電動汽車的動力電池技術(shù)研究

動力電池是一種具強大電能容量及輸出功率的電池，可作為電動自行車、電動汽車、電動設(shè)備及其他電動工具的驅(qū)動電源電池，另軍事、企事業(yè)單位的蓄能設(shè)備也會用動力電池作為常用備用電源。伴隨環(huán)保理念的不斷深入人心，以動力電池為基礎(chǔ)的電動汽車的發(fā)展越來越受關(guān)注，而動力電池作為電動汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，人們對其的研究也越來越深入。

1  電動汽車動力電池技術(shù)的發(fā)展歷史

1996年，美國通用汽車公司制造了第1代電動汽車EV1，其所使用的動力電池技術(shù)為鉛酸電池技術(shù)；1996年，通用氣車公司制造了第2代電動車，其所使用的動力電池技術(shù)為鎳氫電池，相比于鉛酸電池技術(shù)，鎳氫電池一次充電的行駛里程稍遠，但因市場競爭力較低而退出；同年，日本豐田汽車公司制造了第3代電動汽車，其是在傳統(tǒng)鎳氫電池技術(shù)的基礎(chǔ)上聯(lián)合使用了內(nèi)燃機作為汽車動力供應(yīng)，屬混合動力汽車；2006年，鋰離子電池技術(shù)出現(xiàn)，并應(yīng)用于電動汽車的制造當中。相比于鉛酸電池與鎳氫電池，其安全性明顯提高，強烈沖擊著鎳氫電池的應(yīng)用，成為其市場競爭當中強有力的對手。

2  當前幾種常用動力電池技術(shù)的研究

2.1  鉛酸電池

2.1.1  鉛酸電池的工作原理

鉛酸電池源于1859年，由Gaston Plante發(fā)明，是當前可大量生產(chǎn)供應(yīng)的重要電池技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于電動汽車的制造當中，成為當下電動汽車的主要動力電池技術(shù)。鉛酸電池主要由電解液、正極板和負極板共同構(gòu)成，其中電解液為稀硫酸，正極板為PbO2，負極板為Pb，其正、負極的反應(yīng)原理如下：

正極：PbSO4+2H2O→PbO2+3H++HSO4+2e-；

負極：H++PbSO4+2e-→Pb+HSO4-。

鉛酸電池主要是利用Pb元素的不穩(wěn)定性以產(chǎn)生電子遷移，從而形成電能供電。利用導體將電池的正、負極板進行連接后，負極板的Pb則會失去兩個電子，與浸入其中的電解液的發(fā)生反應(yīng)，生成PbSO4，則時電子還會通過導體與正極板上的Pb4+發(fā)生反應(yīng)，也生成PbSO4，從而為電器持續(xù)供電。當正、負極板上的活性物質(zhì)逐步被消耗，放電反應(yīng)則無法持續(xù)發(fā)生，電能也就無法持續(xù)供應(yīng)，此時就表明應(yīng)進行充電。充電時，負極板上的PbSO4發(fā)生電解反應(yīng)，Pb2+還原為Pb元素；而正極板上的Pb2+因失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)，生成PbO2。待充電完成之后，電池的正、負極板則恢復(fù)原始狀態(tài)，又可持續(xù)為電器供電。

2.1.2  鉛酸電池的性能

鉛酸電池的材料來源非常豐富，制作成本相對較低，因此，其價格相對便宜，但其比功率較高，制造工藝相對成熟，所以，鉛酸電池至今仍被廣泛應(yīng)用于電動汽車的制造當中，成為電動汽車的重要動力電池技術(shù)之一。但鉛酸電池的缺陷較多，其主要包括以下方面：第一，比能量較低，一次充電所能行駛的路程非常有限；第二，質(zhì)量及體積較大，不便于攜帶，且對應(yīng)用電池的汽車要求較高；第三，循環(huán)使用壽命較短，若要長期使用，則要定期更換，加大了使用者的成本；第四，存在一定污染現(xiàn)象。鉛為重金屬，環(huán)境無法代謝，大量使用會對環(huán)境造成一定污染。

2.1.3  鉛酸電池的發(fā)展前景

    鉛酸電池雖有諸多有待改進的地方，尤其是其比能量及比功率低、使用壽命短等問題，致其當前僅能應(yīng)用于行駛里程短且對充電要求不高的汽車當中，如景區(qū)觀光車、工廠叉車、市區(qū)短途公交車等，甚至有人認為其將在不久之后即會被鎳氫電池或是鋰離子電池所取代，但其制造技術(shù)相對成熟，且成本較低，可進行量化生產(chǎn)，若能改善其比能量與比功率、加強其充電性能，其仍具良好應(yīng)用空間。

2.2  鎳氫電池

2.2.1  鎳氫電池的工作原理

鎳氫電池是基于鎘鎳電池而發(fā)展起來的，相比于鎘鎳電池，同體積下，鎳氫電池的容量是其的2倍，且其記憶效應(yīng)明顯減小。現(xiàn)多數(shù)商業(yè)化的混合電動汽車的動力電池均采取鎳氫電池技術(shù)。鎳氫電池的電解液為KOH，正極活性材料為堿式氧化鎳(NiOOH)，負極活性材料為吸氫合金(MH)，其反應(yīng)原理如下：

正極：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-；

負極：M+xH2O+xe-→MHx+xOH-。

鎳氫電池負極上所含MH擁有大量H元素，其可與電解液中的(OH)-發(fā)生反應(yīng)，失云電子生成H2O，同時失去的電子通過導體的連接與正極上的NiOOH發(fā)生反應(yīng)生成Ni(OH)2，從而為電器持續(xù)供電。當需進行充電時，電池負極的H2O被電解，H+被還原為H，并被合金M所吸收，再次成為MH；而正極的Ni2+因失去電子，再次與H2O中的(OH)-發(fā)生反應(yīng)，從而還原成NiOOH。

2.2.2  鎳氫電池的性能

與鉛酸電池進行比較，鎳氫電池的能量體積密度是其的4倍，比功率是其的11倍，其動行電壓較高，充放電的耐受性較好，且具較高熱性能。但鎳氫電池具記憶效應(yīng)，單體電池的電壓較低，非常難以組合，形成大容量電池組，為達電壓等級及功率需求，其需利用大量串聯(lián)電池，這在一定程度上會影響其一致性，從而限制其的廣泛應(yīng)用。另，鎳氫電池的價格偏高，缺乏一定均勻性，電池空量及電壓差于高速率或是深放電的情況下相差較大，其性能水平與實際要求還存在較大偏差，這也限制了鎳氫電池的廣泛應(yīng)用。

2.2.3  鎳氫電池的發(fā)展前景

當前純電動汽車的技術(shù)條件尚未成熟，市場多為混合動力電動汽車。在這種情況下，雖鎳氫電池的能量密度不及鋰離子電池，但其可靠性較高，且成本較鋰離子電池更低，循環(huán)使用壽命較長，相信在未來的一段時間內(nèi)，鎳氫電池仍會廣泛應(yīng)用于混合動力電動汽車當中，成為混合動力電動汽車的主流動力電流技術(shù)。

2.3  鋰離子電池

2.3.1  鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池源于上世紀90年代，由索尼公司所推出，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池。當前市面上流通較多的鋰離子電池主要是液體鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。鋰離子電池正極所使用的材料有很多，如LiCoO2、LiMnO2、LiFePO4等；負極所使用的材料要求可嵌入鋰，主為碳類材料，如焦碳、石墨、混合碳等；電解液為溶有鋰鹽的有機溶液，以LiFePO4為例，其充、放電的反應(yīng)原理如下：

充電：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-；6C+xLi++xe-→LixC6；

放電：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4；LixC6→6C+xLi++xe-。

在進行充電時，電池正極上的Li會失去電子，成為Li+，并進入電解液當中，負極的碳可吸收源于電解液的Li+和電子，從而為電器提供電能，所吸收的Li+越多，電池的容量就越高。在進行放電時，嵌入于負極碳層結(jié)構(gòu)的Li+會被電解，從碳層中脫離，變成Li再次進入電解液當中，通過導體回到正極，并與正極上的金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，重新恢復(fù)成LiMnO2。

2.3.2  鋰離子電池的性能

相比于其他電池，鋰離子電池的能量密度及充放電性能明顯更優(yōu)，且其工作電壓較高，通常處3.6V-3.9V之間；比能量高，質(zhì)量較輕，不存在記憶效應(yīng)；無污染且使用壽命較長，在當前動力電池技術(shù)市場占主導地位。但鋰離子電池技術(shù)自其面市至今，已有20余年無較大技術(shù)突破，其電池功率密度有限，無法快速釋放或接收大量的能量，且其安全性、成本、材料供應(yīng)等也存在一定缺陷。

2.3.3  鋰離子電池的發(fā)展前景

鋰離子電池是當前被科學家們普遍看好的電動汽車的主要動力電池技術(shù)，被視作新世紀電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵動力電池技術(shù)。現(xiàn)各大汽車生產(chǎn)廠商都非常重視鋰離子電池技術(shù)的應(yīng)用，并將其更為新能源汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。就這點來看，鋰離子電池的發(fā)展前景非常廣闊。在未來一大段時間內(nèi)，鋰離子電池的研究重點將主要著眼于降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，同時提高其安全性，實現(xiàn)其快速充電。

3  結(jié)語

電動汽車是我國汽車行業(yè)未來發(fā)展的方向，動力電池技術(shù)是電動汽車生產(chǎn)與制造的核心技術(shù)，直接影響了電動汽車未來的發(fā)展。也正是因為此，業(yè)界非常重視對動力電池技術(shù)的研究。現(xiàn)市面上所使用的動力電池技術(shù)當中，鉛酸電池的價格較低，但其性能不足，雖有所應(yīng)用，但范圍卻不廣；鎳氫電池是電動汽車近期及中期發(fā)展的首選動力電池，但其廣泛使用仍面臨著諸多問題；鋰離子電池的性能較好，是未來電動汽車動力電池的首選技術(shù)。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.k2057.cn/w/qk/21223.html