动力电池

苏更林

从2014年以来，中国的新能源汽车发展进入快车道，并在2015年出现爆发式增长，无论是2015年单年销量还是历史累计销量，都已经位居世界第一。2016年初，国家又确定多项支持新能源汽车的措施，其中就包括加快实现动力电池的革命性突破。

新能源车不是新事物

所谓新能源汽车，是指采用非常规的车用燃料作为动力来源。虽然新能源汽车不局限于电动汽车，但在现阶段，电动汽车几乎成了新能源汽车的代名词。

虽然被称为新能源汽车，但电动汽车却并不是一个新事物，它的历史比内燃机动力汽车更长。早在1834年，英国人托马斯·德文波特就制造出一种蓄电池驱动的电动三轮车，但这种电池不可以充电，只能行驶不长的距离。1873年，英国人罗伯特·戴维森制作了一种实用的电动汽车，其电池为铁、锌、汞合金与硫酸进行反应的一次电池。1881年，法国工程师古斯塔夫·特鲁夫研制成功了世界上第一辆可充电的电动三轮车，采用的是铅酸蓄电池。

美国发明家爱迪生为了给电动汽车找到一种重量轻、寿命长、电量足和易充电的电池而付出了10年的艰苦努力，最终发明了一种由镍、铁和碱溶液制成的新型蓄电池。这种铁镍电池曾一度成为电动汽车的主要能源，使得电动汽车能与内燃机动力汽车相媲美。可惜的是，由于多方面的原因，爱迪生发明的铁镍电池并没有帮助电动汽车在汽车发展史上取得决定性胜利。

动力电池比拼

我们常说的电动汽车，一般是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，它包括燃料电池电动、纯电动和混合动力电动三种类型。无论哪种动力来源的电动汽车，最终都要依靠电池来供电。电池是将化学能转变为电能的装置，所以又叫化学电池。与不能充电的一次电池不同，动力电池需是可充电的蓄电池。

衡量动力电池的主要性能指标包括比能量、比功率和使用寿命。比功率指的是电池单位质量输出的电能，它决定了汽车的瞬间最大速度。比能量是电池的功率与电池质量之比，它决定了汽车行驶的时间长短。而使用寿命则是越长越好。

目前，在纯电动汽车中，使用的是铅酸蓄电池和锂电池；在混合动力汽车中，使用的是镍氢电池；在燃料电池汽车中，使用的则是质子膜交换电池。

铅酸蓄电池是目前唯一进行大批量生产的电池，可靠性很好，比功率基本能满足电动汽车的动力性能要求。世界上第一块铅酸蓄电池是1859年法国物理学家普兰特发明的。铅酸蓄电池是一种能实现电能和化学能互换的技术装置，由四个主要部分组成，即电极板（阳极板与阴极板）、电解液、隔离板以及电槽。铅酸蓄电池中最为重要的材料就是铅极板，电解液则

是硫酸。由于铅酸蓄电池具有良好的可逆性，电压特性平稳，使用寿命长，并且具有材料廉价、工艺简单、技术成熟、自放电低、免维护等特性，被广泛用于交通运输、通讯、电力、计算机系统等诸多领域。但铅酸蓄电池的缺点是比能量较低，因而会加重汽车重量。

锂电池具有体积小、比能量和比功率高、无污染环保等优点，同时它的自放电低，相对稳定。但锂电池不能快速充电，可靠性、安全性差，成本高，技术不成熟，高温性能差。

镍氢电池为第二代碱性蓄电池，比能量和比功率都较高，可实现快速充电，没有污染。但是镍氢电池还存在自放电高、成本较高、高温性能差等缺陷。

质子膜交换电池属于第三代电池，其能量转换效率高，比能量和比功率也很高，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的车用电池。但该电池的关键技术还有待进一步突破。

动力强大的“超级电池”

发展电动汽车的瓶颈在于电池，因此研制安全高效的动力电池已成为电动汽车发展的突破口。动力电池作为电动汽车能源的直接供给者，不仅决定了电动汽车的行驶里程，而且关系到电动汽车的节能、环保、安全等方面的性能。

我国科学家在研究中发现，氮原子在石墨烯中的结构不仅影响电极材料的氧化还原电位，还决定了电极材料的电容量。这一重要发现为设计高电化学活性的电极材料提供了新的思路。据悉，科学家合成的氮掺杂有序介孔石墨烯，具有非常优异的电化学储能特性，电容量可达到855法拉/克，作为超级电容器的新型电极材料。

超级电容器是一种介于传统电容器和电池之间的电化学储能装置，主要由电极、电解液、隔膜和集流体组成，其中的电极是决定超级电容器性能的核心部件。目前常用的活性炭电极，尽管比表面积大、稳定性好、功率密度高，但是电容量却小于250法拉/克。

作为一种新型的高性能储能器件，超级电容器不仅能满足动力电池安全稳定快速充电的要求，还实现了峰值（启动、爬坡、刹车等）需要的高功率输出。其中全碳系可实现30秒充电，镍-碳和铅-碳系可实现半小时完成充电，充电时间是传统电池的1/10～1/5。

我国科学家自主研制的新一代大功率石墨烯超级电容，其功率提升了3倍，性能指标居于世界领先水平。其中3伏12000法拉石墨烯活性炭复合电极超级电容和2.8伏30000法拉石墨烯纳米混合型超级电容代表了目前世界超级电容单体技术的最高水平。

在世界范围内，有科学家寄希望于用石墨烯材料攻克锂空气电池开发中的一些技术难题。英国科学家用石墨烯构造高度多孔、海绵状的碳电极，并加入一些添加剂使其保持稳定的化学性能，从而解决了锂空气电池易爆炸的难题。还有科学家通过在碳化硅电极的表面添加石墨烯涂层，有效扩展了阳极的表面积。同时与阴极所使用的锂钴氧化物进行组合，从而提高了电池的能量密度和寿命。

业内人士认为，目前锂离子电池技术发展已经遭遇到“瓶颈”，发展超级动力电池刻不容缓。新型储能装置超级电容代表了未来的发展趋势，但超级电容也许不是锂离子电池的替代品。超级电容和锂离子电池各有长短，也许配合使用，互补不足，才更具有现实的意义。同时，开发新型超级动力电池责任重大，道路曲折，使命光荣。

【责任编辑】庞 云