现代汽车电池的研究和应用

吴雅莉 刘彦笈

摘 要：新能源汽车包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源汽车等。研究和了解汽车电池的特性，研究汽车需求市场，从而正确对待新能源车辆的投入及使用。

关键词：工作特性;电池分类;应用

纯电动汽车（Blade Electric Vehicles，BEV）是一种采用单一蓄电池作为储能动力源的汽车，它利用蓄电池作为储能动力源，通过电池向电动机提供电能，驱动电动机运转，从而推动汽车行驶。混合动力汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）是指驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态由单个驱动系单独或多个驱动系共同提供。因各个组成部件、布置方式和控制策略的不同，混合动力汽车有多种形式。燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）是利用氢气和空气中的氧在催化剂的作用下.在燃料电池中经电化学反应产生的电能作为主要动力源驱动的汽车。燃料电池电动汽车实质上是纯电动汽车的一种，主要区别在于动力电池的工作原理不同。一般来说，燃料电池是通过电化学反应将化学能转化为电能，电化学反应所需的还原剂一般采用氢气，氧化剂则采用氧气，因此最早开发的燃料电池电动汽车多是直接采用氢燃料，氢气的储存可采用液化氢、压缩氢气或金属氢化物储氢等形式。根据汽车电池的分类及特性，合理应用于现代汽车，正确对待新能源汽车发展。

一、汽车电池的分类及特性

现代电池分为两类，一类为物理电池，例如太阳能电池，另一类为化学电池。一般情况下，化学电池内部核心由三部分构成：正极材料、负极材料和电解质。其中参加化学电池充放电反应的正负极材料也被成为活性物质。

（一）原电池

电池放电时，活性物质不断地消耗掉，放电到一定程度，电池便停止工作，即电池寿命终止。电池放电后不能用简单的充电方法使其复原而继续使用。因此，原电池是一种只能用来放电、活性物质仅供一次使用的电池。

如锌锰电池和锌汞电池。

Zn—MnO2干电池，Zn—HgO干电池

我国基本采用锌锰电池，目前日本产出的电池都会标识出无汞。相对于锂电池来说，锂电池很难进行回收和处理，只能采用封存，深埋地下矿井的方式。我国于1993年开始研究，1995年开始制造锂电池。

这使得汽车电池在推向市场的时候还不够成熟，代价过高，目前欧美在政策上采用不引导、不强迫的态度。

（二）蓄电池

电池放电后，可通过充电方法使活性物质复原，可使电池再次放电的电池。因此，蓄電池又称为二次电池。蓄电池的活性物质可反复多次使用，几十次至上千次。

如铅酸电池——以硫酸为介质，镉电电池。

Pb—PbO2蓄电池，Cd—NiOOH蓄电池

目前镉电电池已被禁用，镉元素致癌，受热后会通过充电放热以蒸汽方式泄露。

（三）贮备电池

电池在贮存期间，活性物质与电解质不直接接触或电解质处于不导电的惰性状态，即不能发生电池反应。使用时临时注入电解液，或用某种方法使电解质（如熔化）导电，使电池处于代放点状态而具有活性，即能发生电池反应。

如美银电池。

Mg—AgCl电池

这种电池以NaCl为电解质。目前在海军航空兵上使用，接触海水工作，缺点是造价昂贵。

（四）燃料电池

电池供电（放电）时，将活性物质输入电池，使电池能连续工作的一次型电池。负极活性物质或燃料通常是气态或液态的（与通常在电池中的金属负极比较），而氧或空气是氧化剂（相当于正极活性物质材料）。

如H2—O2燃料电池

氢气作为携带物质，空气取自大气。这类电池存放时无活性物质，没有极板，但有电解质，只有在工作时才放入极板。

（五）电池的分类及特性

其中燃料电池最开始用于航天用途。阿波罗13电池曾因此而爆炸。由于携带氢气，一般用于军用备用电源，我国的军用备用电源也采用柴油发电机，但由于柴油发电机声音大，所以具有容易被侦测到的缺点，所以采用铂Pt作为燃料电池的催化剂，缺点是价格昂贵。

二、铅酸蓄电池

（一）铅蓄电池的分类

按蓄电池的使用方向可分为：动力电池（牵引电池）和起动电池。按电池的物理结构可分为：密封电池、开口电池、胶体电池。目前铅蓄电池的回收较为成熟，但缺点是较为沉重，能量效率不高，优点是安全，不易着火。相比于锂电池，锂一旦单置于空气中，常温下能够发生自燃，非常活跃。动力电池常用于新能源汽车电池的应用，起动电池用传统的铅酸电池。

1.开口电池

开口电池可通过加注口拧开，可观测可检测，维护方便，一旦车辆发生问题，容易泄露，现在汽车已经不再采用此类电池。

2.密封电池

密封电池，无需补充电解液，当不满足使用时直接更换，面对一般的碰撞、破损也很难泄露。

（二）铅酸蓄电池的结构及型号

由多个正负极板组成，能够有效吸附硫酸，即使破裂也不会泄露，安全可靠。

按照国家标准，铅酸蓄电池产品型号的编制和含义：

由于镉元素是剧毒，所以现代汽车蓄电池已经不再采用这类电池。

（三）蓄电池的充放电反应的奇特性

按照理论上说，在充放电的过程中，正负离子应往不同的极板运动，但在蓄电池的充放电过程中，正负离子往两个极板方向运动反应。这个反应过程无法进行观测，但只能看到形成后的结果，对于已经较为成熟的铅蓄电池尚且无法检测，其他电池的充放电过程检测将会更加困难。

四、蓄电池的容量

电池在规定条件下能够提供的电量，成为电池的容量，通常用按时（Ah）表示。电池在规定条件下尤其放电制度，根据电池的放电电流强度、温度和终止电压来确定。电池容量可以分为理论容量、标称容量和额定容量。

（一）理论容量

理论容量是按照电池中的活性物质量，假定全部都参加成流反应，根据法拉第定律计算所能给出的电量。理论容量是电池容量的最大极大值。实际上，电池放出的容量知识理论容量的一部分。

根据法拉第定律的表述，通电于电解质溶液后，在电机山发生反应物质的量与通过的电量成正比，通过相同电量于串联电解池时，各电极上发生反应物质的获得电子数或失去电子数总数相等。

Q=mMzF或Q=nzF

其中Q为通过电解质溶液的电量，m为电极上发生反应物质的质量，M为该反应物质的摩尔质量，n为电极上发生反应的物质的量（m/M=n），z为反应粒子的得失电子数，F为法拉第常数。1F=96500C=26.8Ah。安時是一种直观单位，工程化计量方式。

（二）额定容量

额定容量是在规定条件下电池应放出的电量。额定容量是制造厂表明的安时容量，作为验收电池质量的重要技术指标的依据。电池的额定容量作为重要的技术指标列入技术标准。国家标准中铅酸动力电池的额定容量为20℃时，以5小时率C5放电到终止电压，以安时表示的容量。起动电池以20小时率C20放电到终止电压，以安时表示的容量。蓄电池在充满电的情况下，按要求电流、稳定等条件放电至截止电压时所放出的电量，国标上通常采用恒流放电。

五、蓄电池的工作特性

（二）当前汽车蓄电池的应用

1.MH/NiOOH电池

主要应用于混合动力汽车（HEV），如TOYOTA的Prius。林肯车型也有采用，这类电池的特点是空调冷风先经过电池，给电池降温。

2.锂电池

锂电池正极材料主要包括LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等体系。其中LiCoO2过于活跃，容易爆炸，而LiFePO4非常稳定，但电池效率不够，LiMn2O4应用较为广泛。负极以C作为材料，电解质采用LiClO4+有机酯（甲酸甲酯、甲酸乙酯等）但由于酯类可燃，目前技术上还存在一定的问题。锂电池主要应用于国内的一些电动汽车上（EV）例如比亚迪的混合动力车型-秦。

3.燃料电池（Fuel Cell）

燃料电池以H2为燃料，通过燃料电池系统使H2与空气中的O2发生反应，产生电能。燃料电池技术的发展，为全新的H2能源利用，提供了可能。由于氢气不够稳定，而以铂为催化剂价格过于昂贵，材料稀有，实用价值不高，因此清华大学早在十二五期间就停止了燃料电池的研究。

在纯燃料电池上，欧宝车型有所采用。2000年悉尼奥运会上由通用公司提供纯燃料电池车型用于马拉松比赛的领跑。2004年的希腊雅典奥运会，由于希腊没有汽车工业，因此租用奔驰纯燃料电池。2008年北京奥运会使用国产的纯燃料客车。

（三）新型电池存在的问题

新型电池在制造和使用上存在成本、寿命、安全、比能量等问题。

从成本上，MH2/NiooH电池的售价约为8元/Wh、Li-ion电池售价约为2.2元/Wh而Fuel Cell由于使用Pt作为催化剂，因此价格更加昂贵。

在寿命上，MH2/NiooH电池的循环寿命约为1000次，Li-ion电池的循环寿命约为1000次以上，Fuel Cell电池寿命约为5000小时。

在能量密度上，同等重量情况下，汽油使汽车的行驶里程是蓄电池的几十倍（能量密度：93#汽油使奇案酸蓄电池的50倍以上;是锂电池的30倍以上）。汽油的能量密度远大于蓄电池的能量密度。

在安全上MH2/NiooH电池存在热失控的问题，Li-ion电池也存在各种安全性问题，Fuel Cell电池存在H2不稳定的安全问题。

目前最为广泛应用的为，Li-ion电池，国家采用硬性测试，经过短路、挤压、穿刺试验后才能投入生产，要求不能爆照，其威力不亚于手榴弹，一个小于矿泉水量的爆炸，足以炸开实验室防爆门。

七、正确对待新能源车辆

目前由日产生产的leaf羚风采用的纯电动为驱动力，较为有特点的是续航里程非常短，应用范围仅限于买菜、接送小孩等用途，在苏州进行了为期3个月的测试，其安全和驾驶感都非常好，续航里程为60公里。它的出产目的并不是替代油车，而是特定用途。随着油车的成型，油耗降低，百公里油耗相当于高于新能源车宝百里1升油。新能源车辆将来的方向不一定是为代替油车而投入市场，而是根据汽车市场的需要对市场进行细分，有针对性的投入。