电动汽车电池现状与发展概述

赵恒

摘 要：电动汽车，是一种主要采用电力驱动的汽车。简述了电动汽车电池作为新型环保型动力源电池的现状和发展前景，主要介绍了铅酸蓄电池，氢镍电池，以及锂离子电池这三种已经商业化的电池，集中讲述了它们的主要特性以及发展方向，并阐述了电动汽车电池的前景展望，以更好地了解电动汽车电池行业。

关键词：电动汽车电池；铅酸蓄电池；氢镍电池；锂离子电池

中图分类号：F27 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2016.33.054

1 前言

在现代化的今天，汽车已由一种奢侈品变为一种生活必需品。然而汽车的发展却带来一系列的问题。据有效统计，全球汽车持有量依旧在持续增加，汽车数量的日益庞大，一方面使由于燃油等不可再生能源的大量消耗而引起的能源危机变得越来越严重，另一方面更使得汽车尾气排放所造成的环境污染的程度变得越來越不能忽视。为了有效缓解这一问题，目前许多国家把拓展电动汽车领域提上了日程。电动汽车是一种主要采用电力驱动的汽车。它作为一种高效率、无污染的新型汽车，将不使用任何液态式燃料，没有发动引擎装置，更不会产生污染性的汽车尾气，是一种纯“绿色”的出行工具，其作用已经在人们的日常生活中越来越重要。

2 电动汽车动力电池

一种交通工具最重要的组分是它的动力系统，电动汽车也不例外。电动车电池的质量，不仅对电动汽车的成本有着决定性的作用，而且对汽车的行驶里程有着非常重要的影响。能否在成本和行驶里程这两方面取得突破性进展是电动汽车能否赢得与传统燃油汽车竞争的关键。因此，开发出能够满足人类日常生活需求的高性价比电池对电动汽车的未来发展至关重要。

目前来讲，电池车电池领域依旧具有很大的发展空间。在确保汽车的安全性、经济性原则的基础上，为了提升电动汽车的性能，动力电池通常需要满足以下条件：

（1）高比能量、高比功率：高比能量意味着在相同的质量和体积下电池能携带更多的能量，能提高电池的单次行驶里程。而高比功率意味着良好的汽车动力性能和较高的最大速度。

（2）循环性能优异：电动汽车的最大行驶里程不仅取决于单次行驶里程，还取决于电池的循环次数。优异的循环性能能提高电池的使用寿命，降低电动汽车的平均使用成本。

（3）可靠性高，安全性好：一个安全性能好的电池要能够在正常行驶时不燃烧，不爆炸。在非正常条件下也要能保证使用者的安全。

（4）绿色环保：电动汽车电池要在生产、使用和回收阶段做到对环境基本无污染，材料最好可以回收利用。

（5）环境适应性强。电池要能应对各种极端环境，如高温、低温、沙尘暴等。

（6）价格低廉。电动汽车要想被大众接受，电池价格必须低廉，原材料最好有丰富的储量。

虽然人们对于电动车电池的要求非常具体，但目前能同时满足以上要求的电动汽车电池还未研制成功。基于此，本文将主要介绍铅酸蓄电池、氢镍电池、锂离子电池这三种目前已商业化的电池。表1为三种电池的综合性能比较。

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池于1860年被研制出来，是一种有一百多年历史的电池，其电池总反应方程式如下：

2PbsO4+2H2OchangedischargePbO2+Pb+2H2SO4

铅酸蓄电池的正极材料是PbO2，负极材料主要是铅，电解质则采用硫酸。

从最初的开口式铅酸蓄电池到阀控式铅酸蓄电池再到最近正在研制的新型铅酸蓄电池，铅酸蓄电池正一步步地发展和改进。现在质量比能量已经可以达到30-40Wh/kg，循环次数已经达到500次。铅酸蓄电池的主要特点是安全密封，没有自由酸，有一个泄气系统，维护简单，可靠性高，并具有技术成熟，价格低廉，安全性好等优点。同时，不容忽视的是比能量低，循环次数少，充电慢，未有效回收的废弃电池对环境影响大等主要缺点。目前铅蓄电池攻关的主要方向是克服上述缺点。

目前国际上对于铅酸蓄电池的研究比较多，主要包括：（1）卷绕式铅酸电池：把正极，负极，隔板交替放置并绕在一起形成的电池；（2）水平铅布式铅酸电池：采用复合材料制成，拥有水平双极结构、重量轻、强度高、可靠性高的优点；（3）双极性铅酸蓄电池：拥有将正极与负极合并的双极性板，能显著减少铅的消耗量。

2.2 氢镍电池

氢镍电池是前些年研制出的一种新型无污染电池，于20世纪末开始进行规模化生产，其电极反应方程式如下：

MH+NiOOHchangedischargeM+Ni（OH）2

它的正极材料为NiOOH，负极材料为金属氢化物，通常会使用贵金属催化剂，电解质为KOH水溶液。

氢镍电池具有高比能量（其比能量约为铅酸蓄电池的2倍），高比功率，质量轻，体积小等优点，但是它的缺点也很明显。氢镍电池不耐高温，工作温度一般不超过50℃，充电时和使用时温度过高会严重影响电池的容量和使用寿命。除此之外，氢镍电池还有内阻较大，自放电率高（30%），成本较高等不足，这些都是阻碍氢镍电池进一步发展的瓶颈。

为了解决氢镍电池存在的问题，许多企业投入大量资金研发新型氢镍电池。其中比较成熟的是日本松下公司的氢镍电池，其部分指标如下，电压：12V；容量：100Ah；比能量70Wh/kg。

虽然氢镍电池有一些不足，但它清洁无污染、没有记忆效应、输出功率较高，这些优点能让电动汽车有更好的加速性能。

2.3 锂离子电池

锂离子电池是近年开发的新型高性能电池，已被广泛应用为移动设备电源，其反应方程式如下：

LiC6+CoO2changedischarge6C+LiCoO2（以钴酸锂为例）

它的正极材料为钴酸锂或锰酸锂，也有电池用磷酸铁锂。负极活性物质为石墨，电解质为有机溶剂，还有一个只允许锂离子通过的高分子薄膜。

20世纪70年代，科学家发明了金属锂电池，但这种电池循环性能很差，安全性不高，易产生锂枝晶，后来发明了锂离子电池。锂离子电池拥有很高的比能量，所以与相同容量的铅酸蓄电池相比，锂离子电池的体积和质量要小很多。它的循环寿命超过了1000次，是铅酸电池的两倍以上，也高于氢镍电池。同时，它还具有自放电率小，没有记忆效应的优点。使用锂离子电池作为电动汽车的动力电源将显著降低汽车的整体重量，增加电动汽车的行驶里程。然而将锂离子电池汽车大规模投放市场需要首先解决两个问题，一个是锂离子电池的安全性问题，另一个是锂离子电池的价格问题。

锂离子电池有很高的能量密度，一旦正负极物质发生了化学反应（短路），那么原本用来驱动电动汽车行走的能量将转化为热量，使电池热失控，再加上有机电解质具有易燃易爆的性质，这使锂离子电池的安全性饱受质疑。锂离子电池按电解质不同分为两种，一种采用固体聚合物电解质，一种采用胶体电解质。使用固体聚合物电解质可以避免漏液，提高电池的安全性，还可以避免锂枝晶的生成，但是固体电解质离子导电率不高，这是使用固体聚合物电解质的电池难以克服的障碍。胶体电解质的离子导电率高于固体聚合物电解质，这赋予胶体电解质电池更大的优势。不过凝胶状态的胶体电解质机械强度不高，稳定性不强，工艺也不成熟，要实现实用化还有很长的路要走。

限制锂离子电池大规模使用的另一个因素是昂贵的价格。锂离子电池的价格是铅酸蓄电池的5倍左右，因此生产出来的锂离子电动车很难被消费者普遍接受。不过价格昂贵主要是锂离子电池工艺不成熟造成的，一旦锂离子电池工艺成熟，价格会逐渐开始为消费者接受。

目前锂离子电池的研究热点很多，除了改进电解质外还有对电池正负极材料的研究。正负极材料影响电池的成本，使用寿命，安全性……目前负极材料中石墨仍然是居于主要地位，其他的处于研究阶段的还有硅基负极，氧化物负极，钛酸锂等。正极材料除钴酸锂、锰酸锂外还有磷酸钒锂，聚合物电极等。

綜合比较来看，铅酸蓄电池是目前最为成熟的一种电池，由于其成本较低，工艺成熟，短时间内很难被完全取代，但长远看来铅酸蓄电池因铅矿资源短缺等原因价格将会上升，低成本优势不存，而污染大且较低的比能量、比功率将进一步制约铅酸蓄电池的发展。氢镍电池具有低于铅酸蓄电池的价格，但其与比能量比功率低于锂离子电池，且自身存在自放电率高的问题，导致其不会拥有很高的市场份额。不同于前两种电池，锂离子电池的市场占有率在逐年上升，它的高比能量、高比功率、长循环寿命受到各家公司的青睐，但锂离子电池要实现最大市场化必须要解决安全性和价格这两大问题。目前来讲，锂离子电池是最适合电动汽车的动力电池。

3 电动汽车电池展望

电动汽车从无到有发展迅速，相应的配套设施也在建设之中，但是因为纯电动汽车在性能上还不尽如人意，无法和燃油汽车竞争，因此目前市面上的电动汽车大多数是混合动力车。在大气污染严重的今天，混合动力车尽管无法做到零污染，但其污染和能耗要远小于纯燃油汽车，且其性能也可以和燃油汽车媲美。目前，很多地方都在对这种混合动力车进行补贴，使市场上混合动力汽车的销售业绩逐渐上扬。纯电动汽车将是解决石油资源匮乏问题的最有效的工具之一，我们有理由相信，电动汽车及其电池也将会有更大的发展空间。

参考文献

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