电动汽车与动力电池

ｗ ｉ ｔ ｈｌ ｅ ａ ｄａ ｃ ｉ ｄｂ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｅ ｓ ， ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｄａｓ ｐ ｅ ｅ ｄｏ ｆ １ ０ ０ ［ ３ ］ ｋ ｍ／ ｈ
随着电动汽车市场规模的扩大， 铅酸蓄电池 的技术水平和配套基础设施也获得了较快发展． 铅酸蓄电池的储电能力从 １ ８ ９ ０年的每 ｋ ｇ 电池不 到１ ０Ｗ· ｈ （ 瓦时） ， 上升到 １ ９ ０ １年的 １ ８Ｗ· ｈ ，
摘要： 回顾电动汽车一百多年的发展历史， 讨论了化学电源技术对电动汽车发展的影响． 在简要介绍电动汽
车种类和电动汽车对动力电池的技术要求之后， 集中讨论了动力锂离子电池应用的主要问题， 包括电池安全性、 最后， 简单分析了未来动力电池技术的发展之路． 环境适应性和成本．
关键词： 电动汽车；动力电池；锂离子电池 随着汽车工业的迅猛发展， 石油资源耗竭日 益加快， 汽车尾气排放导致的空气污染和温室效 面对当前能源和环境问题备受关注 应日益严重． 的国际大环境下， 汽车技术不得不朝着燃料多元 化、 动力电气化的方向变革． 以车载电源为全部或 部分动力驱动行驶的电动汽车， 因具有高效节能、 低排放或零排放的显著优势， 成为目前国际节能 环保汽车发展的主攻方向． 从世界各国的战略目 标看， 发展电动汽车已被普遍确立为保障能源安 全和转型低碳经济的重要途径． 美国在奥巴马总 统上任后， 立即部署实施总额为 ４ ８亿美元（ 其中 ２ ４亿美元为政府拨款） 的电池与电动车研发与产 业化计划， 提出到 ２ ０ １ ５年普及 １ ０ ０万辆插电式电 动汽车． 日本将发展电动汽车作为“ 低碳革命” 的 核心内容， 并计划到 ２ ０ ２ ０年普及以电动汽车为主 ３ ５ ０万 辆． 德国政府于 体的“ 下 一 代 汽 车” 达到 １ ２ ０ ０ ９年 ８月发布了以纯电动车和插电式电动车为 重点的《 国家电动汽车发展计划》 ． 我国政府也将发展电动车上升为国家战略予 以高度支持． 科技部从“ 十五” 开始在 ８ ６ ３计划中 设立“ 电动汽车” 重大科技专项． ２ ０ ０ ９年以来， 有关 部门又密集出台了一系列鼓励电动汽车及相关行 业发展的政策措施． ２ ０ ０ ９年 ３月出台的《 汽车产业 ０万辆纯 调整和振兴规划》 中， 提出“ 三年内形成 ５ 电动、 充电式混合动力和普通型混合动力等的新 能源汽车， 以及新能源汽车销量占乘用车销售总 量的 ５ ％左右” 的目标． 随后， 科技部、 财政部、 发改 委和工信部共同启动“ 十城千辆” 工程， 计划用 ３
第１ ７卷 第 ２期 ２ ０ １ １年 ５月
电化学
Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ Ｏ Ｃ Ｈ Ｅ Ｍ Ｉ Ｓ Ｔ Ｒ Ｙ
Ｖ ｏ ｌ ． １ ７ Ｎ ｏ ． ２ Ｍ ａ ｙ ２ ０ １ １ 文章编号： １ ０ ０ ６ ３ ４ ７ １ （ ２ ０ １ １ ） ０ ２ ０ １ ２ ３ １ １
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电 化 学
２ ０ １ １年
年左右时间， 每年发展 １ ０个城市， 每个城市推出 １ ０ ０ ０辆新能源汽车示范运行． 在最近出台的“ 十二 五” 规划中， “ 十城千辆” 进一步扩充为“ 二十城千 辆” ． ２ ０ １ ０年 ６月， 财政部、 科技部、 工信部和发改 委又联合出台《 关于开展私人购买新能源汽车补 贴试点的通知》 ， 对上海、 长春、 深圳、 杭州、 合肥 ５ 城市私人购买电动车给予一次性补贴． 在各国政府的引导和大力支持下， 全球范围 内又一次掀起了电动汽车的开发热潮． 然而， 作为 电动汽车的“ 引擎” 部件， 动力电池的现有技术经 济指标能否满足电动汽车的技术发展和商业化应 用要求？动力电池目前面临哪些问题和挑战？从 普及纯电驱动电动汽车的远期目标出发， 动力电 池可能发展的技术路线如何？本文将在介绍化学 电源技术对电动汽车发展的影响， 以及电动汽车 种类和它的动力构成之后， 针对以上问题展开讨 论．
０年代， 汽车工业开始快速发展． 但当时 １ ９世纪 ９ 的内燃机技术还相当落后， 燃油车存在噪声大、 启 动难、 水消耗量大、 行驶里程短、 最高时速低、 故障 多、 维修困难等问题， 而蒸汽机则存在启动前加热 电动车因 时间长、 行驶过程中消耗大量水等问题． 具有启动快、 维修方便等优点， 在与上述两者的市 场竞争中脱颖而出， 从最初的三分天下， 很快成为 市场主导． １ ８ ９ ０年， 全世界 ４ ２ ０ ０辆汽车中， ３ ８ ％为 电动汽车， ４ ０ ％为蒸汽车， ２ ２ ％为内燃机汽车． １ ８ ９ ９ 年在美国市场销售的汽车中， 电动汽车为 １ ５ ７ ５辆，
２ ］ 定［ ： 在加州汽车销售市场， 从１ ９ ９ ８年起， “ 零排
虽然电池技术在此期间获得了较大幅度的提 升， 但与内燃机技术的发展速度相比， 仍然偏慢． 电动车爬坡能力差、 续驶里程短、 最高时速低以及 车身笨重等痼疾， 由于电池技术水平的限制并没 有从根本 上 予 以 解 决， 并 且 一 直 困 扰、 延续到现 在， 成为妨碍电动汽车发展的一个永久性问题． 与 此相反， 内 燃 机 技 术 在 此 期 间 获 得 了 飞 速 发 展． １ ９ ０ ８年美国福特汽车公司 Ｔ型车问世， 并开创了 以流水线生产方式大规模批量制造汽油机汽车的 先河
电动汽车与动力电池
艾新平 ，杨汉西
（ 武汉大学 湖北省化学电源材料与技术重点实验室， ３ ０ ０ ７ ２ ） 化学与分子科学学院，湖北 武汉 ４
编者按： 在各国政府、 企业界和研究机构的共同努力下， 电动汽车的发展已
进入了由科研转入产业化和商业化的关键时期． 我国政府在“ 十二五” 规划中已 经把新能源汽车作为重点发展的七大战略性产业之一． 此期间， 将实施以纯电驱动为重点的新能源汽车举措． 加 快推动纯电动汽车和插电式混合动力汽车的产业化， 同时继续推广混合动力汽车， 并且在条件具备的省市， 率先 在中国科技部、 国际能源署和上海市政府主持下， “ 中国（ 上海） 电动汽车国际示 进行燃料电池汽车的示范运行． 范城市” 已于 ４月 ２ ２日在上海正式揭牌． 作为我国首个电动汽车国际示范城市， 上海将与各国示范城市密切互 动， 在多个领域开展电动汽车应用示范项目． 这标志着我国电动汽车发展进入了一个新阶段． 我们也注意到， 推 ０ １ １国际化学年所提倡的清洁能源的一个重要方面． 为了帮助读者了解电 进电动汽车的研究开发和应用也是 ２ 动汽车和动力电池研究开发的历史和现状， 以及国际和国内的发展战略， 本刊特约武汉大学艾新平教授和杨汉 西教授撰写了“ 电动汽车和动力电池” 专文， 以飨读者．
收稿日期： ２ ０ １ １ ０ ４ １ ８ 通讯作者， （ ８ ６ ２ ７ ） ６ ８ ７ ５ ４ ５ ２ ６ ， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ： ｘ ｐ ａ ｉ ＠ｗ ｈ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ 国家 ９ ７ ３计划（ Ｎ ｏ ． ２ ０ ０ ９ Ｃ Ｂ ２ ２ ０ １ ０ ３ ） 、 ８ ６ ３计划（ Ｎ ｏ ． ２ ０ ０ ７ Ａ Ａ ０ ３ Ｚ ２ ２ ４ ） ， 以及中央高校基本科研业务费专项资金（ ２ ０ ３ ２ ７ ５ ６ ７ ２ ） 资助
． 之后， 这种用铅酸电池驱动的电
动汽车逐渐开始流行并成为权贵们的代步工具．
第 ２期 艾新平等： 电动汽车与动力电池
１ ］ 到４ １个 ［ ．
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因电池技术问题而没有能够实现． 类似的研究计划在法国、 德国等国家也相继 出台， 但从 ７ ０年代到 ８ ０年代， 竟没有一个国家的 当时的计划都是基于这 电动汽车计划得到实现． 样一个设想， 即电池技术能够在短期内获得大幅 度的提升， 但结果都不能达到原先预期的企望． ２ ０世纪 ９ ０年代第三次石油危机爆发， 能源安 全以及汽车尾气的污染问题再次引起人们对电动 多国政府推出产业鼓励政策与 汽车的高度关注． 措施， 许多世界级汽车企业也纷纷加入到电动汽 车的研制和开发行列． 美国加尼福尼亚州甚至通 州立法规 过立法 来 强 制 推 动 电 动 汽 车 的 发 展．
［ １ ］
图 １ 比利时人设计的“ 不 ｅ ｎ ｔ ｅ ） 子
３ ］ 弹头电动赛车 ［
Ｆ ｉ ｇ ． １ “Ｌ ａＪ ａ ｍ ａ ｉ ｓＣ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ” ，ａＢ ｅ ｌ ｇ ｉ ａ ｎｃ ａ ｒｅ ｑ ｕ ｉ ｐ ｐ ｅ ｄ
１ ］ ３ ６辆 ［ ． 就在这一年， 由比利 而汽油机汽车只有 ９
时工程师卡米乐·热纳茨（ Ｃ ａ ｍ ｉ ｌ ｌ ｅＪ ｅ ｎ ａ ｔ ｚ ｙ ） 设计的 名为“ 不满足” （ Ｌ ａＪ ａ ｍ ａ ｉ ｓ Ｃ ｏ ｎ ｔ ｅ ｎ ｔ ｅ ） 的子弹头电动 赛车（ 图１ ） ， 因成为第一辆时速超过 １ ０ ０ｋ ｍ 的汽
［ １ ］ １ ９ １ １年更是达到了每 ｋ ｇ接 近 ２ ５Ｗ· ｈ ． 相应
的， 电动车的一次充电续驶里程从 １ ９ ０ ０年的 ３ ０ ｋ ｍ提高到 １ ９ １ ４年的 ８ ０～ １ ３ ０ｋ ｍ ， 配套基础设施 据记载，波士顿在 １ ９ ０ ３年已拥有 ３ ２ 也逐趋完善． 个充电站， 而纽约在 １ ９ ０ ５年的充电站个数已经达
２ ］ ， 更是将电动汽车的发展推向了 车而名噪一时 ［
同年， 在美国市场， 电动汽车开始大规模进 高潮． 据记载， 到１ ９ １ ２年， 美国至少 入出租车营运行业． 已有 ３ ． ４万辆电动汽车在运行．
１ 化学电源技术对电动汽车发展进 程的影响
虽然电动汽车在业内已成为一个时尚话题， 但它绝非汽车领域的一个新概念． 事实上， 在汽车 工业发展史上， 电动汽车先于燃油车出现， 距今已 发展电动汽车取代燃油车， 在 有一百多年的历史． 某种意义上说更像是一次“ 复兴” 或“ 价值回归” ． “ 电动汽车” ， 顾名思义， 是采用化学电源为驱动电 能的汽车． 无疑， 车载化学电源（ 俗称动力电池） 是 电动汽车的最核心部件． 但电动汽车发展与动力 电池技术之间存在怎样的依存关系？或者说化学 电源技术是如何影响和左右电动汽车发展进程的 呢？对此 不 妨 简 要 回 顾 一 下 电 动 汽 车 的 发 展 历 程． 自约·亨利发明直流电机之后不久， １ ９世纪 ３ ０年代世界上就开始陆续出现采用一次电池作为 动力源的雏形电动汽车． １ ８ ５ ９年， 法国科学家普朗 特发明了铅酸蓄电池， 为后来电动汽车的兴起奠 １ ８ ８ １年， 法国工程师古斯塔夫·土维 定了基础． （ Ｇ ｕ ｓ ｔ ａ ｖ ｅＴ ｒ ｏ ｕ ｖ ｅ ） 装配了世界上第一辆以铅酸电池 Ｋ ａ ｒ ｌ 为动 力 的 三 轮 车， 该车先于德国人本茨（ Ｂ ｅ ｎ ｚ ） 于１ ８ ８ ５年发明的 ４冲程汽油机三轮车和戴 Ｇ ｏ ｔ ｔ ｌ ｉ ｅ ｂＤ ａ ｉ ｍ ｌ ｅ ｒ ） 于１ ８ ８ ６年发明的 ４冲程汽 姆勒（ 油机 ４轮汽车