電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池技術(shù)研究

動(dòng)力電池是一種具強(qiáng)大電能容量及輸出功率的電池，可作為電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)設(shè)備及其他電動(dòng)工具的驅(qū)動(dòng)電源電池，另軍事、企事業(yè)單位的蓄能設(shè)備也會(huì)用動(dòng)力電池作為常用備用電源。伴隨環(huán)保理念的不斷深入人心，以動(dòng)力電池為基礎(chǔ)的電動(dòng)汽車的發(fā)展越來越受關(guān)注，而動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)之一，人們對其的研究也越來越深入。

1  電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展歷史

1996年，美國通用汽車公司制造了第1代電動(dòng)汽車EV1，其所使用的動(dòng)力電池技術(shù)為鉛酸電池技術(shù)；1996年，通用氣車公司制造了第2代電動(dòng)車，其所使用的動(dòng)力電池技術(shù)為鎳氫電池，相比于鉛酸電池技術(shù)，鎳氫電池一次充電的行駛里程稍遠(yuǎn)，但因市場競爭力較低而退出；同年，日本豐田汽車公司制造了第3代電動(dòng)汽車，其是在傳統(tǒng)鎳氫電池技術(shù)的基礎(chǔ)上聯(lián)合使用了內(nèi)燃機(jī)作為汽車動(dòng)力供應(yīng)，屬混合動(dòng)力汽車；2006年，鋰離子電池技術(shù)出現(xiàn)，并應(yīng)用于電動(dòng)汽車的制造當(dāng)中。相比于鉛酸電池與鎳氫電池，其安全性明顯提高，強(qiáng)烈沖擊著鎳氫電池的應(yīng)用，成為其市場競爭當(dāng)中強(qiáng)有力的對手。

2  當(dāng)前幾種常用動(dòng)力電池技術(shù)的研究

2.1  鉛酸電池

2.1.1  鉛酸電池的工作原理

鉛酸電池源于1859年，由Gaston Plante發(fā)明，是當(dāng)前可大量生產(chǎn)供應(yīng)的重要電池技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的制造當(dāng)中，成為當(dāng)下電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄姵丶夹g(shù)。鉛酸電池主要由電解液、正極板和負(fù)極板共同構(gòu)成，其中電解液為稀硫酸，正極板為PbO2，負(fù)極板為Pb，其正、負(fù)極的反應(yīng)原理如下：

正極：PbSO4+2H2O→PbO2+3H++HSO4+2e-；

負(fù)極：H++PbSO4+2e-→Pb+HSO4-。

鉛酸電池主要是利用Pb元素的不穩(wěn)定性以產(chǎn)生電子遷移，從而形成電能供電。利用導(dǎo)體將電池的正、負(fù)極板進(jìn)行連接后，負(fù)極板的Pb則會(huì)失去兩個(gè)電子，與浸入其中的電解液的發(fā)生反應(yīng)，生成PbSO4，則時(shí)電子還會(huì)通過導(dǎo)體與正極板上的Pb4+發(fā)生反應(yīng)，也生成PbSO4，從而為電器持續(xù)供電。當(dāng)正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)逐步被消耗，放電反應(yīng)則無法持續(xù)發(fā)生，電能也就無法持續(xù)供應(yīng)，此時(shí)就表明應(yīng)進(jìn)行充電。充電時(shí)，負(fù)極板上的PbSO4發(fā)生電解反應(yīng)，Pb2+還原為Pb元素；而正極板上的Pb2+因失去電子而發(fā)生氧化反應(yīng)，生成PbO2。待充電完成之后，電池的正、負(fù)極板則恢復(fù)原始狀態(tài)，又可持續(xù)為電器供電。

2.1.2  鉛酸電池的性能

鉛酸電池的材料來源非常豐富，制作成本相對較低，因此，其價(jià)格相對便宜，但其比功率較高，制造工藝相對成熟，所以，鉛酸電池至今仍被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的制造當(dāng)中，成為電動(dòng)汽車的重要?jiǎng)恿﹄姵丶夹g(shù)之一。但鉛酸電池的缺陷較多，其主要包括以下方面：第一，比能量較低，一次充電所能行駛的路程非常有限；第二，質(zhì)量及體積較大，不便于攜帶，且對應(yīng)用電池的汽車要求較高；第三，循環(huán)使用壽命較短，若要長期使用，則要定期更換，加大了使用者的成本；第四，存在一定污染現(xiàn)象。鉛為重金屬，環(huán)境無法代謝，大量使用會(huì)對環(huán)境造成一定污染。

2.1.3  鉛酸電池的發(fā)展前景

    鉛酸電池雖有諸多有待改進(jìn)的地方，尤其是其比能量及比功率低、使用壽命短等問題，致其當(dāng)前僅能應(yīng)用于行駛里程短且對充電要求不高的汽車當(dāng)中，如景區(qū)觀光車、工廠叉車、市區(qū)短途公交車等，甚至有人認(rèn)為其將在不久之后即會(huì)被鎳氫電池或是鋰離子電池所取代，但其制造技術(shù)相對成熟，且成本較低，可進(jìn)行量化生產(chǎn)，若能改善其比能量與比功率、加強(qiáng)其充電性能，其仍具良好應(yīng)用空間。

2.2  鎳氫電池

2.2.1  鎳氫電池的工作原理

鎳氫電池是基于鎘鎳電池而發(fā)展起來的，相比于鎘鎳電池，同體積下，鎳氫電池的容量是其的2倍，且其記憶效應(yīng)明顯減小?，F(xiàn)多數(shù)商業(yè)化的混合電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池均采取鎳氫電池技術(shù)。鎳氫電池的電解液為KOH，正極活性材料為堿式氧化鎳(NiOOH)，負(fù)極活性材料為吸氫合金(MH)，其反應(yīng)原理如下：

正極：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-；

負(fù)極：M+xH2O+xe-→MHx+xOH-。

鎳氫電池負(fù)極上所含MH擁有大量H元素，其可與電解液中的(OH)-發(fā)生反應(yīng)，失云電子生成H2O，同時(shí)失去的電子通過導(dǎo)體的連接與正極上的NiOOH發(fā)生反應(yīng)生成Ni(OH)2，從而為電器持續(xù)供電。當(dāng)需進(jìn)行充電時(shí)，電池負(fù)極的H2O被電解，H+被還原為H，并被合金M所吸收，再次成為MH；而正極的Ni2+因失去電子，再次與H2O中的(OH)-發(fā)生反應(yīng)，從而還原成NiOOH。

2.2.2  鎳氫電池的性能

與鉛酸電池進(jìn)行比較，鎳氫電池的能量體積密度是其的4倍，比功率是其的11倍，其動(dòng)行電壓較高，充放電的耐受性較好，且具較高熱性能。但鎳氫電池具記憶效應(yīng)，單體電池的電壓較低，非常難以組合，形成大容量電池組，為達(dá)電壓等級及功率需求，其需利用大量串聯(lián)電池，這在一定程度上會(huì)影響其一致性，從而限制其的廣泛應(yīng)用。另，鎳氫電池的價(jià)格偏高，缺乏一定均勻性，電池空量及電壓差于高速率或是深放電的情況下相差較大，其性能水平與實(shí)際要求還存在較大偏差，這也限制了鎳氫電池的廣泛應(yīng)用。

2.2.3  鎳氫電池的發(fā)展前景

當(dāng)前純電動(dòng)汽車的技術(shù)條件尚未成熟，市場多為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車。在這種情況下，雖鎳氫電池的能量密度不及鋰離子電池，但其可靠性較高，且成本較鋰離子電池更低，循環(huán)使用壽命較長，相信在未來的一段時(shí)間內(nèi)，鎳氫電池仍會(huì)廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車當(dāng)中，成為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的主流動(dòng)力電流技術(shù)。

2.3  鋰離子電池

2.3.1  鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池源于上世紀(jì)90年代，由索尼公司所推出，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸電池和鎳氫電池。當(dāng)前市面上流通較多的鋰離子電池主要是液體鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。鋰離子電池正極所使用的材料有很多，如LiCoO2、LiMnO2、LiFePO4等；負(fù)極所使用的材料要求可嵌入鋰，主為碳類材料，如焦碳、石墨、混合碳等；電解液為溶有鋰鹽的有機(jī)溶液，以LiFePO4為例，其充、放電的反應(yīng)原理如下：

充電：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-；6C+xLi++xe-→LixC6；

放電：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4；LixC6→6C+xLi++xe-。

在進(jìn)行充電時(shí)，電池正極上的Li會(huì)失去電子，成為Li+，并進(jìn)入電解液當(dāng)中，負(fù)極的碳可吸收源于電解液的Li+和電子，從而為電器提供電能，所吸收的Li+越多，電池的容量就越高。在進(jìn)行放電時(shí)，嵌入于負(fù)極碳層結(jié)構(gòu)的Li+會(huì)被電解，從碳層中脫離，變成Li再次進(jìn)入電解液當(dāng)中，通過導(dǎo)體回到正極，并與正極上的金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，重新恢復(fù)成LiMnO2。

2.3.2  鋰離子電池的性能

相比于其他電池，鋰離子電池的能量密度及充放電性能明顯更優(yōu)，且其工作電壓較高，通常處3.6V-3.9V之間；比能量高，質(zhì)量較輕，不存在記憶效應(yīng)；無污染且使用壽命較長，在當(dāng)前動(dòng)力電池技術(shù)市場占主導(dǎo)地位。但鋰離子電池技術(shù)自其面市至今，已有20余年無較大技術(shù)突破，其電池功率密度有限，無法快速釋放或接收大量的能量，且其安全性、成本、材料供應(yīng)等也存在一定缺陷。

2.3.3  鋰離子電池的發(fā)展前景

鋰離子電池是當(dāng)前被科學(xué)家們普遍看好的電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿﹄姵丶夹g(shù)，被視作新世紀(jì)電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力電池技術(shù)?，F(xiàn)各大汽車生產(chǎn)廠商都非常重視鋰離子電池技術(shù)的應(yīng)用，并將其更為新能源汽車生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。就這點(diǎn)來看，鋰離子電池的發(fā)展前景非常廣闊。在未來一大段時(shí)間內(nèi)，鋰離子電池的研究重點(diǎn)將主要著眼于降低鋰離子電池的生產(chǎn)成本，同時(shí)提高其安全性，實(shí)現(xiàn)其快速充電。

3  結(jié)語

電動(dòng)汽車是我國汽車行業(yè)未來發(fā)展的方向，動(dòng)力電池技術(shù)是電動(dòng)汽車生產(chǎn)與制造的核心技術(shù)，直接影響了電動(dòng)汽車未來的發(fā)展。也正是因?yàn)榇?，業(yè)界非常重視對動(dòng)力電池技術(shù)的研究?，F(xiàn)市面上所使用的動(dòng)力電池技術(shù)當(dāng)中，鉛酸電池的價(jià)格較低，但其性能不足，雖有所應(yīng)用，但范圍卻不廣；鎳氫電池是電動(dòng)汽車近期及中期發(fā)展的首選動(dòng)力電池，但其廣泛使用仍面臨著諸多問題；鋰離子電池的性能較好，是未來電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選技術(shù)。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://00559.cn/w/qk/21223.html