动力电池资料(非常齐全适合新手)

1、动力电池的研究进展摘要：本文综述了动力电池的研发历程，对各类车载电池的性能、价格等进行了比较，介绍了动力电池在EV HEV和EB的应用市场。着重讨论了VRLA电池作为HEV和电动自行车(EB的车载动力存在的问题和解决方案，以及Li-ion 动力电池的安全问题和新型安全正极活性材料。关键词：动力电池； VRLA Li-ion ； Ni-MH; DMFC PEMFCResearch progress of the motive power batteriesHU Xin-guo(Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstrac

2、t: The research history of motive power batteries was reviewed. The properties and price of various batteries for vehicle were compared. The applications of motive power batteries in EV, HEV and EB were introduced. The emphasis lies in the problems and solutions of VRLA batteries for HEV and EB, the

3、 safety and advanced positive active material of lithium-ionpower battery.Key words: Motive battery; VRLA; Ni-MH; Li-ion; DMFC; PEMFC1刖言全球石油危机日益严重，石油储量仅剩人类使用约 40年。但是石油消耗量的快速增长趋势仍没有得到缓解， 世界石油消耗量统计与预测如图1所示。从美国石油消耗的结构（图2）来看，美国汽车消耗的石油占总消耗的60% 2004年全球汽车消耗8亿多吨汽油，占石油总消耗的50%汽车燃油排放大量的 CO NOX等有害气体，严重地污染了人类的生活

4、环境，目前全球汽车饱有量约 8亿辆，2005年中国汽车产量600万辆,到2010年汽车饱有量也将达到 7000万辆，高速发展的中国汽车业对世界环境和能源的影响越来越大。据 统计，全球大气污染 42%来源于交通车辆的污染，大城市的交通车辆更使大气污染的比例高达60%为此，世界各国对发展电动车和混合电动车高度重视，2002年美国推出“ Freedom car & Technologies "计划；2000年以来，中国政府实施“清洁汽车行动”，电动自行车业有了巨大发展，电动车列入了863计划，加快了 EV和HEV的研发进程，作为车载动力的动力电池的研发，成为EV和HEV发展的主要瓶

5、颈。图1世界石油消耗趋势图2美国石油消耗结构电池类别电压（V）重量比能量（Wh/kg）体积比能量（Wh/L）记忆效应循环寿命（80% DOD）价格($/KWh)VRLA2.03580无40093-100Ni-Cd1.245160有500-10001000Ni-MH1.270240有500-8001250Li-ion3.6125300无600-10002000聚合物Li-ion3.6200300无600-10002500Zn-Ni1.6575180无300-500Zn-空气1351000无可再生2动力电池的研发历史与性能比较2.1动力电池的使用特点：1）高能量（EV和高功率（HEV2）高能量密度

6、：美国汽车电池联合会（ USABC制定的电动汽车电池中长期目标，质量比能量要达到80100Wh/kg （中期）和 200Wh/kg （长期）3）高倍率部分荷电状态下（HR PSoQ的循环使用（HEV4）工作温度围宽（-3065'C）5）使用寿命长，要求 510年6）安全可靠2.2动力电池的研发历史根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同，国外动力电池的研发历史大致如下：2.2.1第一代动力电池第一代动力电池主要是阀控式铅酸电池（VRLAB，其优点是大电流放电性能良好、价格低廉、资源丰富、电池回收率高。在电动自行车、电动摩托车上广泛应用，缺点是质量比能量低，主要原材料铅有污染。新开发的

7、双极耳卷绕式 VRLAB已经通过HEV试用，其能量密度比平板涂膏式铅酸电池有明显提高。2.2.2 第二代动力电池第二代动力电池主要是碱性电池，如Ni-Cd电池、Ni-MH电池。Ni-Cd电池由于镉的污染，欧盟各国已禁止用于动力电池，Ni-MH电池的价格明显高于铅酸电池，目前是HEV的主要动力电池。日本松下能源公司已为HEV提供了 1000万只以上的Ni-MH电池，由于价格等问题，Ni-MH电池在电动自行车的应用中缺乏市场竞争力。2.2.3第三代动力电池第三代动力电池主要是 Li-ion 电池（LIB ）和聚合物Li-ion电池（PLIB），其能量密度高于 VRLA电池和 Ni-MH电池，质量比

8、能量达到 200Wh/kg（ PLIB），单体电池电压高（3.6V），其安全问题解决以后是最具 竞争力的动力电池。2.2.4第四代动力电池第四代动力电池主要是质子交换膜燃料电池（PEMFC和直接甲醇燃料电池（DMFC。其特点是无污染，放电产物为H2O是真正的电化学发电装置。以H2和02或甲醇作为燃料，直接转化为电能作为车载动力，而前面所说的铅酸电池、Ni-MH电池和锂离子电池均属于电能的转换和储能装置，电池本身并不发岀电能， 必须对电池进行充电，将电能转换成化学能，在使用时再将化学能转变为电能作为车载动力。所以这类电池目前仍然要消耗由矿物燃料发岀的电能。燃料电池是车载动力的最经济、最环保的解决

9、方案，但是要实现商业化还有许多问题需要解决，如价格昂贵、采用贵金属铂、铑作为催化剂、氢的储存运输、电池寿命的问题。各类电池的性能比较列于表1。表2为美国先进电池联合会（USABC制定的电动汽车电池的中长期研发目标。参数中期目标（2000年）长期目标（2010年）体积功率密度（W/L）250600质量功率密度（W/kg）150200400体积比能量（Wh/L）135300质量比能量（Wh/kg）80 100200寿命（年）510循环次数（次）6001000价格(dollar/KW h)<150<100正常充电时间（h）<636工作温度C）-30 65-40 85表2美国USAB

10、C电动汽车电池研制中长期目标微型轻度混合中等混合全混合电池类型铅酸电池VRLA电池Ni-MH电池卷绕式VRLA电池Ni-MH电池Li-ion 电池电池电压（V）1236144>200电池容量（Ah）50 - 6015- 206-86表3混合电动车的动力电池2004( AJ-SO10Mf片 卿神兀 吧咗 EE WH图3 HEV的销售预测（20042010年）2002年美国又推出“ Freedom Car & Vehicle Technology ”计划，HEV用动力电池的比功率为 625W/kg,要实现这些目标仍要作岀很大努力。3动力电池的应用市场3.1电动自行车电动自行车作为欠发

11、达国家的代步工具，近年来发展迅速，特别是中国。由2000 年的 29 万辆发展到 2005年的900万辆，年平均增长率达到 174%中国电动自行车的动力电池 95%以上采用VRLA电池，少量应用 N i - MH电池和Li - ion电池。电动自行车在发达国家，为了节省汽车的油耗，也作为短距离的便捷交通工 具，或作为锻炼使用。如日本 2004 年的产量是 100万辆， 2005年增加到 130万辆。除中国以外，世界各国 1997年生产电动自行车 38.1 万辆，到 2005年达到 200万辆，占世界总需求的 2%， 美国克莱斯勒公司目标年销售电动自行车100万辆。据国权威机构预测，到 2015

12、年中国电动自行车的产值将达到 1000亿元，其中配套电池 160亿元，二级市 场的替换电池达 480亿元。3.2 混合电动汽车（ HEV）世界各国将HEV作为最现实的发展目标，并且已经大批量生产和销售，市场增长迅速，如图3所示。中国也将发展HEV作为重要目标，2006年将有多款HEV下线。混合电动车可分为微型混合、轻度混合、中 等混合及全混合。电池和燃油两种动力的混合程度不同，对电池的要求也不同。HEV的动力电池要求如表 3所示 1 。4 动力铅酸电池4.1 HEV 动力铅酸电池铅酸电池作为车载动力， 占有主要的市场。 目前全球铅酸动力电池的年销售额约 5亿美元， 预计到 2009年 将达到

13、10 亿美元。 中国的电动自行车电池几乎全部采用铅酸电池， 极少数采用 Ni-MH 电池和 Li-ion 电池， Ni-MH电池的价格是铅酸电池的 3倍，国电动自行车较少采用 Li-ion电池，只有少量的出口轻型电动自行 车配套用 Li-ion 电池。VRLA电池用于HEV的动力，目前仅限于轻度混合的 HEV电池电压为36V,中等混合和全混合的 HEV只有N i-MH电池在正式运行（见表 3），中混合和全混合的 HEV其电池使用特征是部分荷电下的循环使用（ Par t State of Charge）即PSoC VRLA电池在PSoC犬态下的主要失效模式为负极严重的硫酸盐化，负极表面形成坚硬粗

14、大的 PbSO4结晶，使H2SO4向负极部扩散受阻，电池放不出电。对 VRLA动力电池ALABC组 织了澳大利亚CSIRO美国Hawker公司进行了几年的攻关，提出了解决方案，并在丰田Prius、本田Insight等HEV上作了两年多的道路运行试验，证明性能良好，成功的用卷绕式VRLA电池代替了 Ni-MH电池，ALABC的解决方案包括三方面的容：1.采用新型VRLA电池结构目前成功的VRLA动力电池结构是双极耳卷绕式电池，如图 4所示，这种电池能量密度高于平板式电池，高低温性能好，适宜大电流放电。图4双极耳卷绕式VRLA电池2V-8Ah卷绕式电池250A大电流放电曲线如图 5所示。从图中可以

15、看出，双极耳卷绕式电池比单极耳卷绕式电池的大电流放电性能有明显改善。用 2V-8Ah双极耳卷绕式电池组装的 36V-8AhX4 （见图6），其性能 已达到144V中等混合的HEV要求。经本田Insight HEV 道路测试（图7）,结果令人满意，可以取代 Ni-MH电池，这样可以降低 HEV的成本，有利 HEV的销售。Time in seconds图5 2V-8Ah电池的250A放电曲线*图6 36V8Ah卷绕式电池图7 Insight HEV 中的36V8Ah卷绕式电池OPTIMA与VOLVO气车制造商合作，开发了一种全新结构的铅酸蓄电池，称为Effpower双极式瓷隔膜密封铅酸蓄电池，已安装在本田的Insight HEV 作为动力电池，其优点是输出功率高，循环寿命长，如图& 9所示。图 8 Effpower Ba