现有电动汽车用动力电池及其发展趋势

电动汽车用动力电池分类及其发展趋势

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1 前言

上个世纪80 年代以来, 随着全球经济的稳步发展, 汽车的产量和保有量急剧增加。这些燃油汽车所排放的废气造成空气质量日趋恶化。环境问题, 特别是大气环境污染问题, 已引起世界各国, 尤其是发达国家的普遍关注。同时, 目前世界石油资源日趋紧张, 石油价格始终居高不下。因此, 各国政府和各大汽车企业都正在加紧开发无排放或低排放、低油耗的清洁汽车。

进入90 年代, 以美欧为主的一些西方国家开始制订并逐步执行严厉的汽车尾气排放标准, 低能耗、无污染的绿色汽车开始成为人们关注的热点。而电动汽车又是能达到这一目标的为数很少的环保型汽车。迫于形势的要求, 各种新材料和新技术在电动汽车上不断被开发应用, 电动汽车的发展异常迅猛。

2 电动汽车用动力电池分类

2.1 铅酸电池

铅酸电池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，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）。总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。由于铅酸电池的技术比较成熟，经过进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源。

2.2 镍金属电池

镍氢蓄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。相对于其他电池，N 12MH 电池的优异特性表现在：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；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；长寿命特性（赋予电池良好的经济性）平均寿命3 0 0〜6 0 0次；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太高，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，要求发展相应可靠的能量管理系统。

2.3 锂离子蓄电池

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。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。锂离子电池基本上解决了蓄电池的2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电池单体电压、高比能量和能量密度，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US ABC制定的电动车中期目标。缺点是自放电率高，初始成本较高。

2.4 锂聚合物电池

锂聚合物电池又称高分子锂电池，它也是锂离子电池的一种，但是与液锂电池（Li-i on）相比具有能量密度高、更小型化、超薄化、轻量化以及高安全性和低成本等多种明显优势。在形状上，锂聚合物电池具有超薄化特征，可以配合各种产品的需要，制作成任何形状与容量的电池。聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替，这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态” 的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂离子电池可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高5 0%以上。此外，聚合物锂离子电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂离子电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂离子电池被誉为下一代锂离子电池。

1.5 高温钠电池

高温钠电池主要包括钠氯化镍电池（NaNiC12）和钠硫蓄电池2种。钠氯化镍电池正极是固态N 1C12，负极为液态Na，电解质为固态B—A1 2 0 2陶瓷，充放电时钠

离子通过陶瓷电解质在正负电极之间漂移。钠氯化镍电池是一种新型高能电池，它具有比能量高（超过1 OOWh/kg）、无自放电效应、耐过充、过放电、可快速充电、安全可靠等优点，但是其工作温度高（2 5 0〜3 5 0 C），而且内阻与工作温度、电流和充电状态有关，因此需要有加热和冷却管理系统。钠硫蓄电池具有高的比能量和功率，但成本高，安全性差，其工作温度接近3 0 0 C,熔融的钠和硫有潜在的危险性，并且腐蚀也限制了电池的可靠性和寿命。

2.6锌空气电池（Zinc-air）

锌空气电池是一种机械更换离车充电方式的高能电池，正极为Zn，负极为 C （吸收空气中的氧气），电解液为KOH。锌空气电池的电压为1 .4V 左右，放电电流受活性炭电极吸附氧及扩散速度的制约。每一型号的电池有其最佳使用电流值，超过极限值时活性炭电极会迅速劣化。电池的荷电量一般比同体积的锌锰电池大3倍以上。锌空气电池具有高比能量，免维护、耐恶劣工作环境，清洁安全可靠等优点，但其比功率较小，不能存储再生制动的能量，寿命较短，不能输出大电流及难以充电等缺点。一般为了弥补它的不足，使用锌空气电池的电动汽车还会装有其它电池（如镍镉蓄电池）以帮助起动和加速。

2.7 超级电容

超级电容器，又叫双电层电容器、电化学电容器、黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学电容，兼具电池和传统物理电容的优点。其特点是寿命长、效率高、比能量低、放电时间短。超级电容往往和其它蓄电池联合应用作为电动汽车的动力电源，可以满足电动汽车对功率的要求而不降低蓄电池的性能。超级电容的使用将减少汽车对蓄电池大电流放电的要求，达到减少蓄电池体积和延长蓄电池寿命的目的。根据电极材料的不同，超级电容可分为碳类超级电容（双电层电化学电容）和金属氧化物超级电容两类。

2.8 飞轮电池飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池，它由电动/发电机、

功率

转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳体等部分组成，具有高比功率、高比能量、高效率、长寿命和环境适应性好等优点。飞轮电池中的电机在充电时以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电机带动飞轮高速旋转（可达到20000 0r/min ），即用电给飞轮电池“充电”，增加了飞轮的转速从而增大其动能。放电时，电机则以