新能源汽車電池技術及發展趨勢

劉慶豐

(蘭州石化職業技術大學,蘭州 730060)

0 引言

隨著世界經濟持續和高速的發展,同時也帶來了一系列問題,如能源短缺、環境污染和生態惡化等問題,世界各國能源供需矛盾突出。交通產業是僅次于制造業的第二大石油消費產業,隨著世界汽車保有量的逐漸提升,導致世界石油消耗量日益攀升[1-3]。因此,大力發展新能源汽車是解決上述問題的重要措施,目前世界各個國家都加強對新能源汽車的投入與發展,推動新能源汽車產業的穩步發展。

新能源汽車主要包括純電動汽車、插電式混合動力汽車、混合動力汽車、氫燃料汽車[4],電池技術是新能源汽車的核心技術,電池技術的發展直接影響新能源汽車產業的穩步提升。目前,新能源汽車產業電池技術不成熟,蓄電池和充電站等基礎設施建設較為緩慢,充電站和充電樁規格不統一也是影響新能源汽車發展的重要因素,因此,未來應加強對新能源汽車電池技術的研究與發展[5]。

1 蓄電池技術原理

1.1 新能源汽車蓄電池分類

動力蓄電池屬于一種化學蓄電池,基本組成為正極板、負極板和電解質等,主要分類如下:

1)按照動力蓄電池電解質分類可以分為酸性蓄電池(主要以硫酸水溶液為電解質)、堿性蓄電池(主要以氫氧化鉀水溶液為電解質)、中性蓄電池(主要以鹽溶液為電解質)和有機電解液蓄電池(主要以有機溶液為電解質)。

2)按照動力蓄電池正負極材料進行分類可以分為鋅系蓄電池、鎳系蓄電池、鉛系蓄電池、鋰系蓄電池和金屬空氣蓄電池等。

1.2 新能源汽車蓄電池性能指標

1)電壓。蓄電池電壓主要是指電池正極和負極之間的電位差,單位為V,是表示蓄電池工作性能狀態的重要參數之一。

2)內阻。蓄電池內阻主要與極板的材質、結構和裝配工藝有關,不同的電解質會呈現出不同的電阻,通常情況下,隨著放電程度的增加,其電池內阻會相應增大。

3)容量。蓄電池容量是指在允許放電范圍內所能輸出的電量,單位為A,主要表示蓄電池的放電能力。

4)能量。蓄電池能量主要是指在一定的放電條件下,蓄電池所輸出的電能,單位為W·h,表示蓄電池的供電能力,是反映蓄電池綜合性能的重要參數。

5)功率。蓄電池功率主要是指在規定的放電條件下,蓄電池單位時間內輸出的電能,單位為W或者kW,電機的輸出功率和扭矩影響了以電驅動汽車的加速性能和最高車速。

1.3 新能源汽車對蓄電池的基本要求

1)比能量高。為了提高新能源汽車的續航里程,要求新能源汽車蓄電池儲存較多的能量,但是為了保證新能源汽車的輕便性,其安裝蓄電池的空間有限,因此要求新能源汽車蓄電池具有較高的比能量。

2)比功率大。為了提高新能源汽車在行駛過程中的加速能力、爬坡能力和負載行駛能力,因此要求蓄電池具有較高的比功率。

3)相對穩定性好。蓄電池應能實現快速充放電,并在充放電情況下保持車輛行駛穩定性。

4)使用成本低。降低汽車蓄電池購買成本的同時要提高蓄電池的壽命。

5)安全性高。蓄電池應確保不會發生自燃或者燃燒,因此,在新能源汽車發生交通事故,如猛烈撞擊時,不會出現燃燒和爆炸等現象,不會對駕駛員和乘客造成傷害。

2 新能源電池技術

2.1 鉛酸蓄電池

以酸性水溶液為電解質的蓄電池稱為酸性蓄電池,主要由正負極板、隔板、電解液、溢氣閥和殼體組成。由于酸性蓄電池電極以鉛及其氧化物為主要材料,因此又被稱為“鉛酸蓄電池”。鉛酸蓄電池已經過將近100年的發展,技術較為成熟,成本較低,因此,鉛酸蓄電池是目前新能源汽車中應用最為廣泛的電池類型之一,但是鉛對人體有毒,從可持續發展角度來看,未來鉛酸蓄電池會被新型環保電池取代。目前鉛酸蓄電池主要包括免維護鉛酸蓄電池和閥控密封式鉛酸蓄電池。

2.2 鎳氫蓄電池

鎳氫蓄電池屬于堿性電池,是20世紀90年代發展起來的一種新型環保蓄電池類型,主要由正負極板、隔板和電解液組成,正極為活性物質氫氧化鎳,負極為儲氫合金,電解質為氫氧化鉀,在金屬鉛的催化作用下完成放電和充電(圖1)。由于鎳氫電池具有較高的比能量,且無毒無害等應用優勢,目前在一些小型移動設備中逐步取代了鎳鎘蓄電池。鎳氫蓄電池主要特點如下:

圖1 鎳氫蓄電池在堿性溶液下的反應模型

1)比功率高。目前鎳氫蓄電池比功率可以達到1 350 W/kg。 2)循環次數多。目前應用在新能源汽車上的鎳氫蓄電池中,80%放電深度循環次數可以達到1 000次以上,為傳統鉛酸電池的3倍左右,在混合動力汽車中使用壽命可以達到5年。3)無污染。鎳氫蓄電池不含鉛、鎘等對人體有害的金屬,是21世紀最為綠色環保電源。4)耐過充過放。5)無記憶效應。6)使用溫度范圍較寬,溫度適用范圍為-30～55 ℃,儲存溫度范圍為-40～70 ℃。

2.3 鋰離子蓄電池

日本索尼公司研發一種新型高儲能電池為鋰離子蓄電池,與其他電池相比,具有高電壓、高比能量、高放電壽命、無污染和快速充電等應用優勢,是目前公認成為新能源汽車較為理想的動力電池,目前世界各國都逐漸投入鋰離子蓄電池的生產,同時將鋰離子蓄電池作為新能源汽車蓄電池的發展目標。鋰離子電池主要分為方形鋰離子蓄電池、圓柱形鋰離子蓄電池、錳酸鋰離子蓄電池、磷酸鐵鋰離子蓄電池和鎳鈷錳鋰離子蓄電池等。

鋰離子蓄電池主要包括正負極板、電解液和安全閥等組成。1)正極。在錳酸鋰離子蓄電池中以錳酸鋰為主,在磷酸鐵鋰離子蓄電池中以磷酸鐵鋰為主,同時在正極中加入導電劑、樹脂黏合劑等。2)負極。由碳材料與黏合劑的混合物,并且在銅基體上涂覆薄層。3)電解液。電解液主要以混合溶劑為主體的有機電解液。4)安全閥。通過對外部電路進行控制或者在蓄電池內部設置異常電流切斷安全裝置保證鋰離子電池使用安全性。

2.4 燃料電池

新能源汽車燃料電池是一種使用氫氣和氧氣化學反應產生電能的電池,驅動電動汽車行駛。與傳統燃油汽車相比,燃料電池汽車具有更高的能量效率和更低的環境污染。

燃料電池汽車使用氫氣作為燃料,通過燃料電池將氫氣與氧氣反應,產生電能和水。這種化學反應產生的電能可以直接驅動電動汽車的電動機,從而實現車輛的動力輸出。與傳統燃油汽車相比,燃料電池汽車的尾氣只有水和少量的氮氧化物,完全沒有二氧化碳和其他有害氣體的排放。

目前,燃料電池汽車面臨著一些挑戰。其中最大的挑戰之一是氫氣的儲存和輸送問題,因為氫氣在常溫常壓下是一種非常稀薄的氣體,難以儲存和運輸。另外,燃料電池汽車的制造成本較高,同時缺乏完善的氫氣供應基礎設施也是制約其普及的因素。

2.5 核動力電池

目前,并不存在使用核動力電池的新能源汽車,盡管核動力電池在理論上可能作為一種替代能源,但是由于其潛在的安全隱患和環境污染問題,目前并沒有被廣泛應用。

3 新能源汽車電池發展趨勢

隨著全球對環境保護和能源安全的關注不斷增加,新能源汽車的市場需求也在不斷擴大。電池是新能源汽車的核心技術之一,因此,其發展趨勢也備受關注。

3.1 鋰離子電池的發展

目前,鋰離子電池已經成為新能源汽車最常用的電池類型。未來,隨著電池技術的不斷進步和成本的降低,鋰離子電池的能量密度和續航里程將會進一步提高。

3.2 固態電池的研發

固態電池具有更高的能量密度和安全性,能大幅提升電池的續航里程和使用壽命。因此,固態電池的研發成為了當前的熱點之一。

3.3 電池回收和再利用

電池的回收和再利用是推動新能源汽車可持續發展的重要手段。未來,電池回收和再利用技術將會得到進一步發展和應用。

3.4 多元化電池技術的應用

除了鋰離子電池和固態電池,鈉離子電池、鋅空氣電池、錳電池、超級電容器等多種電池技術也正在被研發和應用,未來新能源汽車的電池類型將更加多元化。

3.5 智能化管理系統的開發

電池管理系統可以優化電池的使用效率和壽命,提高電池的安全性和可靠性。因此,未來電池管理系統的智能化和高效化將成為重要的發展方向。

4 結論

系統論述了新能源汽車電池技術的基本分類與要求,并對目前常見的新能源汽車電池類型,如鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池組成與特點進行概述。旨在為新能源汽車電池技術的發展與優化提供技術參考與借鑒。