纯电动车电池的发展现状和前景

赵鸿滨

(新乡市质量技术监督检验测试中心，河南新乡453000)

纯电动车电池的发展现状和前景

赵鸿滨

(新乡市质量技术监督检验测试中心，河南新乡453000)

介绍了纯电动车对动力电池的要求。分析了几种常用的纯电动车动力电池、电池的主要特性以及电池的关键材料(正极材料、负极材料、电解液等)。阐述了纯电动车电池的发展现状和前景展望。

纯电动车电池；关键材料；正极材料

电动汽车，顾名思义就是主要采用电力驱动的汽车，其难点在于电力储存技术。随着全球汽车持有量的不断增加，一方面燃油大量消耗引起的能源危机变得日益严重，另一方面汽车尾气排放引起环境污染的程度也越来越严重。人们只有通过技术探索，寻找替代能源，降低排放，才能缓解汽车需求与环境保护的矛盾。电动汽车采用电能取代石油等化石燃料作为动力，是未来交通的唯一的长远解决方案。

纯电动车是完全依靠动力蓄电池作为动力源，并以电动机与电机控制系统驱动的汽车。纯电动车不使用液体燃料，没有发动机，没有污染尾气的排放管，是近年来“绿色出行”的最佳选择。纯电动车省去了油箱、发动机、变速器、冷却系统以及排气系统，相对于传统的内燃汽油发动机动力系统，其电动机和控制器的成本更低，且能量转换效率更高。从世界各国的战略发展目标来看，发展电动汽车已被普遍确立为保障能源安全和转型低碳经济的重要途径，而纯电动车更是电动汽车发展的终极目标。

1 纯电动车对动力电池的要求

电池是电动汽车的动力源，当前与电动汽车相关的研究热点有许多，其中电动汽车电池技术被视为最主要的难关。电池的好坏一方面决定着电动汽车的成本，另一方面决定着汽车的行驶里程，这两方面是电动汽车与传统燃油汽车区别竞争的关键，因此开发出性价比高的动力电池对电动汽车的未来发展至关重要。尤其是在纯电动车上，蓄电池作为其唯一的动力源，地位更加重要。

为满足纯电动车的动力性能、使用安全性以及经济性的要求，先进的动力电源系统原则上需要具备以下特点[1]：

(1)比能量高。使用比能量高的电池体系有助于降低动力电池的质量和体积，提高电动汽车的有效载荷，乃至它的一次充电续航里程。

(2)比功率大。比功率越高，单位时间内电池的输出能量越大，电动汽车的加速性能越优越。

(3)循环使用寿命长。循环寿命越长，电池在正常使用周期内制成电动汽车形式的里程数就越多，越有助于降低车辆使用周期内的运行成本。

(4)可靠性高。

(5)安全性好。能够有效避免因泄露、短路、撞击、颠簸等引起的起火爆炸等危险事故发生，确保汽车在正常行驶乃至非正常行驶过程中的安全。

(6)高低温性能好，环境适应性强。电动汽车要求电池不仅能够适应北方冬天极冷的气温，也要能在南方夏天炎热的环境下工作。即使在最极端的环境下，电池也要稳定工作。因此，要求电池具有良好的高低温性能。

(7)自放电率低。

(8)价格低廉。制造电池的材料应该来源丰富，电池制造成本低，以降低整车价格，提高电动汽车的市场竞争力。

(9)绿色环保。要求电池制作的材料与环境友好、无二次污染，并可再生利用。

2 电动汽车常用动力电池

电动车的发展过程中出现过多种不同类型的电池，其中产生巨大影响并商业化使用至今的电动汽车电池主要有铅酸电池和锂离子电池[2]。

2.1 铅酸电池

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸蓄电池自1859年诞生以来，已经历了150多年的发展历程，在交通、通信、电力、军事、航海、航空等众多领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。

铅酸电池结构如图1所示。

表1列举了铅酸电池组件材料及其作用。

铅酸电池的主要特性为：

(1)安全密封：在正常操作中，电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出。

(2)没有自由酸：特殊的吸液隔板将酸保持在内，电池内部没有自由酸液，因此电池可放置在任意位置。

(3)泄气系统：电池内压超出正常水平后，铅酸电池会放出多余气体并自动重新密封，保证电池内没有多余气体。

(4)维护简单：由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水，在使用铅酸电池的过程中不需要加水。

(5)使用寿命长：采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板，铅酸电池可浮充使用10～15年。

(6)质量稳定，可靠性高：采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统，铅酸电池的质量稳定，性能可靠，电压、容量和密封在线上进行100%检验。

图1 铅酸电池结构

表1 铅酸电池组件材料与作用分析

2.2 锂离子电池

锂离子电池是Li+在正负极之间反复进行脱出和嵌入的一种高能二次电池，是20世纪90年代发展起来的高容量可充电电池。锂离子电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属氧化物构成的阴极和电解液。其工作原理如图2所示。

图2 锂离子电池工作原理

作为一种新型的化学电源，锂离子电池具有如下优势：单体电池工作电压高，组成电池组时一致性要求相比铅酸电池和氢镍电池偏低，电池的使用寿命可以提高；电池质量轻、必能量大，使得整车质量减小且行驶里程增加；电池循环寿命长，可以达到铅酸电池的2～3倍；自放电率低，每月低于5%；工作范围宽、低温特性好、无记忆效应、无污染等。

电池材料的物理结构和化学特性决定了电池的性能，理想的电动车用锂离子电池材料应具备以下特性：

(1)具有层状或隧道的晶体结构，有利于锂离子的嵌入和脱出，从而保证锂离子电池的循环寿命。

(2)充放电过程中，应该有尽可能多的锂离子嵌入和脱出，使电极具有较高的电化学容量。

(3)在锂离子进行嵌入和脱出时，电池具有平稳的充放电电压。

(4)锂离子应具有较大的扩散系数，以减少极化造成的能量损耗，从而保证电池具有较好的快速充放电性能。

(5)比较重要也是关键性的一点：材料价格应该便宜，对环境无污染，质量轻且可回收。

锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锂锰氧化物、磷酸铁锂、镍钴锰三原材料等，负极材料主要有石墨、钛酸锂等。

正极材料的性能极大程度上影响着电池的性能，与此同时，正极材料也直接决定着电池成本的高低，锂离子电池正极材料的发展引领了锂离子电池的发展。作为电动汽车的动力电池，目前较受关注的有锰酸锂和磷酸铁锂，图3、图4是这两种材料的结构示意图，表2是这两种材料的优缺点对比分析。

图3 锰酸锂结构示意图

图4 磷酸铁锂结构示意图

表2 锰酸锂与磷酸铁锂优缺点对比

3 纯电动车电池前景展望

铅酸电池虽然便宜，并在叉车、观光车或者短途公共汽车上作为动力源应用，但新一代铅酸电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸电池来驱动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。

目前市场上的动力电池中，锂离子电池的性能最好，同质量的锂离子电池其能量是铅酸电池的4～6倍，是氢镍电池的2～3倍。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。现阶段车用动力电池多数仍停留在价格相对便宜的铅酸电池等传统产品上，但随着技术突破和生产成本下降，锂电池质轻、续航里程长以及高能量密度和高输出功率的优势将逐渐浮现。长期来看，锂离子电池是未来车用动力电池的首选技术，整车厂与锂离子电池生产厂商合作共同开发电池系统是必然趋势[3]。

[1]宋永华，阳岳希，胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].电网技术，2011，35(4)：1-7.

[2]胡信国，王殿龙，戴长松.动力电池材料[M].北京：化学工业出版社，2013.

[3]邱纲，陈勇，李东.电动汽车用动力电池的现状及发展趋势[J].辽宁工学院学报，2004，24(4)：41-44.

Developing situation and prospects of EV batteries

ZHAO Hong-bin

The problem of energy and the conjuncture of environment were the two weightily tasks nowadays and in the future.The problems were partly solved by the appearance of EV.The requirements of EV on batteries were introduced.Several kinds of EV batteries,their main characteristics and the key materials(anode materials,cathode materials and electrolyte)were analyzed.The developing situation and prospects of EV batteries were elaborate.

EV batteries;key materials;anode materials

TM 912

A

1002-087 X(2015)03-0631-02

2014-11-20

赵鸿滨(1977—)，女，河南省人，本科，工程师。