動(dòng)力電池的發(fā)展

動(dòng)力電池的發(fā)展摘要：動(dòng)力電池作為以電力為動(dòng)力源的新能源汽車的重要組成部分，在新能源汽車技術(shù)的發(fā)展過程中起著決定性的作用，是公認(rèn)的新能源汽車三大關(guān)鍵技術(shù)之一。動(dòng)力電池與常規(guī)電池相比，在電池特性上具有更高的要求，其單位體積或重量下的比功率與比能量應(yīng)相對(duì)較高，以滿足車輛大功率，長(zhǎng)里程行駛的需求，而這兩點(diǎn)又恰好是目前動(dòng)力電池技術(shù)所面臨的難點(diǎn)問題。關(guān)鍵詞：新能源汽車；動(dòng)力電池；鋰電池一、動(dòng)力電池類型作為汽車用動(dòng)力電池需要具有以下特性：高的比能量和能量密度；高的比功率和功率密度；快速充電和深度放電的能力；使用壽命長(zhǎng)；自放電率小，充電效率高；安全性能良好，且成本低廉；免維修；對(duì)環(huán)境無(wú)危害，可回收性好?；谄噭?dòng)力電池的上述特性要求，目前，可用于汽車的動(dòng)力電池主要包括：鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池。鉛酸電池具有開路電壓高、低成本、使用可靠、大電流放電性能良好、原材料豐富及鉛回收率高等優(yōu)點(diǎn)，其在電動(dòng)車上已得到廣泛的應(yīng)用，目前在純電動(dòng)車上應(yīng)用的電池主要是鉛酸電池，缺點(diǎn)是污染嚴(yán)重，而且質(zhì)量比能量和體積比能量低。鎳氫電池技術(shù)成熟，耐過充和過放電、安全性較好、具有高能量和高功率的特性，缺點(diǎn)是鎳氫電池的物質(zhì)"活性〃較強(qiáng)、容易外逸、封裝技術(shù)要求很高，同時(shí)鎳氫電池在高溫條件下，充放電效率較低，副反應(yīng)較大，嚴(yán)重影響電池的續(xù)駛里程。鋰離子電池以其高比能量，自放電少，循環(huán)壽命長(zhǎng)，無(wú)記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等特點(diǎn)備受關(guān)注。二、鉛酸電池鉛酸電池誕生于1860年，距今已有100多年的發(fā)展歷史，廣泛用于內(nèi)燃機(jī)汽車的起動(dòng)動(dòng)力源。它是成熟電動(dòng)汽車蓄電池，也是目前唯一能大量生產(chǎn)供應(yīng)的電動(dòng)汽車電池。現(xiàn)在電動(dòng)汽車上應(yīng)用的鉛酸蓄電池一般是采用金屬鉛作為負(fù)極,二氧化鉛作為正極，用硫酸作為電解液。放電時(shí)，鉛和二氧化鉛都與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛，充電時(shí)反應(yīng)過程正好相反。目前，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車的新一代閥控式密封鉛酸蓄電池不須維護(hù)，允許深度放電，可循環(huán)使用，其可靠性好，原材料容易得到價(jià)格便宜，比功率基本上能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求。然而VRLA依舊有著鉛酸蓄電池比能量和比功率低的致命弱點(diǎn)，導(dǎo)致一次充電的行駛里程短，并且質(zhì)量和體積較大，增加了汽車的自重和自身功率消耗。另外鉛酸電池的使用壽命短。目前認(rèn)為，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）在輕度混合電動(dòng)汽車中是有應(yīng)用前景的，因其技術(shù)成熟，性能可靠，使用成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鎳氫電池和鋰離子電池等高能電池，所以還會(huì)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)仍是電動(dòng)汽車中最可能廣泛使用的能源。鉛酸電池作為電動(dòng)汽車電池的未來(lái)研究重點(diǎn)是解決比能量低的問題，以及高倍率部分荷電狀態(tài)時(shí)壽命嚴(yán)重縮短的問題。由于新型電池、新技術(shù)日新月異的出現(xiàn)，必將有性能、成本等更適合的電動(dòng)汽車商業(yè)化的電池取代鉛酸電池的地位。在某種程度上，鉛酸電池時(shí)代可以稱得上是電動(dòng)汽車用電源的起步和過渡階段。三、鎳氫電池早在20世紀(jì)30年代，鎳基電池技術(shù)就已經(jīng)出現(xiàn)，到了20世紀(jì)70年代末期由于電動(dòng)汽車工業(yè)的復(fù)蘇，使得鎳基電池快速的發(fā)展起來(lái)。最早應(yīng)用的是鎳鎘電池，而后出現(xiàn)了鎳鋅電池和鎳氫電池。鎳氫電池相對(duì)于鎳鎘電池，比能量較高，并對(duì)環(huán)境無(wú)污染，鎳鋅電池由于容易快速產(chǎn)生枝晶而導(dǎo)致壽命縮短。鎳氫電池被認(rèn)為是滿足電動(dòng)汽車使用近期目標(biāo)的電池，同時(shí)也是一種新型綠色電池，相當(dāng)多的電池生產(chǎn)廠家都致力于它的研發(fā)。鎳氫電池的材料構(gòu)成主要由電極材料、電解液、金屬材料及隔膜組成。正負(fù)極及電解液材料上的差異使電池有不同的性能。目前正極材料多用高密度氫氧化鎳，負(fù)極材料為儲(chǔ)氫合金粉。相對(duì)于其他電池，鎳氫電池的優(yōu)異特性表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）高比能量（衡量電動(dòng)車一次充電行駛里程）已與鋰離子電池水平相當(dāng)；（2）高比功率（賦予電動(dòng)車良好的啟動(dòng)、加速、爬坡性能）其性能已高于鋰離子電池；（3）長(zhǎng)壽命特性（賦予電池良好的經(jīng)濟(jì)性）平均壽命300?600次；（4）安全性能高，無(wú)污染物，被譽(yù)為"綠色電源”。但是，鎳氫電池的廣泛應(yīng)用受限的原因是其在低溫時(shí)容量減小和高溫時(shí)充電耐受性的限制；此外，價(jià)格也是制約鎳氫電池發(fā)展的主要因素，原材料如金屬鎳非常昂貴。而且還有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題，充電發(fā)熱會(huì)引發(fā)安全問題，因此相應(yīng)的要求發(fā)展可靠的能量管理系統(tǒng)。四、鋰離子電池鋰離子電池出現(xiàn)在90年代初期，是由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池，由于它的獨(dú)特性能，在短短十幾年的時(shí)間里，鋰離子電池技術(shù)得到了空前的發(fā)展。鋰離子電池使用鋰碳化合物作負(fù)極，鋰化過渡金屬氧化物作正極，液體有機(jī)溶液或固體聚合物作為電解液。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極釋放到電解質(zhì)中，這個(gè)過程是脫嵌，負(fù)極從電解質(zhì)中吸入鋰離子，這個(gè)過程是嵌入，當(dāng)電池放電時(shí)發(fā)生與上述相反的過程，由于鋰離子電池正負(fù)極材料都用層間化合物，所以在正常充放電時(shí)，鋰離子在層狀機(jī)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)構(gòu)的氧化物的層間嵌入和脫出，只引起層間距的變化，不會(huì)引起晶體結(jié)構(gòu)的破壞，所以伴隨著充、放電的進(jìn)行，正負(fù)極材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，因此從充、放電反應(yīng)的可逆性看，鋰離子電池反應(yīng)是一種理想的可逆反應(yīng)，稱之為"搖椅式〃鋰離子電池體系。鋰離子電池單體電池工作電壓高，這樣組成電池組時(shí)一致性要求相對(duì)鉛酸電池和鎳氫電池就比較低，可以提高其使用壽命。重量輕、比能量大，使得整車質(zhì)量減小且行駛里程增加。同等容量下體積更小，使得應(yīng)用范圍大大增加。循環(huán)壽命長(zhǎng)，可達(dá)鉛酸電池的2?3倍。自放電率低，每月不到5%。允許的工作范圍寬、低溫特性好、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染，這樣就使得鋰離子電池在電動(dòng)汽車上得到廣泛的應(yīng)用。鋰離子電池的發(fā)展呈現(xiàn)出多方向并舉的局面。發(fā)展方向的不同主要在于所采用的正極材料的不同，因?yàn)檎龢O材料的性能將很大程度地影響電池的性能，同時(shí)正極材料也直接決定電池成本的高低，應(yīng)該說是鋰離子電池的正極材料的發(fā)展引領(lǐng)了鋰離子電池的發(fā)展。目前已批量應(yīng)用于鋰電池的正極材料主要有鉆酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰以及磷酸鐵鋰。但由于鉆金屬儲(chǔ)量少、價(jià)格昂貴，因此成本高，而且作為動(dòng)力電池其安全也存在問題，目前應(yīng)用最為廣泛的是錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池。用于鋰離子電池正極材料的錳酸鋰具有尖晶石結(jié)構(gòu)。其理論容量為148mAh/g，實(shí)際容量為90?120mAh/g。工作電壓范圍為3?4V。該正極材料的主要優(yōu)點(diǎn)為：錳資源豐富、價(jià)格便宜、安全性高、比較容易制備。缺點(diǎn)是理論容量不高；材料在電解質(zhì)中會(huì)緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；在深度充放電的過程中，材料容易發(fā)生晶格崎變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫度下使用時(shí)更是如此。近年新發(fā)展起來(lái)了一種層狀結(jié)構(gòu)的三價(jià)錳氧化物L(fēng)iMnO2。試驗(yàn)表明，用LiMnO2作正極材料理論容量和實(shí)際容量都得到提高，而且有效地解決了上述部分問題，但LiMnO2也存在較高工作溫度下的溶解問題。解決的辦法是對(duì)LiMnO2進(jìn)行摻雜和表面修飾，目前已經(jīng)取得可喜進(jìn)展。磷酸鐵鋰具有橄欖石晶體結(jié)構(gòu)，其理論容量為170mAh/g，在沒有摻雜改性時(shí)其實(shí)際容量已高達(dá)110mAh/g。通過對(duì)磷酸鐵鋰進(jìn)行表面修飾，其實(shí)際容量可高達(dá)165mAh/g，已經(jīng)非常接近理論容量，工作電