电动汽车电池技术发展现状综述

电动汽车电池技术发展现状综述

摘 要

我国提出“十二五”期间的战略重点是新能源汽车产业建设及汽车的节能减排，重点是发展纯电动汽车、插电式混合动力汽车，注重传统汽车技术水平的提升，发展节能汽车，跟踪研究燃料电池汽车技术，适度发展替代燃料汽车。而电池是决定电动汽车性能的第一要素，电池水平逐步提高，电动汽车产业也就相应发展起来。

关键词：电动汽车 电池 技术

1前言

电池是电动汽车的动力源，是能量的存贮装置。因此在电动汽车上，电池系统是其关键核心部分。特别是在纯电动汽车上，蓄电池作为其唯一的动力源，所以更加重要。

目前，电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。化学电池是利用物质的化学反应发电的电池，按其工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。生物电池是利用生物化学反应发电的电池。如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。

现在已经实用化的车用动力蓄电池主要有传统的铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池。在物理电池领域中，超级电容器也应用于纯电动汽车和混合动力汽车中。生物燃料电池在车用动力中应用前景也十分广阔，以氢为燃料的燃料电池和氧化物燃料电池的研发已进入重要发展阶段。电池作为电动汽车的储能动力源，在电动汽车上发挥着非常重要的作用，要评定电池的实际效应，主要看电池的性能指标。电池的性能指标主要有电压、容量、内阻、能量功率、输出功率、自放电率、使用寿命等。目前电动汽车对动力电池的要求主要有比能量高、比功率大、充放电效率高、相对稳定性好、使用成本低、安全性好等。

2铅酸蓄电池

铅酸蓄电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的蓄电池。它已实现大批量生产。但它比能量低，自放电率高，循环寿命低。当前存在的主要问题是其一次充电的行程短。

2.1铅酸蓄电池的基本原理

2.1.1铅酸蓄电池的工作原理

铅酸蓄电池主要由正极极群、负极极群、电解液和容器组成。它的正极是PbO2负极是金属Pb，正负极板放在硫酸的水溶液。其反应方程式如下：

PbO22H2SO4PbPbSO44H2OPbSO4

放电过程，正极的Pb02与H2SO4作用，生成过硫酸铅Pb (SO4)2和水。过硫酸铅板很不稳定，它分解成的Pb4+沉附在正极板上而SO2-4进入电解液中，负极中的Pb 在硫酸溶液的溶解张力作用下，Pb2+会溶到电解液中，留下2个电子在负极板上，电池将形成2.1V的电动电势。如果外电路接通，负极板的电子将沿着外电路向正极板作定向移动，形成放电电流.

这时的化学反应为：正极板上Pb4+得到2 个电子变成Pb2+，Pb2+与SO2-4结合成PbSO4沉附在正极板上，负极上受到电子束缚力减少的Pb2+与SO2-4结合成PbSO4沉附在负极板上。充电过程是放电过程的逆反应，充电的生成物就是放电的反应物。

2.2铅酸蓄电池的发展现状

铅酸电池完全可以用于大多数需要充电电池的领域。因此，铅酸蓄电池一直处于不断的发展之中，相比于20世纪，现在主要改进有：

1）全新的电池箱材料。由聚丙烯作成的电池箱和盖板非常坚固结实，不受酸、汽油、机油的腐蚀，抗低温、流体和121 摄氏度的高温。其壁厚仅为橡胶的1/4，然而在-18 摄氏度时，其耐冲击强度为橡胶的20 倍，箱体和盖板在热和压力作用下成为一个不可分开的整体。

2）更多的极板。由于箱体强度高，壁薄，使电池箱内增加了 12% 的空间，可以放置更多更大的极板酸液可以增加0.473立方分米，比用橡胶作的电池启动快，启动功率大，后备容量也大。

3）高抗扭矩结构。所有单格电池直接在间壁处联结，缩短了电流路径，降低了内阻，得到了更高的效率和端电压。

近期开发的第三代圆柱型密封铅酸蓄电池和第四代TMF(箔式卷状电极)密封铅酸蓄电池已经应用于EV和HEV电动汽车上。

尤其是第三代VRLA蓄电池低阻抗优点可以控制快速充电过程中的欧姆热，延长电池的寿命。这里所说的VRLA蓄电池指的是贫液式(AGM) 电池，具有下列结构特点：

(1) 用新板栅材料，负极板栅采用铅一钙合金，以提高析氢过电位，正极板栅用铅基多元合金，用于改善点特性。

(2) 改变正、负极板活性物质电化当量配比，设计为以负极板容量相对于正极板过剩。

(3) 电池为贫液设计。电池盖上装单向节流阀，使电池处于密封状态，遇到异常情况时排气阀打开排出气体。

经过技术改进的VRLA蓄电池具有下列新功能：①无酸雾逸出；②无需定期进行补水；③比能量大；④自放电小；⑤浮充寿命长。从这些新性能可以看出来，VRLA蓄电池的薄板设计和低阻抗可以更好的符合混合动力汽车操作要求。

3锂离子电池

3.1锂离子电池的基本原理

3.1.1理离子电池的工作原理

锂离子电池是指以锂离子嵌入化台物为正极材料的电池的总称。

锂离子电池充放电过程的基本的电化学反应为：

正极

负极 LiCoO2Li1xCoO2xLixe 6CxLixeLixC6

总反应 LiCoO26CLi1xCoO2LixC6

电池在充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。

3.1.2锂离子电池的结构

锂离子电池主要由正负极集流体、正负极材料、隔板、电解液和安全阀等组成。电池的集流体既是与外电路的连接部分，也是正负极材料的载体。它本身是金属，电特性满足欧姆定律，可等效为一定阻值的纯电阻。

在锰酸锂离子电池中，正极物质以锰酸锉为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中，正极以磷酸铁锂为主要原料，在镍钻锰锂离子电池中，正极以镍钻锰锂为主要原料。在正极活性物质中再加入导电剂、孰合剂等。

负极活性物质是由碳材料与孰合剂的混合物再加巨育机溶剂，涂覆在铜基上。正负极材料主要参与电化学反应的物质，它决定了电池的电压、容量等特性。电解液是电池的重要组成部分，它起着正负极之间传输离子的作用，它对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性等都有重要的影响。它一般混含下同性

质的几种混合溶剂。

隔板一般具有渗透性，一方面它可以将电池的正负极隔开，另一方面它不会阻碍离子在其中通过。同时，它可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。

安全阀主要保证锂离子电池的使用安全性，有异常状况时切断。

3.2 锂离子电池的发展现状

第一代车用锂离子电池是锰酸锂离子电池，它成本低，安全性能好，但循环寿命欠佳，在高温环境下循环寿命更短，高温时会出现锰离子溶出的现象。第二代是具有美国专利的磷酸铁锂离子电池，是锂离子电池的发展方向，它原材料价格低廉，且磷、铁、锂的资源丰富，工作电压适中，充放电特性好，可快速充电、循环寿命长，高温和热稳定性好，储能特别强，完全无毒。

目前，有很多公司都在进行锂离子电池的研发。如富士重工与NEC开发廉价的锰酸锂电池，具有高安全性，低制造成本特点，在车载环境下的寿命高达12 年，10 万km，与纯电动汽车的整车寿命相当。2008年5月三洋电机宣布，向德国大众集团供应混合动力汽车用锂离子充电电池系统。我国在锂离子电池方面的研究水平，有多项指标超过了高级电池标准提出的长期目标所规定的指标，目前已经把锂离子电池作为电动汽车用动力电池的重要发展目标。但锂离子电池也有一些不足，如成本比较高、必须有特殊的保护电路等。

锂离子电池以其优异的性能已广泛应用于电动汽车中随着技术的不断推进和对其深入的研发，它必将会在电动车应用领域逐步取代铅酸电池、镍电池等电池。

4车用燃料电池

燃料电池实质上是电化学反应发生器。燃料电池的反应机理是将燃料中的化学能不经燃烧而直接转化为电能。

燃料电池的种类繁多，通常燃料电池可以依据其工作温度、燃料种类和电解质类型进行分类。燃料电池按照电解质来划分，大致上可分为以下5 类：碱性燃料电池（alkaline fuel cell，AFC）；磷酸型燃料电池（phosphoric fuel cell，PAFC）；

固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell，SOFC）；熔融碳酸盐燃料电池（moltencarbonate fuel cell，MCFC）；质子交换膜燃料电池（protonexchange membrane fuel cell，PEMFC）。

我国燃料电池的研究工作已表明：中国的质子交换膜燃料电池已经达到可以装车的技术水平；大连化学物理研究所的质子交换膜燃料电池是具有我国自主知识产权的高技术成果；在燃料电池研究方面我国可以与世界发达国家进行竞争，而且在市场份额方面，我国可以并

且有能力占有一定比例。科技部副部长徐冠华一年前在EVS16届大会上宣布，中国早在2000年组装出首台燃料电池电动车。但是我国在PAFC、MCFC、SOFC的研究方面还有较大的差距，目前仍处于研制阶段。

燃料电池近些年来取得了很大进展，但由于目前还存在一些难以在短期内解决的技术问题，因此，影响了它的实用化进程。存在的主要问题及难点有以下几个方面：

（1）成本问题

目前，固体高分子交换膜燃料电池还须用贵金属铂作为催化剂。铂俗称白金，不仅价格昂贵，而且产量小。因此，必须研究出铂的代用材料，固体高分子交换膜燃料电池方有可能被大量推广使用。

（2）氢源问题

氢源问题包括氢的制备、储存与运输。氢通常通过电解水获取。但是从长远考虑，氢必须通过可再生能源获得，如生物能、水电能、太阳能、风能或地热能。对于燃料电

池汽车来说，固态氢是用金属及合金的氢化物吸附氢，储氢效率高，安全性好，是目前最理想的储氢方式。

（3）加氢站网络问题

若用纯氢，需要投巨资建立加氢站网络。若采用其他燃料，也需要建立相应的加注网络。

5小结

近年来，随着国际能源供应的持续紧张、原油价格的持续上涨以及全球环境

保护呼声的日益高涨，新能源汽车的技术研发和产业化发展受到了越来越多的重视，以美国、欧洲和日本为代表的发达国家和以巴西为代表的发展中国家都积极展开了新能源汽车产业发展的实践。中国作为崛起中的大国，近年来汽车销售量快速增长，石油需求大幅增加，导致石油对外依存度急剧上升，并且快速的工业化导致了污染加重、温室气体排放大幅增加的局面。在这样的背景下，中国发展新能源汽车就具有了重大的现实意义，不仅有利于降低对石油的依赖、保证我国的能源安全，也有利于我国的环境保护和可持续发展，并为我国汽车产业实现跨越式发展提供了重要的战略机遇。

电动汽车已经成为汽车工业发展不可逆转的潮流，其发展将分阶段不断推进。随着技术的不断进步，我国电动汽车应用重点将逐步从公共服务用车、微型电动汽车过渡到电动乘用车，并形成电动汽车发展的市场化机制，实现电动汽车的大规模产业化。

参考文献

刘月英，李燕月，王伯羲. 电动车用动力铅酸蓄电池的研究进展[J]. 化学研究与

应用. 2004(04)

郭自强.铅酸蓄电池的应用及其可持续发展[J].中国自行车.2004.（8）：29-32 张彦琴.铅酸蓄电池技术的发展[J].汽车电器.2004.（10）：1-3

张万奎，汽车蓄电池[M]. 北京：人民交通出版社, 1995.

梁春辉等. 混合动力汽车及其蓄电池[M]. 电源世界, 2006 （2）P33-35. 李兴虎．电动汽车概论[M] ．北京：北京理工大学出版社，2005：5-9．

陈清泉，孙立清．电动汽车的现状和发展趋势[J]．科技导报，2005，23(4)：24-28． 胡信国.动力电池进展.电池工业.207.4.vol.2.11

杨绍斌,胡浩权. 锂离子电池[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2000(06) 王占良,雷荣. 锂离子电池研究进展[J]. 河北化工. 2000(01)

王少龙,侯明,王瑞山. 动力电池的研究现状及发展趋势[J]. 云南冶金. 2010(02) 黄淖、屠海令、张冀强等.质子交换膜燃料电池的研究开发与应用.北京:冶金工业

出版社,2000

衣宝廉. 燃料电池——原理技术应用[M]，化学工业出版社， 2003.

1D.PAVLOV. Development of lead-acid batteries in the first decade of the new

millennium[J].Chinese Journal of Power Sources，2001，25（1）：2-9

WANG J.LIU HK、DOU S X, et al.Enhanced performance of VRLA batteries with a

novel spirally-wound electrode design[J]. Journal of Power Sources，2003，113：224-241

Steven G.Chalk James F.Miller Journal of Power Sources，2006，159：73-80