电动汽车化学电源的研究进展

周 舟,冯 斌

(湖南省电力公司试验研究院,湖南长沙 410007)

进入 21世纪,全球节能减排问题十分突出,环境污染和能源危机已引起世界各国的广泛关注。2009年是全球应对气候变化的关键一年,年底召开的决定全球未来的哥本哈根联合国气候会议〔1〕,掀起世界各国新一轮更严格的减排高潮,中国政府宣布到 2020年单位 GDP碳排放比 2005年下降40%～45%。我国内陆大中城市的大气污染都已比较严重,汽车尾气排放是主要污染源之一〔2〕,包括大量的温室效应气体 CO2,以及其他污染气体,如 SO2和 NOx。而且,汽车对石油资源的消耗,造成了国家经济对进口石油的依赖,2008年我国的石油进口量已达到 20067万 t,依存度为 52%。因此在传统能源枯竭与环保的双重压力下,我国发展电动汽车是意义深远的战略考虑。

以此同时,电动汽车已经成为全球汽车产业未来发展的车种和竞争的焦点,而车载化学电源作为新能源汽车的关键部件动力源,对整车动力性、经济性和安全性至关重要,所以受到各国政府、科研机构以及大型企业的高度关注〔3〕。日本在研发车载化学电源方面已经走在了世界前列,日本政府披露,日本力争在 2010年将新型锂电池用于下一代电动汽车。德国从 2009年起启动了一项 3.6亿欧元的车用锂电池开发计划,几乎所有德国汽车和能源巨头均携资加入。同时,德国政府拿出 5亿欧元用于资助电动汽车的研发,并将电动汽车的关键技术锂电池作为攻坚项目。德国汽车业联盟预计,2012年以前德国将完成电动汽车的系列化并拉开商品化生产序幕。奥巴马政府已经制定了目标,到2012年美国行驶的电动汽车要达到 100万辆,同时宣布将拨款 24亿美元用于环保电动汽车与电池的研发。美国密歇根州 15个汽车研发小组将获得9.66亿美元拨款,用于加速向市场推广环保电动汽车。这些都足以证明各国政府对新能源汽车的重视程度。

1 车载化学电源的种类

目前的电动汽车用化学电源多数仍停留在技术成熟、价格相对便宜的铅酸电池等传统产品上,但随着技术突破和生产成本下降,镍氢电池、特别是锂电池具有质轻、续航里程长的特点,高能量密度和输出功率的优势逐渐浮现,它们已经成为发展主流〔4〕。

镍氢电池 (图 1a)是一种碱性电池,单电池的标准电压为1.2V,比能量可达到 70～80 Wh/kg,比功率可达到 200 W/kg,是铅酸电池的 2倍,还具有高倍率的放电特性,瞬时脉冲放电率很大。镍氢电池的过充电和过放电性能好,能够带电充电,并可以快速充电。镍氢电池中没有铅和镉等重金属元素,不会对环境造成污染,还可以随充随放,不会出现类似镍镉电池在没有放电完全后即充电而产生的 “记忆效应”。

锂电池 (图 1b)的设计则贯彻了全新的电池概念〔5〕。一般来讲,普通电池的工作原理大都基于氧化—还原反应,而锂离子电池原理除氧化—还原以外,还在于电化学嵌入/脱嵌反应。在 2个电极间形成的电压降的驱动下,锂离子可以从电极材料提供的 “空间”中嵌入或者脱嵌,在充放电过程中,锂离子能够在正负极间定向移动。由于嵌入与脱嵌并没有造成电极材料晶格结构上的变化,该反应具有良好的可逆性,所以锂电池具有一般高能量密度的可充电电池所不具备的高循环寿命。而且锂电池还具有环保、功率密度高、体积小、安全性能好等特点。

除了上述的二次电池外,电动汽车化学电源技术发展还有燃料电池与超级电容器 (图 1c和 d)2个方向。燃料电池是一种通过电化学反应的方式将燃料 (氢及其化合物)和氧化剂的化学能直接转化为电能的装置,具有高能量转换效率和零排放特点,早已成为电动汽车的候选电源〔6〕。超级电容器主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层,或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第 “赝电容”来实现电荷和能量的储存,特点主要在于功率密度高、循环寿命长、免维护等〔7〕。超级电容器是能量储存领域的一项革命性发展,并将在某些领域取代传统蓄电池,在电动汽车和混合动力汽车中均可以采用。

2 化学电源的研究重点

新能源汽车最终的发展方向是纯电动汽车,但是,不管是纯电动汽车,还是目前最具市场前景的混合动力电动汽车,其最大的技术瓶颈还是车载化学电源。车载电源系统已经被国家定位为新能源汽车的核心技术,成为新能源汽车申报的必要条件〔8〕。国家工业与信息化部颁布的 《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》中明确提到车载电源系统是电动汽车 3个核心技术之一,并且在2009年召开的 “电动汽车用动力蓄电池与电机发展及应用论坛”中,863节能与新能源汽车重大项目主任欧阳明高明确指出,新能源汽车关键零部件,包括动力电池及其管理系统将是新阶段国家和政府的扶持重点。

能否研究开发出高能量和高功率、综合性能优良的动力电池是发展高性能电动汽车的关键,而电极电化学性能的开发研究则是改善整个电池系统性能的重点。目前的镍氢电池作为电动汽车电源性能表现不佳,其原因主要在于镍氢电池负极材料贮氢合金在高温环境中电化学性能的恶化。改变合金的化学成分可在很大程度上影响其电化学性能,李志尊〔9〕等人在富镧混合稀土系贮氢电极材料的基础上分别添加少量 Al,Zr,Ti,研究这些元素对合金电极的电化学性能影响,发现添加少量铝可显著提高材料高温下的容量,并有效抑制自放电,提高循环稳定性,添加少量钛或锆均可改善高倍率放电性能,锆还可提高合金的循环稳定性,延长电极寿命。文献 〔10〕采用球磨复合 +烧结处理及机械复合 +烧结处理 2种方法制备的 HTQAB2.1锆基纳米复合材料不仅适用于高能量型镍氢动力电池,而且更适用于高功率型镍氢动力电池。

锂电池的容量密度和能量密度较高,被公认为非常有希望的动力电池,但锂电池本身还存在一些技术难题,使其在电动汽车中的广泛使用受到限制〔11〕。因此,开发高电位、高容量密度的电极材料,将成为近期及今后的研究热点,与此同时,研究相关的高电位电解液也应得到相应的重视〔12〕。文献 〔13〕采用水热合成法制备的具有纳米结构的锂电池正极材料 LiV3O8具有良好的电化学可逆性。杨宁〔14〕等人采用溶胶凝胶模板法制备出的氧化锡纳米纤维作为锂电池电极,能得到很好的循环性能和较高的容量,经过多次循环后仍能具备优良的充放电性能。文献 〔15〕采用化学氧化方法在水相介质中合成了部分邻位连接有 “-S-S-”结构的聚苯胺类电极材料作为正极材料与锂对电极组成电池,具有较好的电容量和循环性能。邓凌峰〔16〕等人以草酸锂和三氟化硼乙醚溶液合成的草酸二氟硼酸锂电解液具有较好的离子电导率,并且具有比使用 LiPF6有机电解液的锂电池更好的高低温循环性能和更优良的低温放电性能。笔者采用以室温离子液体 〔bmim〕PF6取代的导电聚合物作为电极材料〔17〕,其微观尺寸可以达到 500 nm,能量特性优良,而且经过 600圈的恒电流扫描后仍然具有良好的充放电性能,是一种非常有潜力的超级电容器电极材料。其 SEM照片见图 2。

由于近年来人们对能源和环保十分关注,2009年在美国旧金山举办的第 215届电化学会议中〔18〕,化学电源与能量转化分会成为了会议的主会场,其中锂离子电池的材料、设计、技术、模拟和诊断的相关报告占有较大的比重,电极新材料的开发和电池系统的设计与模拟成为了会议的主要亮点。美国麻省理工学院的 Byoungwoo Kang和 Gerbrand Ceder在世界权威杂志 《自然》公布了他们研制的新型超级电容器材料,这种新材料可以大大提高电池的充电速度〔19,20〕。

以锂电池为例,到目前为止,能够达到的输出密度为 1 800 W/kg、能效密度为 70Wh/kg。根据新能源与产业技术总合开发机构 (NEDO)的规划〔21〕,到 2020年,输出密度可以提高到 2500 W/kg,能效密度可以提高到 200Wh/kg。虽然目前还没有一个特别成熟的锂电池体系可完全满足长里程电动汽车的多方面要求,但在电池的能量密度和寿命方面已经取得了一些突破,给动力锂电池的未来发展增添了不少希望。总体而言,围绕提高电池比能量、安全性和寿命的研究,包括新型电极材料的研制和化学电源系统的整体优化等,将是长期的研究重点。

图 2 室温离子液体 〔bmim〕PF6取代的聚亚苯基导电聚合物材料的 SEM照片

3 展 望

在传统能源汽车方面,国内企业的实力和技术水平与发达国家相比存在较大差距。而对于电动汽车的研发,特别是对车载化学电源的研究,从产业整体来看,外国产商已经占有较大优势,所以中国只有发展自己的重点核心技术,才能实现整个汽车行业的整体提升。而新能源汽车研发费用大、成本较高,对国内研究单位的资金能力、设备、经验和人才有着更高的要求,所以,人们期待各行业的国有大型企业能够借助汽车产业调整振兴规划的实施,为中国新能源政策发展的进程注入更加强大的创新动力与活力。

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