(dòng)汽車采用電能取代了傳統(tǒng)的化石燃料來作為動(dòng)力來源，為綠色交通提供了可選、有效的解決方案。當(dāng)前，對(duì)于電動(dòng)汽車的研究熱點(diǎn)，仍聚焦于電動(dòng)汽車的電機(jī)系統(tǒng)、電池技術(shù)以及充電等方面。其中，電動(dòng)汽車的電池技術(shù)仍然被視為當(dāng)前新能源汽車技術(shù)突破的重要難關(guān)。從儲(chǔ)能上來看，電動(dòng)汽車儲(chǔ)能技術(shù)主要是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，這種技術(shù)能夠通過鈉、硫、鋁離子等作為電池的實(shí)際儲(chǔ)能[1]。這些技術(shù)從實(shí)際應(yīng)用反饋上來看，仍然存在一定的不安全性，而這些不足也對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展造成了一定的影響。在當(dāng)前能源緊缺、各國(guó)重視科技創(chuàng)新的大背景下，電動(dòng)汽車的電池技術(shù)研究及發(fā)展，已經(jīng)引起了世界各國(guó)的高度重視，各國(guó)紛紛投入大量的人力、物力、財(cái)力，以便推動(dòng)本國(guó)新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展。比如，鋰離子電池在應(yīng)用過程中經(jīng)過不斷的測(cè)試試驗(yàn)，其安全性也得到大力提升，這便為電動(dòng)汽車的發(fā)展，尤其是商業(yè)化的發(fā)展提供了非常重要的基礎(chǔ)保障。

1 電動(dòng)汽車電池的發(fā)展概述

1.1 電池的發(fā)展

世界上第一輛以電池作為驅(qū)動(dòng)能源的車輛，是在19世紀(jì)誕生的，但是由于在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代缺少成熟的電池配套，所以，在19世紀(jì)末電動(dòng)汽車的電池發(fā)展仍然非常緩慢。而這一時(shí)期傳統(tǒng)的燃油汽車憑借其內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)良機(jī)械性能和動(dòng)力占據(jù)了汽車發(fā)展的主要市場(chǎng)。在20世紀(jì)末，電動(dòng)汽車第二次出現(xiàn)在市面上，此時(shí)，是以鋰離子電池為主要的動(dòng)力來源，而鋰離子電池充電的行駛里程也比第一代電動(dòng)汽車的行駛里程增加了1.5倍[2]。此時(shí)，日本豐田公司通過利用鋰離子電池技術(shù)開發(fā)了內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合的第3代電動(dòng)汽車，這也是當(dāng)前被人們稱之為混合動(dòng)力汽車的HEV?；旌蟿?dòng)力汽車，顧名思義是對(duì)于汽車而言，擁有多個(gè)動(dòng)力來源，從而根據(jù)汽車的實(shí)際運(yùn)行情況，來選擇合適動(dòng)力來源的機(jī)動(dòng)車輛，鋰離子電池在電動(dòng)汽車技術(shù)領(lǐng)域中也比較受大家的關(guān)注。從十幾年前開始，人們對(duì)于鋰離子電池就已經(jīng)進(jìn)行了一定程度的關(guān)注和研究，尤其是在鋰離子電池的安全性上，得到了很大的性能提升，這使得當(dāng)下較多的純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車都能廣泛地使用鋰離子電池，鋰離子電池憑著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為當(dāng)下比較熱門的電池類型[3]。

2008年，全球金融危機(jī)爆發(fā)，國(guó)際油價(jià)在高位上震蕩。這些外部和內(nèi)部的經(jīng)濟(jì)壓力，對(duì)能源價(jià)格造成了巨大的影響，所以這一年全球汽車產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入了能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期。在這個(gè)時(shí)期，世界各國(guó)都對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)展予以關(guān)注，各個(gè)國(guó)家的政府職能部門也在戰(zhàn)略上更加傾向于交通能源轉(zhuǎn)型，由此出臺(tái)了較多相關(guān)的優(yōu)惠政策，而電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)正是在這樣的背景下進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段[4]。

從電動(dòng)汽車發(fā)展的整體情況上看，發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)過多種不同類型的汽車和不同類型的電池，電動(dòng)汽車在其應(yīng)用過程中，也產(chǎn)生了巨大商業(yè)化的使用價(jià)值。綜合來看，電動(dòng)汽車電池主要有鉛酸蓄電池、鎳氫電池和鋰離子電池3種類型。

1.2 電池包的發(fā)展

對(duì)于新能源汽車電池包而言，電池包對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車的運(yùn)行和安全性都有著重要影響。同時(shí)，電池包也屬于電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中的一個(gè)重要?jiǎng)恿A(chǔ)。從目前行業(yè)對(duì)于電池系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)情況來看，電池包主要分為兩大類型，一種類型是集成電池箱的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的電池包，能夠根據(jù)新能源電車的自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行量體裁衣，進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，即兩者可以形成一個(gè)整體，從而形成集成化的模式，更好地實(shí)現(xiàn)電池包和電車整體結(jié)構(gòu)空間最優(yōu)化的設(shè)計(jì)配置[5]。此外，該結(jié)構(gòu)還能夠?qū)㈦姵氐母黜?xiàng)監(jiān)測(cè)性能和電池的管理界面設(shè)置在整個(gè)電動(dòng)汽車操作的空間中。另外一種類型的電池包則是與整車以一種具有良好兼容的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出來的，這類電池包沒有過多考慮在電車空間中安置的問題，而是直接對(duì)新能源電動(dòng)汽車的某些結(jié)構(gòu)部件直接轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，使其成為電池。目前，這兩種電池包市面上應(yīng)用廣泛。

2 電動(dòng)汽車電池的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池早在19世紀(jì)初就已經(jīng)被發(fā)明出來，如圖1所示，這種電池的基本結(jié)構(gòu)有三個(gè)部分，即作為正極板的氧化鉛、作為負(fù)極板的海綿鉛以及作為電解液的硫酸水。鉛酸蓄電池的充放電過程，主要是正負(fù)極板與電解液的電化學(xué)反應(yīng)過程，如充電過程是負(fù)極板的鉛原子經(jīng)由電化反應(yīng)生成鉛離子，而正極板的鉛離子則轉(zhuǎn)化為二價(jià)的鉛離子，并以硫酸鉛的形式固化在正極板上。從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看，鉛酸蓄電池在當(dāng)今的汽車行業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，主要在內(nèi)燃機(jī)汽車的電氣設(shè)備上和一些常見的電子設(shè)備上廣泛應(yīng)用，具備比較成熟的生產(chǎn)制造技術(shù)，生產(chǎn)成本比較低。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了一些新的技術(shù)，這些新的技術(shù)也在市場(chǎng)中得到了不斷的演變和應(yīng)用。不過，鉛酸蓄電池在當(dāng)今社會(huì)中依然有很大的用武之地，尤其是在旅游觀光等特殊車輛的使用過程中，鉛酸蓄電池依然是主要的動(dòng)力源，并且在一些短距離行駛的公交車?yán)锩嬉步?jīng)常得到大量的應(yīng)用[6]?，F(xiàn)如今，電動(dòng)汽車應(yīng)用的密封鉛酸蓄電池，對(duì)其的維護(hù)減少了很多，可以對(duì)鉛酸電池進(jìn)行深度的充放電，使用的循環(huán)效率相對(duì)也比較高。由于鉛酸蓄電池自身所儲(chǔ)存的能量與功率相比，仍然存在一定的弱點(diǎn)，主要原因是由于鉛酸蓄電池內(nèi)部金屬鉛具有較大的密度。雖然說功率的密度可以通過利用電極的表面處理進(jìn)行一定的增大，但這樣會(huì)加大對(duì)電池的損壞程度，從而縮短電池的使用壽命。此外，電池的充放電形式也會(huì)對(duì)電池的壽命造成嚴(yán)重的損傷，長(zhǎng)期以來，電池在充電過程中所產(chǎn)生的氣體也會(huì)導(dǎo)致活性物出現(xiàn)一定的脫落，而這種損壞和脫落勢(shì)必會(huì)影響電池自身的使用壽命。與此同時(shí)，如果電池在充電的過程中沒有達(dá)到預(yù)期充滿的狀態(tài)，電池也會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而對(duì)電池自身的孔隙度造成很大的降低，導(dǎo)致了活性物質(zhì)的進(jìn)入受到一定的限制。

圖1 鉛酸蓄電池

2.2 鎳氫電池

鎳氫電池在目前的電動(dòng)汽車應(yīng)用領(lǐng)域中，仍然占有一定的比例。這種電池主要是通過鎳基和堿性溶液所構(gòu)成的。在鎳氫電池、鎳鋅電池和鎳鉻電池這3大品種中，鎳氫電池是在電動(dòng)汽車中應(yīng)用最為廣泛的，因?yàn)樽陨砭哂斜容^高的能量，并且對(duì)環(huán)境友好，產(chǎn)生的污染物比較少。而鎳鋅電池由于產(chǎn)生能量的速度比較快，在某種程度上讓電池的自身壽命受到了很大的影響，但是從如今電氣行業(yè)的發(fā)展來看，仍然有一些辦法可以解決這些缺點(diǎn)。比如說，可以利用第三電極充電的形式來解決。鎳氫電池則是由氫氧化鎳和其他多種成分合金所組合形成的，其中由氫氧化鎳作為電池的陽極，釩、錳、鎳這些金屬共同構(gòu)成電池的陰極。這種電池和鉛酸電池相比較的話，其能量的儲(chǔ)存量可以提高到3倍，并且電池的比功率也比鉛酸電池大。鎳氫電池這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，在電動(dòng)汽車運(yùn)行過程中電壓比較高，其高能量和比功率也具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)[7]。

2.3 鋰離子電池

隨著電池技術(shù)的革新，鋰離子電池在電池行業(yè)中也得到了一定程度的發(fā)展，這種電池的結(jié)構(gòu)中有石墨陽極、鋰離子、金屬氧化物以及電解液等，如圖2所示。鋰離子電池的陽極是碳，而電池的陰極通常是二氧化錳，鋰電池的電解液通常是由硫酸二甲酯溶解六氟磷酸鋰溶液所構(gòu)成的。這種電池自身的質(zhì)量不大，使用輕便且比較結(jié)實(shí)，而且電池所儲(chǔ)存的能量比較高，一個(gè)單體電池甚至可以存儲(chǔ)3.7伏。鋰電池由于自身的體積比較小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)以及電池在進(jìn)行自放電功率比較高的情況下也不會(huì)產(chǎn)生一定的記憶效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，因此也具有十分廣泛的應(yīng)用前景[8]。

圖2 鋰離子電池組

3 電動(dòng)汽車電池未來發(fā)展展望

3.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池目前仍然是市場(chǎng)中應(yīng)用最為廣泛的一種電動(dòng)汽車電池，由于自身的價(jià)格低，一般作為火車、摩托車、叉車、短途汽車等的主要?jiǎng)恿碓?。然而，市面上所使用的鉛酸蓄電池，從能量比上和循環(huán)次數(shù)上來看，相對(duì)于其他的電池來說，還存在一定的弱勢(shì)。這對(duì)電池的實(shí)際使用效率，以及實(shí)際使用范圍都產(chǎn)生了一定的影響[9]。從未來的發(fā)展趨勢(shì)來看，鉛酸蓄電池在高速公路以及長(zhǎng)途運(yùn)輸中應(yīng)當(dāng)是最不符合時(shí)下各項(xiàng)要求的，也是不經(jīng)濟(jì)的。但是，由于鉛酸電池自身的成本較低，這就使得它依舊能夠在未來短途電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車中得到一定程度的應(yīng)用。相關(guān)的研究表明，在美國(guó)已經(jīng)研制出了一種超級(jí)電池，實(shí)際上指的是超級(jí)電容器和鉛酸蓄電池聯(lián)合使用的，這種電池的比功率相對(duì)比較高，壽命也比較長(zhǎng)。

3.2 鎳氫電池

鎳氫電池相對(duì)于鉛酸蓄電池而言，具有比較高的能量比和功率比，然而由于電池組成上存在著大量的鎳和鈷，這就使得電池的成本會(huì)相應(yīng)地增加，由于鎳、鈷本來也是比較稀缺的元素，所以也會(huì)導(dǎo)致在電池的生產(chǎn)和使用上出現(xiàn)價(jià)格上漲現(xiàn)象。從現(xiàn)今的電池發(fā)展技術(shù)來看，鎳氫電池在混合動(dòng)力汽車中得到一定程度的應(yīng)用，而隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，由于鋰離子成本的降低，所以鎳氫電池也會(huì)在原來的市場(chǎng)上受到一定的擠壓。因此，筆者認(rèn)為鎳氫電池目前在電動(dòng)汽車發(fā)展過程中仍然屬于過渡階段的電池產(chǎn)品，但在近期和中期的電池發(fā)展市場(chǎng)上，仍然是非常關(guān)鍵的動(dòng)力來源。

3.3 鋰離子電池

從當(dāng)下鋰離子電池在市場(chǎng)中的應(yīng)用數(shù)據(jù)來看，鋰離子電池目前的應(yīng)用迅速擴(kuò)大。不僅僅是在電動(dòng)汽車中，現(xiàn)在很多電瓶車也使用鋰離子電池，其電池的能量是鉛酸蓄電池的5倍多，是鎳氫電池儲(chǔ)存能量的3倍左右，因此鋰離子電池的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)是有目共睹的。相對(duì)于優(yōu)勢(shì)而言，鋰離子電池的價(jià)格、功率大小，以及鋰離子電池使用的安全性，是影響其快速發(fā)展的主要劣勢(shì)因素[10]。在當(dāng)下不少的電池安全事故中，有很大一部分是由于鋰離子電池所產(chǎn)生的安全事故。但是從鋰離子電池的主要原料來看，鋰是我國(guó)儲(chǔ)存量非常豐富的礦產(chǎn)資源之一，我國(guó)已探明的鋰礦總量已位居全世界第二。此外，有研究表明，鋰也大量存在于海水中，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類可以從海水中提煉出鋰離子，所以，從一定程度上看，這對(duì)于鋰離子電池技術(shù)的未來發(fā)展起著非常重要的作用，可以進(jìn)一步降低鋰離子電池的價(jià)格。

4 結(jié)束語

綜上所述，電動(dòng)汽車的電池是當(dāng)前汽車行業(yè)最為重要的儲(chǔ)能裝置之一。汽車要想達(dá)到一定的行駛周期、達(dá)到一定的續(xù)航里程、達(dá)到一定的加速動(dòng)力水平，就需要對(duì)電池不斷進(jìn)行研究和發(fā)展。毋庸置疑，電池將會(huì)對(duì)未來電動(dòng)汽車的發(fā)展起到主要的引領(lǐng)和助推作用，因此對(duì)電動(dòng)汽車的電池開展系統(tǒng)研究具有十分重要的戰(zhàn)略意義。