常见动力电池的研究概况

常见动力电池的研究概况

摘要：简单介绍车用动力电池的评价指标，并列出了几种常见的动力电池，对其工作原理、性能和发展前景进行了分析比较，由此得出了动力电池今后的发展方向。

关键词：动力电池工作原理评价指标

0前言

为了减少对石油的依赖程度，控制环境污染和温室效应，电动车作为一种环境友好型交通工具，它的开发正在受到各国的重视。电池作为电动车的“心脏”，电动汽车的开发关键在于动力电池的竞争。但由于目前动力电池的比能量不够高、充电时间长、一次充电行程短、安全性差、电池成本高等原因，尚不能得到大范围推广，所以电动车用动力电池的发展成了电动车发展的瓶颈。

1 车用动力电池评价指标

评价车用动力电池的指标主要有以下几项：

(1)比能量，又称为质量比能量，用Wh/kg表示，它标志着一次充电能驶多少里程，代表每公斤质量的电池能够提供多少能量；；

(2)能量密度，又称为何种比能量，用Wh/L表示，它标志着蓄电池占据车内多少空间，代表着每公斤容积的电池能够提供多少能量；

(3)比功率，又称为质量比功率，用W/kg表示，它标志着汽车的加速性能和最高车速，代表每公斤质量的电池能提供多大马力；

(4)功率密度，又称为体积比功率，用W/L表示，它标志着提供一定功率的电池所占据的车内空间，代表每公升容积的电池能提供多大马力(一般可以省略)；

(5)寿命，用工作时间或总行驶里程表示，它标志着使用的经济性、方便性；

(6)快充电性能，用充满50%、80%或100%能量所需的时间表示；

(7)价格，用总计购入价表示，它标志着使用经济性，代表按里程计算的使用成本因素

目前还没有一种电池能完全满足上述要求。

当前，被认为可以用作动力车电源的有很多种，但目前的研究热点主要集中在铅酸蓄电池、锂离子电池、MN-Ni蓄电池和燃料电池等几个方面。下面就电动汽车上常用的这几种蓄电池的工作原理和性能情况作简单的介绍和比较。

2 铅酸蓄电池

铅酸电池诞生于1860年，距今已有100多年的发展历史，广泛用于内燃机汽车的起动动力源。它是成熟电动汽车蓄电池，也是目前唯一能大量生产供应的电动汽车电池。有80%~90%的采用率。

2.1 工作原理

它是采用金属铅作为负极，二氧化铅作为正极，用硫酸作为电解液，其化学反应式为：

放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅。充电时反应过程正好相反。现在比较广泛的采用免维护的阀控式铅酸电池(VRLA)。

2.2 性能分析

目前正在开发的电动汽车用先进铅酸蓄电池主要有水平密封铅酸电池，双极型密封铅酸电池，卷式电极铅酸电池等。这些电池都采用了一些合金极板和专利技术大大的提高了铅酸电池的性能指标。现在铅酸电池售价小于，比功率可达到，比能量达到，循环寿命达到800次以上。

它的优点是技术比较成熟，可靠性好、原材料容易得到价格便宜、比功率基本上能满足电动汽车的动力性要求。缺点是比能量较低，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，增加了汽车的自重和自身功率消耗。另外铅酸电池的使用寿命短，使用成本较高，因此只被广泛用于车速小于的各种场地车、高尔夫球车、垃圾车、叉车以及电动自行车上。实践证实铅酸电池在这一低端产品市场上有较强的竞争力和实用性。

2.3发展前景

铅酸电池作为电动汽车的主要动力源，并且技术成熟，使用成本远远低于MH-Ni和锂离子等高能电池，所以还会在很长一段时间内仍是电动汽车中最可能广泛使用的能源。但在某种程度上，铅酸电池时代可以称得上是电动汽车用电源的起步和过渡阶段。随着电动车研发热潮的来临，镍氢电池将会取代铅酸电池占据相当大的市场空间

3 镍氢蓄电池

早在20世纪30年代，镍基电池技术就已经出现，到了20世纪70年代末期由于电动汽车工业的复苏，使得镍基电池快速的发展起来。最早应用的是Ni-Cd电池，而后出现了镍锌电池和镍氢电池。90年代镍氢电池投放市场，Ni-MH电池被认为是满足电动汽车使用近期目标的电池，同时也是一种新型绿色电池，相当多的电池生产厂家都致力于它的研发。

3.1工作原理

Ni-MH电池正极活性物质采用氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电解液为氢氧化钾溶液，电池中的主要反应为：

正极：

负极：

总反应式：

式中：M为贮氢合金；MHab为贮有氢的贮氢合金。电池充电时，正极的氢进入负极贮氢合金中，放电时过程正好相反。在此过程中，正、负极的活性物质都伴随着结构、成分、体积的变化，电解液也发生变化。

3.2 性能分析

相对于其他电池，Ni-MH电池的优异特性表现在以下几点：

(1)高比能量(衡量电动车一次充电行驶里程)已与锂离子电池水平相当；

(2)高比功率(赋予电动车良好的启动、加速、爬坡性能)其性能已高于锂离子电池；

(3)长寿命特性(赋予电池良好的经济性)平均寿命300~600次；

(4)安全性能高，无污染物，被誉为“绿色电源”。

但是目前阻碍其应用的一个重要问题是初始成本的太高，一般都大于，而且还有记忆效应和充电发热等问题，充电发热会引发安全问题，因此相应的要求发展可靠的能量管理系统。

3.3发展前景

目前，日本松下公司和丰田公司，美国的Ovonic公司和美国USABC(美国先进电池联合体)都在积极开发研制Ni-MH电池。另外，我国将此列入国家“863”计划，并力争使这一项目保持国际先进水平。最近，随着北京有色金属研究总院研制成功的轿车用100Ah高能密封镍氢动力电池的装车，并实现一次充电续驶里程达225km，使我国在镍氢动力电池的研制上达到国际先进水平。

Ni-MH电池优越的性能极具吸引力，除了技术不太成熟外，比其它电池更具发展潜力，所以很多厂家正在研发Ni-MH电池，它是电动汽车发展中期目标的主要能源之一。具有很大的发展前景。镍氢电池的发展方向主要是进一步提高能量密度及功率密度、改善放电特性、增加循环寿命。而这一切能否最终得以实现，主要依靠材料的进步。

4 锂离子电池

锂离子电池出现在90年代初期，是由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，由于它的独特性能，在短短十几年的时间里，锂离子电池技术得到了空前的发展。许多国家和一些厂家对锂离子电池在电动车、航天和储能方面都表现出浓厚的兴趣和关注。

4.1工作原理

锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。在充放电过程中，锂离子在电池正极和负极之间往返流动。电化学反应方程式为：

LixC为锂碳化合物；Li-xMyOz为锂化过渡金属氧化物。放电时，锂离子由电池负极通过电解液流向正极并被吸收。充电时，过程正好相反。

4.2性能分析

锂离子电池基本上解决了蓄电池的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。同时锂离子电池具有高的电池单体电压、高的比能量和能量密度，可以说是当前比能量最高的电池，工作稳定。它的性能指标都可以满足USABC制定的电动车中期目标。缺点是自放电率高，初始成本较高，生产技术上还有待于进一步发展。

4.3发展前景

日本索尼公司生产的锂离子电池在性能上和品种上已经具备相当高的水平，此外，法国萨弗特公司和德国瓦尔塔公司在这方面的研究也达到了相当高的水平。随着技术的发展，锂离子电池的性能指标将会越来越高。

近年由于磷酸铁锂离子电池的研发有重大突破，又大大提高了电池的安全性。目前已有许多发达国家将锂离子电池作为电动汽车用动力电池的主攻方向。我国拥有锂资源优势，锂电池产量到2004年已占全球市场的37.1％，预计到2015年以后，锂离子电池的性/价比有望达到可以和铅酸电池竞争的水平，而成为未来电动汽车的主要动力电池。

5 燃料电池

燃料电池从1839年问世以来，已经经过了160多年的发展。直到20世纪60年代，燃料电池作为航空器的动力源，才得到了实际的应用。1993年加拿大的巴拉德公司证实了燃料汽车可以与燃油汽车等同的性能。而后的许多厂家都开始了燃料电池的研究。目前有五种燃料电池，由于质子交换膜燃料电池能在常温下工作，所以成为研究最为活跃，进展也最快的燃料电池，目前汽车上用的燃料电池多为质子交换膜燃料电池。

5.1工作原理

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。燃料电池通常由三部分组成，即阳极(A)、阴极(C)和电解液(E)，阳极为燃料电极，在催化剂作用下发生氧化反应并输出电子到外电路。阴极在催化剂作用下发生还原反应，并从外电路接受电子。电解液用于传递燃料反应的离子和电子。

5.2性能分析

燃料电池是一个能量生成装置，并且一直产生能量，直到燃料耗尽。它的优越性在于高效率的把燃料转化为电能，工作安静，以纯氢为燃料时可以实现零排放，燃料补充迅速，并且燃料容易获得。缺点是现在的应用技术还需要进一步的提高，还存在一定的安全问题和价格问题。

5.3发展前景

90年代以来燃料电池成为各个发达国家竞相开发的电动车电池。加拿大、美国、日本、德国等国家处于领先地位，其中以加拿大的巴拉德公司最为先进。燃料电池电动车是唯一能与燃油汽车相比的电动车，但仍面临着一系列无法克服的技术和市场化障碍，未来可能有一定的生存空间。燃料电池汽车要达到商品化还要克服许多困难，高额的开发费用更是限制它发展的原因。但是在未来的5~10年内，燃料电池技术必将得到飞速的发展。

6结束语

综上分析可知，在介绍的几种动力电池中，铅酸动力电池最安全，成本最低，当然是电动汽车的可选动力电源，但比能量、比功率都较低，仍然是低端电动车市场的主要动力电池；镍氢动力电池和锂离子动力电池在比功率和比能量方面都比铅酸动力电池有所提高，但是成本高，还存在安全问题，为提高安全性需要使用电池管理系统；燃料电池是今后发展的重要方向，但目前存在成本高的问题。考虑到汽车的运行特点，采用混合驱动方案是未来电动汽车发展的主流。

与燃油汽车相比，我国在电动车方面的研究与国际水平相差不是太远，如果能研制出符合我国国情的电动车用电池，并能生产出被消费者接受的电动车，将大大缓解我国由于汽车消费的急速增加而带来的环境和能源压力。考虑到我国国情，仍应大力推广使用混合动力大客车，进一步降低制造成本，减少油耗。