电动汽车动力电池研究综述

1、1 弓I言22 电动汽车对动力电池的发展及要求3,1 .1 动力电池的发展32 2电动汽车对动力电池的要求43。铅蓄电池4。3.1 铅蓄电池工作原理43.2 铅蓄电池性能特点53.3 铅蓄电池应用范围5。分银氢电池61. 1,银氢电池工作原理62. 2 银氢电池性能特点64. 3。银氢电池应用范围75。锂离子电池7。5. 1，锂离子电池I：作原理。错误!未定义书签。5. 2。锂离子电池性能特点7。5.3 锂离子电池应用范围8。6。电动汽车动力电池发展趋势。86. 1铅蓄电池发展趋势862银氢电池发展趋势96. 3 锂离子电池发展趋势97。结论10参考文献11。电动汽车动力电池研究综述摘要:电动

2、汽车电池既是发展电动汽车的核心，更是电力工业与汽车行业的关 键结合点。结合电动汽车的发展和要求，概述了车用动力电池的基础情况，重点 介绍了 3种主要电动汽车电池：铅蓄电池、银氢电池和锂离子电池的工作原理、 性能特点、应用范围，并对3种电池的发展趋势进行了简单的阐述和展望。1引言诞生百年之久的汽车，给人类生活带来了极大的便利、时尚和文明，也已成 为全球最具发展潜力的实体产业。然而近10年来日益普及的燃油汽车，给人类社 会增加了无法回避的能源和环境压力。新能源汽车是时下应对危机、金融开放、 双边贸易、气候变化和新能源合作等各类国际峰会的热门议题。新能源汽车已成 为各国政府在金融危机与能源、环境和气

3、候等硬约束下，引导汽车产业变革的方 向标，更是国内外汽车企业谋求产品转型和提高可持续国际竞争力的战略举措。以燃油作为产生动力源的传统汽车，它只要处于发动和行驶的状态,就在加 剧人类社会面临的日益严峻的石油能源供求形势和环境保护压力，一是石油能源 保障问题，逐步枯竭的碳化石油自然资源,大约有4 0-50%正被汽车消耗着,汽车使 全球石油能源的安全保障难度加大；二是二氧化碳的减排，全球20%至3 0 %的 二氧化碳排放源自于汽车。导致全球气候变暖，汽车是最重要的源头之一，全球十 大国际大都市的空气污染监测表明，约35%以上的氮氧化物等有害气体来源汽车 的排放。要保持汽车产出的可持续发展，保证人类生

4、存环境的和谐美好，汽车产 业必须寻找新的替代能源，必须对汽车发动机进行一场新的技术革命。新能源汽车的技术路线有两个方面：一是替代燃料的系统。采用生物燃料、 煤基燃料及天燃气来替代传统的汽柴油的技术路线，部分技术已实现；另外一个 就是比较根本性或革命性的燃料系统变革:纯电驱动、插电式混合动力、油电混 合动力以及燃料电池。从技术来看电动汽车并没有碳减排的效果，但是为未来 碳减排技术应用提供一个前提,也就是说我们从每辆单车的碳排放的治理集中到 上一个环节，就是发电环节碳排放的治理和控制。另外未来新能源，风电、太阳 能发电等这些清洁能源比重上升，会进一步降低电动汽车碳排放的程度。电动汽车的组成包括电池

5、、驱动电机、电机调速控制系统、电池管理系统和车体五个主要部分。而生产电动汽车关键的三个组成部分为：电池、电机、电控 电池为电动汽车的驱动电动机提供电能，电动机将电源的电能转化为机械能， 通过传动装置或直接驱动车轮和工作装置。目前开发的电动汽车的性能问题都 与电池技术发展紧密相关。2电动汽车对动力电池的发展及要求2.1动力电池的发展1837年David son于阿伯丁制造了世界上第I辆以电池为动力源的车辆。 在1 9世纪末到2 0世纪初之间，电动汽车由于缺乏成熟的电池技术和合适的电 池材料发展得非常缓慢，以内燃机为动力的传统汽车占领了市场。第1代现代电动汽车EV1由美国通用汽车公司在1996年制

6、造，它采用的是铅 酸电池技术。1 9 99年研发的第2代通用汽车公司的电动汽车以银氢电池为动力 源，一次充电的行驶里程是前者的1.5倍，同样因无竞争力而退出市场。同期,日本丰田汽车公司利用银氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合 的第3代电动汽车,即混合动力车(hyb r id e 1 e ctric veh i c les, HE Vs)。HE V 是具备多个动力源(主要是汽油机、柴油机和电动机)，根据情况同时或者分别使 用几个动力源的机动车辆。银氢电池成为在电动汽车电池技术的研究领域和市 场应用中最受关注的电池。200 6年锂离子电池技术的迅速发展，特别是在安全性方面的大幅提高，使 之逐步

7、被应用于纯电动车和混合动力车，成为银氢电池强劲的竞争者。2 0 0 7年，插电式的混合动力车(plug-in HEVs,PHEV)诞生了。PHEV 与HEV最大的不同是它的电池能量可来自于电网，而不完全依靠内燃机化石 燃料提供。当电池电量高时,PHEV采用纯电动车模式(动力完全来自电池)行驶， 电池电量降低时，进入传统的HE V模式。2008年，金融危机、国际油价的高位震荡和节能减排等产生巨大的外部压力, 全球汽车产业正式进入能源转型时.期。世界各国对发展电动汽车实现交通能源转 型这样的技术路线达成了高度共识;电动汽车电池产业同样进入了加速发展的新 阶段。2.2电动汽车对动力电池的要求动力电池

8、为电动汽车的驱动电机提供电能，是电动汽车的重要组成部分。现 代电动汽车的发展和推广所考虑的动力电池应满足以下几方面的要求力：1) 高能量和能量密度；2) 高功率和功率密度；3) 快速充电和深度放电的能力；4) 可循环使用，寿命长；5) 高充电和放电效率；6) 安全性能高且成本合理；7) 免维护；8) 环保且可以回收；9) 能与汽车工程有机结合。纵观电动车的整个发展过程，出现过多种不同类型的汽车和电池，其中产生 巨大影响并商业化使用直到现在的电动汽车动力电池主要有铅蓄电池、银氢电池 和锂离子电池。本文将针对这三种重要的电动汽车动力电池的研究、应用和发展 趋势进行介绍。3铅蓄电池铅蓄电池是一种传统

9、的电池产品，自18 59年发明至今已有150多年的历 史，但该产业的发展仍方兴未艾。铅蓄电池目前仍是化学电池中市场份额最大、 使用范围最广的电池，销售额居二次电池之首，特别在起动和大型储能等应用领域, 较长时期内尚难以被其他新型电池替代时。3.1 铅蓄电池工作原理铅蓄电池(RLAB)的正极为Pb()2,负极为海绵钛Pb,电解液为稀硫酸溶液。其 反应机理为：正极:PbS()4 + 2H2。- PbO2 + 3H+ + HSO； +2e-负极:H+ + PbS04 + 2e-t Pb + HSO；总反应：2PbsO4 + 2H2。7 Pb + PbO2 + H+ + 2HS0；3.2 铅蓄电池性能

10、特点应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅蓄电池不须维护，允许深度放电，可循 环使用;然而铅蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度 大。功率密度虽可以通过增大电极的表面积来提高,却会增加侵蚀速度而缩短电 池的使用寿命。充放电方式也会严重影响它的使用寿命，长期过充电产生的气体 会导致极板的活性物质脱落，不适合放电到低于额定容量的2 0%,反复过度放电 同样导致寿命急剧缩短;此外，在没有定期充满的情况下会有硫酸盐晶体析出，硫 酸盐晶体会使电池的孔隙度降低，限制活性物质的进入，导致电池的容量减小。 在典型的HE V应用中，电池经常工作于一个高倍率部分荷电状态，使用寿命和性 能表现会因此

11、受到严重影响。3.3 铅蓄电池应用范围小型铅蓄电池主要用于便携式家用电器，如手提式吸尘器、磁带录像机、电 动玩具、报警器、应急照明等，也大量用于计算机和小型不间断电源。中型铅酸 电池多用于起动、照明、点火等，如汽车、高尔夫车和自动导向车等都用这类电 池。而大型铅酸蓄电池也广泛应用于邮电通讯、瞬时备用电源、大型UPS电源、 太阳能和风能发电系统的配套能源,，在负载调峰用电方面也有较多应用。同时, 铅酸蓄电池(AGM VRLA和Gel-VRLA)在国内主要应用于电动自行车、电动巴 士等。4银氢电池4.1 银氢电池工作原理银氢电池以金属氢化物为负极活性材料，以Ni(OH)2为正极活性材料,以氢氧 化

12、钾水溶液为电解液。其充放电机理为：充电时由于水的电化学反应生成氢原子, 立即扩散到合金中，形成氢化物(MH),实现负极贮氢;银电极活性物质Ni(0H)2 释放出一个电子，变为充电态的NiOOH。而放电时氢化物分解出的氢原子乂在合 金表面氧化为水,NiOOH吸收一个电子还原为Ni(OH)2,银氢电池在充放电过程中 的电化学反应如下：正极：Ni(OH)2 + 0H NiOOH + H20 + e-负极:M + xH2O + xe- - MHX + xOH-电池的总反应:M + xNi(OH)2 7 MHX + xNiOOH4.2 银氢电池性能特点银氢电池(Ni-MH电池，银金属氢化物电池)和同体积

13、的银镉电池相比，容 量增加一倍，充放电循环寿命也较长，并且无记忆效应。银氢电池具有以下特点: 比能量高，是Ni-Cd蓄电池的1 .52.0倍，大约在6 080Wh/k g ；工作电压 1.2V,与Ni-Cd蓄电池相同;可快速充电、放电；体积比能量13 017 0 Wh/L; 循环使用寿命50 01 000/次；可以取代有毒、废电池难以处理的Ni Cd蓄电 池,被誉为“绿色环保电池”；具有大容量、大功率的驱动型电池，同时乂是一种物 质“活性”较强、容易外逸、封装技术要求很高的电池川。银氢电池广泛应用受限的原因是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性 的限制;此外，价格也是制约银氢电池发展的主要因素

14、，原材料如金属银非常昂贵。 银氢电池虽比铅酸电池储存更多的能量，但过放电会造成永久性损伤，荷电状态 (s t ate of ch a rg e , SOC)必须被限制在一个较小的范围内，电池储存的大部分 能量并没有被实际使用，如丰田P rius只能使用电池20%的能量阴。另外，是 否能准确测量银氢电池的荷电状态直接影响其使用寿命及充放电效率。而且银氢 电池具有较高的自放电效应，约为每月30%或更多，这也是制约其在车辆上广泛 应用的瓶颈。并且电池中含有大量的银和钻元素，大批量生产和使用时价格不会 下降反而上升，因而其应用前景受到一定影响口叮。4.3 银氢电池应用范围Ni-MH电池的应用较为广泛，

15、凡是应用N i -Cd蓄电池的领域均可使用Ni-MH电池。这些Ni-MH蓄电池可装配成多种电池组，可以满足电子设备日益增 长的便携性需求。例如，Ni-MH蓄电池非常适合于大电流放电需求，如便携式打 印机、医疗设备，远程通信设备，军用电子、笔记本电脑和数码AV机器(数码相 机、数码摄像、数码音频播放机)等，都可应用N i -MH蓄电池。应用前景限定 在不严格计较重量的重负载应用领域，例如混合电动车辆(h y bride 1 e c t r i c v eh i c I e s)、电动车辆、军事野营、抗灾(水灾、地震等)现场用电 等方面将发挥出不可替代的重要作用。5锂离子电池5.1 锂离子电池工作

16、原理目前锂离子电池中已经投产的有液体锂离子电池(L i B)和聚合物锂离子电 池(PLiB)两种。锂离子电池的正极材料有LiCoO2、LiNiO2、LiMiO2、LiNixCOi_x()2、 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2. LiFePO一等化合物，负极材料一般采用能嵌入锂的石油 焦碳、纯石墨和层状混合碳等材料。充放电的化学反应式为：充电：LiMeO Lii-xMeO + xLi+ + xe_;C6 + xLi+ + xe f LiC6放电：Li-xMeO + xLi+ + xe f LiMeO； LiC6 C6 + xLi+ + xe-5.2 锂离子电池性能特点动力锂离子电池由于其成

17、本、性能、资源及“环境友好”等优势将成为电动 汽车的主要搭载电源。锂离子电池相对于银氢电池和铅蓄电池，有以下优点。 21) 锂离子电池单体标称电压高达3.6V,是银氢电池的3倍，铅蓄电池的2倍；2) 锂离子电池重量轻，比能量大，高达1 50 Wh / kg,是银氢电池的2倍,铅蓄电池的4倍。因此重量是相同能量的铅蓄电池的四分之一；3) 锂离子电池体积小，高达400Wh/L,因此体积是相同能量的铅蓄电池的三分之一；4) 锂离子电池寿命长，循环次数可达1 0 00次,使用年限可达35年,寿命为铅蓄电池的三倍；5) 锂离子电池自放电率低，每月不到5 %,是银氢电池的六分之一；6) 锂离子电池允许工作

18、温度宽，低温性能好，可在-2 0- 5 5c之间工作；7) 锂离子电池无记忆效应，而银氢电池有轻微的记忆效应。所以锂离子电池每次充电前不需要像银氢电池一样需要放电，可以随时进行充电。 电池放电深度对电池寿命影响不大，可以全充全放；8) 锂离子电池中基本不存在有毒物质，无污染，可以说是绿色环保电池。锂离子电池正在向高性能(即高比能、长寿命、安全性)、低成本的方向发 展，其主要研究热点是开发研究适用于高性能锂离子电池的新材料、新设计和新 技术叫5.3 锂离子电池应用范围由于锂离子电池的优点，目前锂离子电池的发展势头极为迅猛，已应用笔记 本电脑、移动电话、录像机、小型医疗保健设备、卫星电话、摩托车、

19、自行车、 照相机等领域，锂离子电池在电动汽车、航空、航天、航海和军事领域的应用研 究也正在积极开展。目前由于国内矿难爆炸事故中，有80%是由于矿灯打火，因此 湖北省武汉市现代能源科技有限公司开发了新型锂聚合物锂离子动力电池矿灯。6电动汽车动力电池发展趋势6.1 铅蓄电池发展趋势铅蓄电池作为电动汽车电池的未来研究重点是解决比能量低的问题,以及高 倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。可通过使用密度小的非腐蚀性容器来 提高比能量，再在活性物质中增加碳减轻硫化物以减小对电池容量寿命的影响。科学技术进步和管理水平提高，将促进铅蓄电池生产和再生铅过程的铅污染 实现可控可治，污染风险减小。随着新技术的突破

20、和新结构的应用，铅蓄电池将 进入新技术时代,其比能量和比功率将大幅度提高，循环寿命延长。未来较长时期内，铅蓄电池仍将在起动、储能、动力等应用领域发挥更重要 的作用。在高速公路上行驶的电动汽车是不实际的，但价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车（如观光车）中仍占一席之地。6.2 银氢电池发展趋势银氢电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点;但由于需要大量使用银和 钻其成本较高，银钻的稀缺性会导致其大批生产和使用时价格反而会上涨。目前, 它仍然大量地应用于混合动力车，随着锂离子电池的大规模生产和成本的降低，锲 氢电池终将退出。例如，日本丰田汽车公司宣布最新一代Prius不再使用银氢电 池而使用

21、锂离子电池。银氢电池是电动汽车过渡阶段使用的电池，但在近期和中 期仍然是非常关键的动力电池之一。6.3 锂离子电池发展趋势目前市场上的电池中，锂离子电池（锂离子电池和锂高聚合物电池）的性能最 好,同质量的锂离子电池其能量是铅酸电池的46倍,是银氢电池的2 3倍。价格 和大功率锂离子电池的安全性是它的最主要缺点。2007年银氢电池的价格约为 1 50 0 USD/ kWh,锂离子电池价格为75 01000USD/ kW-h 114；因此价 格劣势主要是相对铅酸蓄电池等而言。锂离子电池的主要原材料为锂，我国的锂矿资源丰富，已探明的锂总储量居 世界第二；锂离子也存在于海水中，未来可利用太阳能从海水中

22、提取。此外，锂 离子电池具有循环使用的潜力，可解决对原材料的需求问题03最终锂离子电池 的价格在大规模商业化之后会下降。实际上，国内外越来越多的汽车厂家选择锂离子电池作为电动汽车的动力电 池，锂离子电池技术方面的研究也在不断地取得突破。我国的电动汽车科技发展 “十二五”专项规划中指出将推动以锂离子动力电池为重点的车用动力电池产业 发展，使之具有国际竞争能力。对于锂离子电池技术最大的挑战是继续扩大电池 容量，同时保证安全性和循环次数不受影响,并降低成本。此外，电动汽车电池的快 速充放电能力对于它未来作为风电和太阳能等新能源发电的备用非常重要。7结论电动汽车电池作为汽车的储能装置，既要求有足够的能量来满足一定的驾驶 周期和行驶里程,乂要提供能达到车辆指定的加速性能所需要的最大功率。当目 前市场上电池成本降低或处于实验室研究阶段的电池技术发展成熟后，汽车制造 厂商必然会提高电动汽车电池组的容量、功率等以增加电动汽车的行驶里程和汽 车性能。电力行业应关注电动汽车电池的各种性能、容量和功率，不仅是要能在 短期内提供可靠的充