- 電動(dòng)汽車對(duì)電池的基本要求
- 當(dāng)前的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池簡(jiǎn)介
汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了全球機(jī)械、能源等工業(yè)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)、交通等方面的發(fā)展，同時(shí)也極大的方便了人們的生活。但是，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車所固有的消耗能源、污染環(huán)境的缺陷也一直影響和困撓著人們的生活及社會(huì)的發(fā)展，隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的發(fā)展，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的呼聲日益高漲，新一代電動(dòng)汽車作為無(wú)污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，近些年來(lái)引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。北京要把2008年奧運(yùn)會(huì)辦成一屆綠色的奧運(yùn)會(huì)，其中的一項(xiàng)工作就是要用環(huán)保型的電動(dòng)汽車來(lái)替代目前的內(nèi)燃機(jī)汽車。
電動(dòng)汽車以電力驅(qū)動(dòng)，行駛無(wú)排放（或低排放），噪音低，能量轉(zhuǎn)化效率比內(nèi)燃機(jī)汽車高很多，同時(shí)電動(dòng)汽車還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，安全性也優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)汽車。但電動(dòng)汽車目前還存在價(jià)格較高、續(xù)駛里程較短、動(dòng)力性能較差等問(wèn)題，而這些問(wèn)題都是和電源技術(shù)密切相關(guān)的，電動(dòng)汽車實(shí)用化的難點(diǎn)仍然在于電源技術(shù)，特別是電池（化學(xué)電源）技術(shù)。目前制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素是動(dòng)力蓄電池不理想，而開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車的競(jìng)爭(zhēng)，最重要的就在于開(kāi)發(fā)車載動(dòng)力電池的競(jìng)爭(zhēng)。
電動(dòng)汽車用動(dòng)力蓄電池與一般啟動(dòng)蓄電池不同，它是以較長(zhǎng)時(shí)間的中等電流持續(xù)放電為主，間或以大電流放電（起動(dòng)、加速時(shí)），并以深循環(huán)使用為主。
電動(dòng)汽車對(duì)電池的基本要求可以歸納為以下幾點(diǎn)：
1、高能量密度；
2、高功率密度；
3、較長(zhǎng)的循環(huán)壽命；
4、較好的充放電性能；
5、電池一致性好；
6、價(jià)格較低；
7、使用維護(hù)方便等。
當(dāng)前研究開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池主要包括鉛酸電池、鎳金屬電池、鋰離子蓄電池、高溫鈉電池、金屬空氣電池、超級(jí)電容、飛輪電池以及具有更好發(fā)展遠(yuǎn)景的燃料電池和太陽(yáng)能電池。
1、鉛酸電池
鉛酸電池已有１００多年的歷史，廣泛用作內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)力源，它也是成熟的電動(dòng)汽車蓄電池。鉛酸電池正負(fù)電極分別為二氧化鉛和鉛，電解液為硫酸。鉛酸電池又可以分為兩類，即注水式鉛酸電池和閥控式鉛酸電池。前者價(jià)廉，但需要經(jīng)常維護(hù)，補(bǔ)充電解液；后者通過(guò)安全控制閥自動(dòng)調(diào)節(jié)密封電池體內(nèi)在充電或工作異常時(shí)產(chǎn)生的多余氣體，免維護(hù)，更符合電動(dòng)汽車的要求?？傮w上說(shuō)，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比功率也基本上能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求。但它有兩大缺點(diǎn)；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過(guò)高。由于鉛酸電池的技術(shù)比較成熟，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)后的鉛酸電池仍將是近期電動(dòng)汽車的主要電源，正在開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車用先進(jìn)鉛酸電池主要有以下幾種：水平鉛酸電池、雙極密封鉛酸電池、卷式電極鉛酸電池等。
2、鎳金屬電池
目前在電動(dòng)汽車上使用的鎳金屬電池主要有鎘鎳電池和氫鎳電池兩種。鎘鎳電池和鉛酸電池相比，能夠達(dá)到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循環(huán)壽命2000次，而且可以快速充電，雖說(shuō)其價(jià)格為鉛酸蓄電池的4～5倍，但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢(shì)，因此其長(zhǎng)期的實(shí)際使用成本并不高。但由于其含有重金屬鎘，在使用中不注意回收的話，就會(huì)形成環(huán)境污染，目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家都已限制發(fā)展和使用鎘鎳電池。而氫鎳電池則是一種綠色鎳金屬電池，它的正負(fù)極分別為鎳氫氧化物和儲(chǔ)氫合金材料，不存在重金屬污染問(wèn)題，且其在工作過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)電解液增減現(xiàn)象，電池可以實(shí)現(xiàn)密封設(shè)計(jì)。鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都比鎘鎳電池有所提高，使用氫鎳電池的電動(dòng)汽車一次充電后的續(xù)駛里程曾經(jīng)達(dá)到過(guò)600公里，目前在歐美已實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用。氫鎳電池就其工作原理和特點(diǎn)是適合電動(dòng)汽車使用的，它已被列為近期和中期電動(dòng)汽車用首選動(dòng)力電池，但其還存在價(jià)格太高，均勻性較差（特別是在高速率、深放電下電池之間的容量和電壓差較大），自放電率較高，性能水平和現(xiàn)實(shí)要求還有差距等問(wèn)題，這些問(wèn)題都影響著氫鎳電池在電動(dòng)汽車上的廣泛使用。
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3、鋰離子蓄電池
鋰離子蓄電池是90年代發(fā)展起來(lái)的高容量可充電電池，能夠比氫鎳電池存儲(chǔ)更多的能量，比能量大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，自放電率小，無(wú)記憶效應(yīng)和環(huán)境污染，是當(dāng)今各國(guó)能量存儲(chǔ)技術(shù)研究的熱點(diǎn)，主要集中在大容量、長(zhǎng)壽命和安全性三個(gè)方面的研究。鋰離子蓄電池中，鋰離子在正負(fù)極材料晶格中可以自由擴(kuò)散，當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負(fù)極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復(fù)運(yùn)動(dòng)以傳遞電能。鋰離子蓄電池的電極為鋰金屬氧化物和儲(chǔ)鋰碳材料，根據(jù)電解質(zhì)的不同，鋰離子蓄電池一般可分為鋰離子電池和鋰聚合物電池兩種。
4、高溫鈉電池
高溫鈉電池主要包括鈉氯化鎳電池（NaNiCl2）和鈉硫蓄電池兩種。鈉氯化鎳電池是1978年發(fā)明的，其正極是固態(tài)NiCl2，負(fù)極為液態(tài)Na，電解質(zhì)為固態(tài)β-Al2O2陶瓷，充放電時(shí)鈉離子通過(guò)陶瓷電解質(zhì)在正負(fù)電極之間漂移。鈉氯化鎳電池是一種新型高能電池，它具有比能量高（超過(guò)100Wh/kg），無(wú)自放電效應(yīng)，耐過(guò)充、過(guò)放電，可快速充電，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其工作溫度高（250-350℃），而且內(nèi)阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)有關(guān)，因此需要有加熱和冷卻管理系統(tǒng)。而鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車蓄電池，它已被美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合體(USABC)列為中期發(fā)展的電動(dòng)汽車蓄電池，鈉硫蓄電池具有高的比能量，但它的峰值功率較低，而且這種電池的工作溫度近似300℃，熔融的鈉和硫有潛在的毒性，腐蝕也限制了電池的可靠性和壽命。
5、鋅空氣電池（Zinc-air）
鋅空氣電池是一種機(jī)械更換離車充電方式的高能電池，正極為Zinc，負(fù)極為Carbon（吸收空氣中的氧氣），電解液為KOH。鋅空氣電池具有高比能量（200Wh/kg），免維護(hù)、耐惡劣工作環(huán)境，清潔安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其具有比功率較?。?0W/kg），不能存儲(chǔ)再生制動(dòng)的能量，壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。一般為了彌補(bǔ)它的不足，使用鋅空氣電池的電動(dòng)汽車還會(huì)裝有其它電池（如鎳鎘蓄電池）以幫助起動(dòng)和加速。
6、超級(jí)電容
超級(jí)電容是為了滿足混合電動(dòng)汽車能量和功率實(shí)時(shí)變化要求而提出的一種能量存儲(chǔ)裝置，它是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統(tǒng)物理電容的優(yōu)點(diǎn)。超級(jí)電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應(yīng)用作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電源，可以滿足電動(dòng)汽車對(duì)功率的要求而不降低蓄電池的性能，超級(jí)電容的使用，將減少汽車對(duì)蓄電池大電流放電的要求，達(dá)到減少蓄電池體積和延長(zhǎng)蓄電池壽命的目的。開(kāi)發(fā)高比能量、高比功率、長(zhǎng)壽命、高效率和低成本的超級(jí)電容，可以提高商業(yè)化電動(dòng)汽車動(dòng)力性（特別是加速能力）、經(jīng)濟(jì)性和續(xù)駛里程。根據(jù)電極材料的不同，超級(jí)電容可分為碳類超級(jí)電容（雙電層電化學(xué)電容）和金屬氧化物超級(jí)電容兩類。
7、飛輪電池
飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。飛輪電池是一種以動(dòng)能方式存儲(chǔ)能量的機(jī)械電池，它由電動(dòng)/發(fā)電機(jī)、功率轉(zhuǎn)換、電子控制、飛輪、磁浮軸承和真空殼體等部分組成，具有高功率比、高能量比、高效率、長(zhǎng)壽命和環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。飛輪電池中的電機(jī)，在充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)（可達(dá)到200000rpm），即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃鋭?dòng)能；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能(動(dòng)能)到電能的轉(zhuǎn)換。要開(kāi)發(fā)適合電動(dòng)汽車的實(shí)用性飛輪電池，就必須進(jìn)一步提高它的安全性和降低成本。
8、燃料電池
燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，它的基本化學(xué)原理是水電解反應(yīng)的逆過(guò)程，即氫氧反應(yīng)產(chǎn)生電、水和熱。它不需要燃燒、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、可靠性高、維護(hù)性能好，實(shí)際效率能達(dá)到普通內(nèi)燃機(jī)的2至3倍，加之其最終產(chǎn)物又是水，真正達(dá)到清潔、可再生、無(wú)排放的要求，是21世紀(jì)的首選能源。而且，燃料電池也不需要像其它電池那樣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的充電，它只需要像給汽車加油一樣補(bǔ)充燃料即可。據(jù)美國(guó)ABI調(diào)查公司預(yù)測(cè)，2011年全球燃料電池汽車的產(chǎn)量將達(dá)到240萬(wàn)輛，占世界汽車總產(chǎn)量的4.3％，日本政府也計(jì)劃在十年內(nèi)普及燃料電池。2002年12月，日本豐田公司已向日本政府交付了第一批商用燃料電池電動(dòng)汽車。燃料電池由正負(fù)電極、催化層和電解質(zhì)構(gòu)成，根據(jù)電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為磷酸型、質(zhì)子交換膜型、堿性型、熔融碳酸鹽型和固體氧化物型等幾種，目前只有質(zhì)子交換膜型燃料電池最適合電動(dòng)汽車使用，我國(guó)研制成功的“中國(guó)氫動(dòng)力首號(hào)車”使用的就是質(zhì)子交換膜型燃料電池。一套較完整的燃料電池系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：燃料處理部分、燃料電池、直流交流轉(zhuǎn)換器和熱能管理部分。
9、太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能電池是一種把光能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，太陽(yáng)能已廣泛用于照明、家用電器、發(fā)電、交通信號(hào)、地質(zhì)、航天等領(lǐng)域。目前，部分機(jī)構(gòu)也已研制出了使用太陽(yáng)能電池的電動(dòng)汽車樣車，但是由于太陽(yáng)能電池還存在光電轉(zhuǎn)換效率不高、價(jià)格太高、電池系統(tǒng)配置較復(fù)雜等問(wèn)題，近期內(nèi)只能作為電動(dòng)汽車的補(bǔ)充電源，還不能大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用，但太陽(yáng)能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對(duì)它的研究和應(yīng)用必將會(huì)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。
當(dāng)前電動(dòng)汽車正處于又一次發(fā)展高潮，電動(dòng)汽車技術(shù)的全面發(fā)展，重點(diǎn)在能量存儲(chǔ)技術(shù)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)兩個(gè)方面。電動(dòng)汽車動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展相對(duì)較快，因此隨著能量存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展和突破，隨著低成本、高能量密度、高功率密度的動(dòng)力電池和低成本、質(zhì)量輕、體積小的燃料電池商品化的實(shí)現(xiàn)，電動(dòng)汽車必將成為21世紀(jì)的主流交通工具。
