电动汽车电池技术研究与展望

文晓明

(汽车士官学校装备保障系，安徽蚌埠 233011)

电动汽车电池技术研究与展望

文晓明

(汽车士官学校装备保障系，安徽蚌埠 233011)

电动汽车是未来主要的新能源汽车，解决电动汽车动力电池的技术难题是电动汽车应用推广的关键。主要研究了4种动力电池的充放电原理、性能指标，指出各自存在的问题，深入探讨了4种电池的应用前景和各自研究方向，最后展望了未来电动汽车动力电池的发展趋势。

电动汽车；铅酸蓄电池；镍氢电池；锂离子电池；燃料电池

0 引言

近100多年来，汽车行业的快速发展给人们的工作和生活带来了便利，未来社会对汽车的需求量还会不断地增长，汽车行业仍具有非常大的发展前景。但是传统的内燃机汽车产生的尾气、噪声、城市热岛效应等环境问题日益突出，对人的身心健康造成严重伤害，威胁到人类的生存。同时，作为传统内燃机汽车动力源泉的石油、天然气等不可再生资源逐渐枯竭，制约了汽车行业的发展。近些年，各国科研机构、汽车制造企业对新能源汽车有着极大的关注，投入了大量的研发资金、人员，以缓解日益紧张的环境问题并在未来新能源汽车行业占得先机。电动汽车是目前发展最快、最具发展潜力的新能源汽车。它以电力驱动，具有零排放或低排放、噪声低、效率高等诸多优点，可有效解决内燃机汽车带来的环境和能源问题，未来几十年内必将逐渐替代内燃机汽车，具有广阔的应用前景。

1 电动车电池技术发展现状

电动汽车按照能源供给的不同主要可分为纯电动车、混合电动车和燃料电池电动车。纯电动车(Blade Electric Vehicles, BEV)采用蓄电池或超级电容直接带动电动机驱动车轮，混合电动车(Hybrid Electric Vehicle，HEV)以内燃机和蓄电池混合驱动，燃料电池电动车(Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV)将燃料的化学能直接转化为电能驱动电机。目前，无论哪种电动车，都面临各自的技术难题，无法量产普及。其中，电动车用电池技术是影响电动汽车应用推广的关键，解决电池容量、能量补充问题，使电动车拥有媲美内燃机的动力和行驶里程，以及能够快速方便对电池进行蓄能是目前电动车急需解决的技术难题。电动汽车的动力电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池等，下面详细分析几种电池的供能原理，研究其性能指标，指出目前应用存在的问题及研究重点。

2 电动车电池技术原理及性能比较

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是目前能够大量生产供应、在汽车领域应用最为广泛的电池。它主要由分别浸入电解液(稀硫酸)的正极板(PbO2)、负极板(Pb)组成。

(1)充放电原理

(1)

充电完毕，正、负极板回到原始状态，又可以为用电器供能。

(2)性能指标

铅酸蓄电池历史悠久、技术成熟、造价低廉，目前在内燃机汽车领域应用广泛。铅酸蓄电池的主要性能参数如表1所示。

表1 铅酸蓄电池性能指标

铅酸蓄电池比能量和比功率低、循环使用寿命短、充电时间长，极大地限制了其在电动车领域的推广应用。作为电动车的动力电池，目前仅仅应用在行驶里程短、对充电要求不高的场合，如观光车、叉车、短途公共汽车等。

(3)应用前景

虽然铅酸蓄电池作为电动车的动力源存在许多先天不足，许多人并不看好其应用前景，但它技术成熟、可大量生产、造价低，如果能够改善其比能量和比功率、提高其充电性能和使用寿命，在新的动力电池技术发展成熟、广泛应用之前，仍具有一定的应用空间。

2.2 镍氢电池

镍氢电池(NiMH)是一种由镉镍电池发展而来的新型绿色环保电池，同体积的镍氢电池容量是镉镍电池的2倍，且大大减小了镉镍电池存在的“记忆效应”。目前商业化的HEV大多采用镍氢电池技术。镍氢电池主要由电解液(KOH)、碱式氧化镍(NiOOH)组成的正极和吸氢合金(MH)组成的负极构成。

(1)充放电原理

负极上的MH存有大量H元素，与电解液中的(OH)-作用失去一个电子生成H2O，失去的电子经过用电器被正极上的NiOOH捕获生成Ni(OH)2，从而持续为用电器功能。充电时，负极水被电解，H+得到电子还原为H被合金M吸收，Ni2+失去电子，与水中的(OH)-反应重新生成NiOOH。总的充放电反应方程如式(2)所示：

(2)

(2)性能指标

镍氢电池具有容量高、放电深度大、耐过充和过度放电、充电时间短等优点，其主要性能指标见表2。

表2 镍氢电池性能指标

镍氢电池在能量体积密度、比功率方面有了很大的提高，循环使用寿命更长，但是它在低温时容量、比功率会减小，高温时充电耐受性降低，此外，金属镍较为昂贵，制约了镍氢电池的推广应用。

(3)应用前景

目前BEV技术条件还不成熟，HEV是电动车领域商业化发展最快、最具应用价值的一种。镍氢电池尽管在能量密度方面稍逊于锂离子电池，但在可靠性上有突出优势，且成本相对更低，大量的应用在HEV之中。未来5～10年内，镍氢电池仍会是混合动力电动车主流电池。

2.3 锂离子电池

锂离子电池是20世纪90年代索尼公司推出的新型高能蓄电池，已经在便携式信息产品中获得推广应用。电动车用锂离子电池性能明显高于上述两种电池，是目前动力电池的发展主流。典型的锂离子动力电池由锂离子金属氧化物(LiMO2)构成的正极、焦炭或石墨(C)构成的负极以及溶有锂盐的有机溶液组成。

(1)充放电原理

充电时，正极的Li失去电子变为Li+脱离金属氧化物进入电解液，负极的碳呈层状结构，它有许多微孔，从电解液中来的Li+和电子嵌入其中，嵌入的Li越多，容量就越高。放电时，嵌在负极碳层的Li释放电子，从碳层中脱出变为Li+进入电解液，电子经过用电器到达正极，和电解液中Li+以及正极金属氧化物重新组合成LiMO2。充放电反应方程如式(3)所示：

(3)

(2)性能指标

锂离子电池在性能上明显高于铅酸蓄电池和镍氢电池，它体积小、寿命长、自放电率低、无污染，无传统蓄电池的“记忆效应”，其主要性能指标如表3所示。

表3 锂离子电池性能指标

锂离子电池比能量比镍氢电池高出一倍多，但是它也存在一些问题，如快速放电性能差、价格过高和过放电保护问题，更严重的是大容量的、高功率的锂离子电池安全性上存在较大问题，限制了锂离子电池在电动汽车里的大规模推广运用。目前，主要在小容量、低功率的电动汽车上广泛应用。

(3)应用前景

锂离子电池普遍被科学家们看好，认为它是21世纪纯电动汽车发展的主要动力电池之一。各国汽车生产厂商都将发展锂离子电池技术列为新能源汽车研究的重点项目，未来具有广阔的研究和应用前景。未来研究的重点主要在于降低锂离子电池成本，快速便捷充电，以及大容量电池的安全性等问题。

2.4 燃料电池

除上述3种二次电池以外，燃料电池(Fuel Cell，FC)也是各大汽车制造商重点投资的领域。燃料电池是一种存在于燃料和氧化剂之中的化学能直接转化为电能的装置，目前研究较多的是以氢气为燃料的氢燃料电池。它的结构同一般蓄电池类似，由正极、负极和电解质隔膜组成，不同的是，燃料电池的正、负极不包含活性物质，仅仅作为催化转换元件，电池工作时，氢气和氧气由外部供给。理论上，只要不断输入反应物，不断排除反应产物，燃料电池就能持续地供应电能。

(1)放电原理

电池工作时，分别给正、负极供应氧气和氢气，氢气在负极失去电子变为H+进入电解质隔膜，正极处的氧气捕获负极而来的电子并与电解质隔膜中的H+反应生成H2O。整个放电过程的方程如式(4)所示：

(4)

(2)性能指标

燃料电池只需补充燃料与空气就可以源源不断地产生动力，并不需要一般蓄电池长时间的充电储能过程，更加接近内燃机汽车，能够更加快速方便地补给。氢燃料电池作为能源的突出特点是无污染、效率高、高功率密度、可循环利用，其主要性能指标如表4所示。

表4 氢燃料电池性能指标

虽然燃料电池具有许多二次电池无法比拟的优势，但目前该种电池的电动汽车还处于研究开发阶段，还面临许多技术难题。燃料电池造价昂贵，启动时间较长，氢燃料电池氢气制造和存储代价太大，加氢站甚至比锂离子电池电动车的充电站更难建设；除此之外，氢气作为易燃易爆气体，存在较大安全隐患。

(3)应用前景

短期内，燃料电池很难大规模推广应用，但随着技术成熟进步，燃料电池相对于一般蓄电池会体现出其先天优势。燃料电池不仅是未来电动汽车主要的动力电池之一，并且它自身可以产生电能而不需要充电，是未来缓解能源危机的一种新型绿色能源，具有广泛的前景。作为电动汽车的动力电池，研究重点在于氢气制造与存储、降低成本、加氢站建设以及安全隐患问题。

3 结论与展望

从上述电动汽车动力电池的性能参数可以看出：内燃机和化学电池之间的性能差距难以完全通过新电池技术来解决，还需要其他方法辅助，如近些年来受到广泛关注的燃料电池。燃料电池被认为可能完全改变现有的电动汽车电池储能系统，但是现阶段燃料电池技术还很不成熟，推广应用还需要时间。

从性能上看，燃料电池和锂离子电池优于镍氢电池，镍氢电池优于铅酸蓄电池，但它们都存在各自的技术难题，目前，没有哪一种动力电池完全占据了主导地位。它们在各自应用领域、不同的时间段内发挥着各自的作用。铅酸蓄电池成本低、技术成熟，适用于现阶段的短距离电动汽车；镍氢电池容量较大、功率高、可靠性高，未来十几年内都将是混合电动汽车动力电池的主流；锂离子电池体积小、质量轻且容量大，只要解决了充电、安全性等问题，极有可能在不久的将来广泛应用于纯电动汽车，使电动汽车逐渐取代内燃机汽车；燃料电池通过添加可再生燃料续航，不需要进行充电，是未来电动汽车的发展方向，同时也是解决能源危机的一种新型能源。

【1】麻良友.电动汽车概论[M].北京:机械工业出版社,2012.

【2】雷惊雷,张占军,吴立人，等.电动车,电动车用电源及其发展战略[J].电源技术,2001,25(1):40-46.

【3】毕道治.电动车电池的开发现状及展望[J].电池工业,2000,5(2):56-62.

【4】熊碧云,康海波.电动车动力锂离子电池的现状与发展趋势[J].电源技术,2013，37(5):880-882.

Research and Prospect on Battery Technology of Electric Vehicles

WEN Xiaoming

(Equipment Support Department,Bengbu Automobile Non-Commissioner School,Bengbu Anhui 233011,China)

Electric vehicles will be the major models of alternative-fuel cars,the key of popularization and application for electric vehicles is the problem of battery technology.The charge-discharge principle and the performance index of four power batteries were studied,the issues of the battery were pointed out.The applied prospect and the research direction were discussed in depth.Prospect on the developing trend of power battery in electric vehicles was described.

Electric vehicle;Lead-acid battery; NI-MH battery; Lithium-ion battery; Fuel cell

2015-06-24

文晓明(1987—)，男，硕士，助教，主要从事汽车维修方面的教学研究工作。E-mail：wxmsx1987@163.com。