电动汽车动力电池现状与发展

张红妮，张雅丽，王虹霞

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

前言

由于国际市场中对化石燃料的大量需求，以及不断增加的内燃机汽车所引发的逐渐恶化的环境问题，使得电动汽车及混合动力电动汽车用动力电池的研究和发展越来越有必要。对于降低温室气体排放以及空气和噪声污染问题，电动汽车代表了一种未来道路交通领域的解决方案[1,2]。

当前与电动汽车研究相关的热点有电动汽车驱动系统，电动汽车去动机技术充电谐波分析和充电站监控系统等[3-9]，电池技术为最主要的难关。本文首先概述几种常见的电动汽车用动力电池。然后分别从动力电池的工作原理、工作性能、现状及其应用前景上着重介绍目前使用较为广泛的动力电池。最后通过对这几类动力电池的比较，得出各方面的综合结论。

1 动力电池概述

在所有电池技术中，铅酸蓄电池的发展历史最长久。该电池用金属铅作为负极，用氧化铅作为正极。电池在放电过程中，正负两极都会有硫酸铅生成，硫酸在电解质溶液中既作为反应过程的反应物，也是反应过程的生成物。在过去的十来年里，关于铅酸蓄电池的研究和发展主要集中在混合动力电动汽车的应用上。

镍氢电池工作是基于氧化镍阳极和氢金属负极释放和吸收OH-。在过去镍氢电池被视为电动汽车上的一种很好的临时选择，鉴于锂离子电池存在着严重的安全问题。但是，其50～70Wh/kg的能量密度并不能满足电动汽车150～200Wh/kg的能量密度需求。同时镍氢电池中镍的较大成分占比限制了其未来的价格降低，因此，镍氢电池并未作为一个可靠选择。

在应用于电动汽车的商业电池中，锂离子电池占有最大的份额。目前，这些动力电池可以供电动汽车行使大约150km。锂离子电池的电极中插入了锂，也就是说，电极材料是锂离子的载体。有多种投入使用的正极材料，各自有不同的优点和缺点。然而，无论如何锂离子电池还需要进一步的技术进步，在保障安全性的前提下提高性能同时降低成本。

2 动力电池的性能

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池经历了不断的发展和完善，其技术成熟、来源广泛、成本低、目前在小型电动汽车、电动工具车、电动自行车上仍有广泛的应用。表1为铅酸蓄电池的性能指标[10]。

表1 铅酸蓄电池性能指标

2.2 镍氢电池

表2 镍氢电池性能指标

对比目前目前所用电池，镍镉电池和铅酸蓄电池，镍氢电池技术正逐渐满足电动汽车工业领域对动力电池的性能需求。它的优点有：高能量密度和功率，70Wh/kg的能量密度的电池可以保证300km的续驶里程。而且，这类电池可以成功应用于配有电动机的助力系统，有增长寿命的效果。

2.3 锂离子电池

表3 锂离子电池性能指标

锂离子电池是如今电动汽车上使用得最多的动力电池技术，这归功于它的高能量密度和单体电池中增长的功率，使得这类电池以具有竞争力的价格发展出更小的质量和密度。研究表明电动汽车上使用的锂离子电池功率（800～2000W/kg和能量密度（100～250Wh/kg）都有所增加。

3 各类动力电池的应用及发展展望

3.1 铅酸蓄电池

现在铅酸电池上的大部分工作在于使其能在混合动力汽车上制动时回收能量以及汽车辅助。这就要求电池可以承受在部分充电状态下成百上千的高功率微循环。将铅酸电池进行高倍率放电时会产生一个不可逆的严重问题，即会有大量的不断增加的硫酸铅晶体堆积在负极，这会使得其快速充电能力持续降低。研究发现通过添加碳可以提高导电率、减小硫酸晶体、降低电容，从而可以减轻这个问题。对于低成本的混合动力电动汽车，这种铅碳电池可窥见其发展潜能，随着技术的进一步完善发展，会更加吸引双能源动力电动汽车。

3.2 镍氢电池

镍金属氢电池时使用得最为频繁的镍基电池，于 1989年进入市场，它在各方面的性能均要优于铅酸电池。直到现在，它们仍是混合动力电动汽车的默认选择，因此它的再生制动和全电力驱动性能也是经过了尽可能的优化。

相较于循环寿命更长、能量密度更大的锂离子电池和成本更低的铅酸蓄电池，在电动汽车市场中镍氢电池并不占优势。但是镍氢电池中使用的含水电解质和低反应性的金属使得它在本质上使用起来更安全，并且其良好的低温性能对汽车在寒冷气候下启动非常有利。现在提倡在镍金属氢电池中使用替代结构组件和能量吸收材料作为减轻车辆重量的创造性方法，从而提供更远程的电动汽车。

3.3 锂离子电池

锂离子电池在性能上与前两种电池相比较，有着较大的优势，其质量更小，是相同能量铅酸蓄电池的1/4～1/3。体积更小，是铅酸蓄电池的1/3～1/2。比能量是镍氢电池的2倍，铅酸蓄电池的4倍。寿命更长，是铅酸蓄电池的2～3倍。被各国研究人员普遍看好，认为是21世纪纯电动汽车发展的主要动力电池之一。目前已被各大汽车产商列入发展新能源汽车的重点项目之一，其应用和研发前景十分可观。由于动力电池技术在不断进步，锂离子电池正在逐步占领电动汽车市场。

4 结语

从能量消耗的角度来看，钠氯化镍电池是最好的选择。除此之外其他重要的优点有价格低、寿命长及在苛刻环境下可以正常参数工作的良好性能。这类电池的一个缺点就是较高的工作温度，这就会使得电池电极在车辆未使用时固化。

对于锂硫电池，由于其质量小、能量储存能力大、价格低，相比于其他电池，它也许是对于高储能系统的最佳解决方案。

对于镍氢电池，其能耗处于合理水平，但是其效率低影响了电池的动力性能，而且其质量大不利于车身轻量化的目标，目前，其技术水平处于落后状态。

目前，锂离子电池在电动汽车中占有最大的市场份额。能耗水平中等、价格持续降低、技术不断进步、循环寿命更长、质量小、高储能潜能，这些特点使得锂离子电池成为动力电池领域的优质选择。