- 電動汽車對電池的基本要求
- 當前的電動汽車動力電池簡介
汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動了全球機械、能源等工業(yè)的進步以及經(jīng)濟、交通等方面的發(fā)展，同時也極大的方便了人們的生活。但是，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車所固有的消耗能源、污染環(huán)境的缺陷也一直影響和困撓著人們的生活及社會的發(fā)展，隨著社會的進步和科技的發(fā)展，隨著保護環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲日益高漲，新一代電動汽車作為無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，近些年來引起了人們的普遍關注并得到了極大的發(fā)展。北京要把2008年奧運會辦成一屆綠色的奧運會，其中的一項工作就是要用環(huán)保型的電動汽車來替代目前的內(nèi)燃機汽車。
電動汽車以電力驅(qū)動，行駛無排放（或低排放），噪音低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機汽車高很多，同時電動汽車還具有結(jié)構簡單、運行費用低等優(yōu)點，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機汽車。但電動汽車目前還存在價格較高、續(xù)駛里程較短、動力性能較差等問題，而這些問題都是和電源技術密切相關的，電動汽車實用化的難點仍然在于電源技術，特別是電池（化學電源）技術。目前制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素是動力蓄電池不理想，而開發(fā)電動汽車的競爭，最重要的就在于開發(fā)車載動力電池的競爭。
電動汽車用動力蓄電池與一般啟動蓄電池不同，它是以較長時間的中等電流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電（起動、加速時），并以深循環(huán)使用為主。
電動汽車對電池的基本要求可以歸納為以下幾點：
1、高能量密度；
2、高功率密度；
3、較長的循環(huán)壽命；
4、較好的充放電性能；
5、電池一致性好；
6、價格較低；
7、使用維護方便等。
當前研究開發(fā)的電動汽車動力電池主要包括鉛酸電池、鎳金屬電池、鋰離子蓄電池、高溫鈉電池、金屬空氣電池、超級電容、飛輪電池以及具有更好發(fā)展遠景的燃料電池和太陽能電池。
1、鉛酸電池
鉛酸電池已有１００多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機汽車的起動動力源，它也是成熟的電動汽車蓄電池。鉛酸電池正負電極分別為二氧化鉛和鉛，電解液為硫酸。鉛酸電池又可以分為兩類，即注水式鉛酸電池和閥控式鉛酸電池。前者價廉，但需要經(jīng)常維護，補充電解液；后者通過安全控制閥自動調(diào)節(jié)密封電池體內(nèi)在充電或工作異常時產(chǎn)生的多余氣體，免維護，更符合電動汽車的要求?？傮w上說，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價格便宜等優(yōu)點，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它有兩大缺點；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個是使用壽命短，使用成本過高。由于鉛酸電池的技術比較成熟，經(jīng)過進一步改進后的鉛酸電池仍將是近期電動汽車的主要電源，正在開發(fā)的電動汽車用先進鉛酸電池主要有以下幾種：水平鉛酸電池、雙極密封鉛酸電池、卷式電極鉛酸電池等。
2、鎳金屬電池
目前在電動汽車上使用的鎳金屬電池主要有鎘鎳電池和氫鎳電池兩種。鎘鎳電池和鉛酸電池相比，能夠達到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循環(huán)壽命2000次，而且可以快速充電，雖說其價格為鉛酸蓄電池的4～5倍，但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長期的實際使用成本并不高。但由于其含有重金屬鎘，在使用中不注意回收的話，就會形成環(huán)境污染，目前許多發(fā)達國家都已限制發(fā)展和使用鎘鎳電池。而氫鎳電池則是一種綠色鎳金屬電池，它的正負極分別為鎳氫氧化物和儲氫合金材料，不存在重金屬污染問題，且其在工作過程中不會出現(xiàn)電解液增減現(xiàn)象，電池可以實現(xiàn)密封設計。鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都比鎘鎳電池有所提高，使用氫鎳電池的電動汽車一次充電后的續(xù)駛里程曾經(jīng)達到過600公里，目前在歐美已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用。氫鎳電池就其工作原理和特點是適合電動汽車使用的，它已被列為近期和中期電動汽車用首選動力電池，但其還存在價格太高，均勻性較差（特別是在高速率、深放電下電池之間的容量和電壓差較大），自放電率較高，性能水平和現(xiàn)實要求還有差距等問題，這些問題都影響著氫鎳電池在電動汽車上的廣泛使用。
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3、鋰離子蓄電池
鋰離子蓄電池是90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池，能夠比氫鎳電池存儲更多的能量，比能量大，循環(huán)壽命長，自放電率小，無記憶效應和環(huán)境污染，是當今各國能量存儲技術研究的熱點，主要集中在大容量、長壽命和安全性三個方面的研究。鋰離子蓄電池中，鋰離子在正負極材料晶格中可以自由擴散，當電池充電時，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復運動以傳遞電能。鋰離子蓄電池的電極為鋰金屬氧化物和儲鋰碳材料，根據(jù)電解質(zhì)的不同，鋰離子蓄電池一般可分為鋰離子電池和鋰聚合物電池兩種。
4、高溫鈉電池
高溫鈉電池主要包括鈉氯化鎳電池（NaNiCl2）和鈉硫蓄電池兩種。鈉氯化鎳電池是1978年發(fā)明的，其正極是固態(tài)NiCl2，負極為液態(tài)Na，電解質(zhì)為固態(tài)β-Al2O2陶瓷，充放電時鈉離子通過陶瓷電解質(zhì)在正負電極之間漂移。鈉氯化鎳電池是一種新型高能電池，它具有比能量高（超過100Wh/kg），無自放電效應，耐過充、過放電，可快速充電，安全可靠等優(yōu)點，但是其工作溫度高（250-350℃），而且內(nèi)阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)有關，因此需要有加熱和冷卻管理系統(tǒng)。而鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車蓄電池，它已被美國先進電池聯(lián)合體(USABC)列為中期發(fā)展的電動汽車蓄電池，鈉硫蓄電池具有高的比能量，但它的峰值功率較低，而且這種電池的工作溫度近似300℃，熔融的鈉和硫有潛在的毒性，腐蝕也限制了電池的可靠性和壽命。
5、鋅空氣電池（Zinc-air）
鋅空氣電池是一種機械更換離車充電方式的高能電池，正極為Zinc，負極為Carbon（吸收空氣中的氧氣），電解液為KOH。鋅空氣電池具有高比能量（200Wh/kg），免維護、耐惡劣工作環(huán)境，清潔安全可靠等優(yōu)點，但是其具有比功率較?。?0W/kg），不能存儲再生制動的能量，壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點。一般為了彌補它的不足，使用鋅空氣電池的電動汽車還會裝有其它電池（如鎳鎘蓄電池）以幫助起動和加速。
6、超級電容
超級電容是為了滿足混合電動汽車能量和功率實時變化要求而提出的一種能量存儲裝置，它是一種電化學電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點。超級電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應用作為電動汽車的動力電源，可以滿足電動汽車對功率的要求而不降低蓄電池的性能，超級電容的使用，將減少汽車對蓄電池大電流放電的要求，達到減少蓄電池體積和延長蓄電池壽命的目的。開發(fā)高比能量、高比功率、長壽命、高效率和低成本的超級電容，可以提高商業(yè)化電動汽車動力性（特別是加速能力）、經(jīng)濟性和續(xù)駛里程。根據(jù)電極材料的不同，超級電容可分為碳類超級電容（雙電層電化學電容）和金屬氧化物超級電容兩類。
7、飛輪電池
飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。飛輪電池是一種以動能方式存儲能量的機械電池，它由電動/發(fā)電機、功率轉(zhuǎn)換、電子控制、飛輪、磁浮軸承和真空殼體等部分組成，具有高功率比、高能量比、高效率、長壽命和環(huán)境適應性好等優(yōu)點。飛輪電池中的電機，在充電時該電機以電動機形式運轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動下，電機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)（可達到200000rpm），即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速從而增大其動能；放電時，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動下對外輸出電能，完成機械能(動能)到電能的轉(zhuǎn)換。要開發(fā)適合電動汽車的實用性飛輪電池，就必須進一步提高它的安全性和降低成本。
8、燃料電池
燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，它的基本化學原理是水電解反應的逆過程，即氫氧反應產(chǎn)生電、水和熱。它不需要燃燒、無轉(zhuǎn)動部件、無噪聲、運行壽命長、可靠性高、維護性能好，實際效率能達到普通內(nèi)燃機的2至3倍，加之其最終產(chǎn)物又是水，真正達到清潔、可再生、無排放的要求，是21世紀的首選能源。而且，燃料電池也不需要像其它電池那樣進行長時間的充電，它只需要像給汽車加油一樣補充燃料即可。據(jù)美國ABI調(diào)查公司預測，2011年全球燃料電池汽車的產(chǎn)量將達到240萬輛，占世界汽車總產(chǎn)量的4.3％，日本政府也計劃在十年內(nèi)普及燃料電池。2002年12月，日本豐田公司已向日本政府交付了第一批商用燃料電池電動汽車。燃料電池由正負電極、催化層和電解質(zhì)構成，根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為磷酸型、質(zhì)子交換膜型、堿性型、熔融碳酸鹽型和固體氧化物型等幾種，目前只有質(zhì)子交換膜型燃料電池最適合電動汽車使用，我國研制成功的“中國氫動力首號車”使用的就是質(zhì)子交換膜型燃料電池。一套較完整的燃料電池系統(tǒng)由以下幾個部分組成：燃料處理部分、燃料電池、直流交流轉(zhuǎn)換器和熱能管理部分。
9、太陽能電池
太陽能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，太陽能已廣泛用于照明、家用電器、發(fā)電、交通信號、地質(zhì)、航天等領域。目前，部分機構也已研制出了使用太陽能電池的電動汽車樣車，但是由于太陽能電池還存在光電轉(zhuǎn)換效率不高、價格太高、電池系統(tǒng)配置較復雜等問題，近期內(nèi)只能作為電動汽車的補充電源，還不能大規(guī)模的生產(chǎn)應用，但太陽能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應用必將會取得長足的進步。
當前電動汽車正處于又一次發(fā)展高潮，電動汽車技術的全面發(fā)展，重點在能量存儲技術和動力驅(qū)動系統(tǒng)技術兩個方面。電動汽車動力驅(qū)動系統(tǒng)技術發(fā)展相對較快，因此隨著能量存儲技術的發(fā)展和突破，隨著低成本、高能量密度、高功率密度的動力電池和低成本、質(zhì)量輕、體積小的燃料電池商品化的實現(xiàn)，電動汽車必將成為21世紀的主流交通工具。
