新能源動力電池技術(shù)

動力電池技術(shù)動力電池系統(tǒng)是整車的能量源，為整車提供驅(qū)動電能。電池系統(tǒng)的體積、形狀和技術(shù)參數(shù)會影響電動汽車的行駛性能，是純電動汽車最重要的子系統(tǒng)之一。純電動汽車要求電動電池具有以下性能特點：1.能量密度高，以提高運行效率和續(xù)航里程。2.輸出功率密度高，以滿足駕駛性能要求。3.工作溫度范圍寬廣，以滿足夏季高溫和冬季低溫的運行需要。4.循環(huán)壽命長，保證電池的使用年限和行駛總里程。5.無記憶效應(yīng)，以滿足車輛在使用時常處于非完全放電狀態(tài)下的充電需要。6.自放電率小，滿足車輛較長時間的擱置需求。7.安全性好，可靠性高以及可循環(huán)利用。動力電池的概況汽車行業(yè)的發(fā)展是整個上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，對于新能源汽車的崛起，動力電池的核心地位越來越突出。動力電池的關(guān)鍵技術(shù)，包括材料種類、安全性、電池標準、壽命、價格成本等。動力電池的發(fā)展決定著電動汽車的發(fā)展進程。國內(nèi)動力電池發(fā)展中國2020年的基本的發(fā)展目標是，高比能量電池達到300瓦時每公斤，壽命1500次，成本8毛錢。在邁向高比能量鋰離子電池的過程中，機遇挑戰(zhàn)并存，安全問題將變得更加突出。能量比越高，挑戰(zhàn)越大?！爸袊仨氝M一步重視安全性，在安全性、耐久性、動力性三個問題中，最核心的是安全性問題”。動力電池的常用類型：目前，電動汽車、混合動力電動汽車上應(yīng)用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，正在發(fā)展的電源主要有鎳氫電池、鋰離子電池、飛輪電池及超級電容器等儲能裝置：

儲存能量、向外傳送能量和從外部吸收能量的裝置稱為儲能裝置。一般情況下，混合動力汽車或電動汽車的儲能裝置為動力電池。電動汽車使用的動力電池可以分為化學電池、物理電池和生物電池三大類。1.化學電池將化學能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。主要部分是電解質(zhì)溶液、浸在溶液中的正、負電極和連接電極的導線?；瘜W電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲備電池。1）原電池原電池是利用兩個電極之間金屬性的不同，產(chǎn)生電勢差，從而使電子的流動，產(chǎn)生電流。如圖4-1所示。又稱非蓄電池，是電化電池的一種，其電化反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，即是只能將化學能轉(zhuǎn)換為電能，簡單說就即是不能重新儲存電力，與蓄電池相對。如鋅—二氧化錳干電池、鋰錳電池、鋅空氣電池、一次鋅銀電池等。2）蓄電池蓄電池又稱二次電池，是指電池在放電后可通過充電的方法使活性物質(zhì)復原而繼續(xù)使用的電池，而這種充放電可以達數(shù)十次到上千次循環(huán)。如鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池等。3）燃料電池電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。4）儲備電池儲備電池是指電池正負極與電解質(zhì)在儲存期間不直接接觸，使用前注入電解液或者使用其它方法使電液與正負極接觸，此后電池進入待放電狀態(tài)，如鎂電池、熱電池等?；瘜W電池的其他分類方法：化學電池按電解質(zhì)分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機電解質(zhì)電池、非水無機電解質(zhì)電池、固體電解質(zhì)電池等?；瘜W電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護電池、防爆電池等?；瘜W電池按正負極材料分為鋅錳電池系列、鎳鎘鎳氫系列、鉛酸系列、鋰電池系列等。2.物理電池物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽能電池、超級電容器、飛輪電池等。太陽能電池太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”通過光電效應(yīng)或者光化學效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。3.生物電池生物電池（bio-fuelcells），是指將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置（生物質(zhì)蘊涵的能量絕大部分來自于太陽能，是綠色植物和光合細菌通過光合作用轉(zhuǎn)化而來的）。生物質(zhì)能能夠直接轉(zhuǎn)化為電能主要是因為生物體內(nèi)存在與能量代謝關(guān)系密切的氧化還原反應(yīng)。這些氧化還原反應(yīng)彼此影響，互相依存，形成網(wǎng)絡(luò)，進行生物的能量代謝。如微生物電池、酶電池、生物太陽電池等。1）微生物電池微生物電池由陽極室和陰極室組成。有一個質(zhì)子交換膜將兩極室分開?；痉磻?yīng)類型分為四步：1)在微生物的作用下，燃料發(fā)生氧化反應(yīng)，同時釋放出電子。2)介體捕獲電子并將其運送至陽極。3)電子經(jīng)外電路抵達陰極，質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜由陽極室進入陰極室。4)氧氣在陽極接收電子，發(fā)生氧化還原反應(yīng)。陽極反應(yīng)：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e陰極反應(yīng)：6O2+24H++24e-→12H2O2）酶電池酶電池通常使用葡萄糖作為反應(yīng)原料。反應(yīng)原理如下：葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和輔酶的作用下失去電子被氧化成葡萄糖酸，電子由介體運送至陽極，在經(jīng)外電路到陰極。雙氧水得到電子，并在做過的氧化酶的作用下還原成水。陽極反應(yīng)：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-陰極反應(yīng)：H2O2+2H++2e-→2H2O普遍使用的以葡萄糖為燃料的酶電池是模仿線粒體的反應(yīng)機構(gòu)而制成的，線粒體是以葡萄糖為燃料的酶電池的理想模型。動力電池的性能指標電動勢：電池的電動勢，又稱電池標準電壓或理論電壓，為電池斷路時正負兩極間的電位差。

額定電壓：開路電壓：電壓：工作電壓：終止電壓：充電電壓：動力電池的性能指標

理論容量：容量：額定容量：實際容量：比功率：電池的輸出能量是指在一定的放電條件下，電池所能作出的電功，它等于電池的放電容量和電池平均工作電壓的乘積，其單位常用瓦時(Wh)表示。比能量：比能量的物理意義是電池為單位重量或單位體積時所具有的有效電能量。它的比較電池性能優(yōu)劣的重要指標。動力電池的性能指標

貯存性能：是指電池開路時，在一定的條件下(如溫度、濕度)貯存一定時間后自放電的大小。自放電：電池經(jīng)過干貯存(不帶電解液)或濕貯存(帶電解液)一定時間后，其容量會自行降低，這個現(xiàn)象稱自放電。壽命：電池的真正壽命是指電池實際使用的時間長短。各種類型電池性能比較：電池類型比能量/(KW.h/kg)比功率/(W/kg)能量密度/(KW.h/L)功率密度/(W/L)循環(huán)壽命/次鉛酸蓄電池3513090500400-600鎳鎘蓄電池5517094278500以上鎳氫蓄電池802251434701000以上鋰離子蓄電池1002002157781200以上燃料電池50060-------------飛輪電池14800----------25年各種動力電池性能介紹：1.鉛酸蓄電池:鉛酸蓄電池特性:鉛酸蓄電池主要由正極極群、負極極群、電解液和容器組成。它的正極是PbO2，負極是金屬Pb，正負極板放在硫酸的水溶液。鉛酸蓄電池單體工作電壓2V，工作電壓范圍為1.7～2.2V,最佳放電電流為2C。鉛酸蓄電池的組成：蓄電池主要由正極板、負極板、隔板、蓄電池槽、蓄電池蓋、電解液、引出端子線、限壓閥等組成。部件名稱材料作用正極正極為鉛-銻-鈣合金欄板，內(nèi)含氧化鉛為活性物質(zhì)保證足夠的容量；使用中保持蓄電池容量，減小自放電長時間。負極負極為鉛-銻-鈣合金欄板，內(nèi)含海綿狀纖維活性物質(zhì)保證足夠的容量；使用中保持蓄電池容量，減小自放電長時間。隔板先進的多微孔AGM隔板保持電解液，防止正極與負極短路。隔板采用無紡超細玻璃纖維，在硫酸中化學性能穩(wěn)定。多孔結(jié)構(gòu)有助于保持活性物質(zhì)反應(yīng)所需的電解液防止正負極短路；保持電解液；防止活性物質(zhì)從電極表面脫落。電解液在電池的電化學反應(yīng)中，硫酸作為電解液傳導離子使電子能在電池正負極活性物質(zhì)間轉(zhuǎn)移。外殼和蓋子在沒有特別說明下，外殼和蓋子為ABS樹脂提供電池正負極組合欄板放置的空間；具有足夠的機械強度可承受電池內(nèi)部壓力。安全閥材質(zhì)為具有優(yōu)質(zhì)耐酸和抗老化的合成橡膠。帽狀閥中有氯丁二烯橡膠制成的單通道排氣閥電池內(nèi)壓高于正常壓力時釋放氣體，保持壓力正常；

阻止氧氣進入。端子根據(jù)電池的不同，正負極端子可為連接片、棒狀、螺柱或引出線。端子的密封為可靠的粘結(jié)劑密封。

密封件的顏色：紅色為正極，黑色為負極密封端子有助于大電流放電和長的使用壽命。鉛酸電池工作原理：放電過程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+4H2O+PbSO4(放電)正極電解液負極正極電解液負極充電過程：充電過程是放電過程的逆反應(yīng)，充電的生成物就是放電的反應(yīng)物。鉛酸蓄電池在充電后期和過充電時，會發(fā)生電解水的副反應(yīng)，在電極上產(chǎn)生一定量的氣體。正極:2H2O→O2+4H++4e負極:2H++2e→H2工作過程如圖所示鉛酸蓄電池的優(yōu)點1）價格低廉。原材料容易得到而且價格便宜；技術(shù)成熟；生產(chǎn)方便；產(chǎn)品一致性好。2）比功率高。鉛酸蓄電池電勢高，大電流放電性能優(yōu)良，可以滿足車輛啟動和加速的功率要求。3）浮充壽命長。其在25°C下浮充狀態(tài)使用可達20年。4）使用安全。鉛酸蓄電池易于識別電池荷電狀態(tài)，可在較寬的溫度內(nèi)使用，而且電性能穩(wěn)定可靠。5）再生率高。

鉛酸蓄電池的缺點:

1）比能量低。2）循環(huán)壽命短。循環(huán)充電次數(shù)不足300次。3）自放電，過充電時有大量氣體產(chǎn)生。4）供電不穩(wěn)定。供電強弱隨溫度而變化,冬天只能釋放一半的電量5）使用壽命短，因具有記憶效應(yīng),在電池存有殘余電量時進行充電。6）污染嚴重。2．鎳鎘、鎳氫電池鎳鎘電池雖然具有大電流放電能力強、比能量高、維護簡單等特性,但存在記憶效應(yīng)嚴重、使用壽命較短以及過度充電易發(fā)生爆炸等致命的缺點。此外,鎘是有毒的物質(zhì),一旦泄漏會污染生態(tài)環(huán)境。鎳鎘蓄電池的組成：鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負極材料為海綿狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。鎳鎘蓄電池工作原理：放電過程：負極反應(yīng)：負極上的鎘失去兩個電子后變成二價鎘離子Cd2+，然后立即與溶液中的兩個氫氧根離子OH-結(jié)合生成氫氧化鎘Cd(OH)2，沉積到負極板上。

正極反應(yīng)：正極板上的活性物質(zhì)是氫氧化鎳（NiOOH）晶體。鎳為正三價離子（Ni3+），晶格中每兩個鎳離子可從外電路獲得負極轉(zhuǎn)移出的兩個電子，生成兩個二價離子2Ni2+。與此同時，溶液中每兩個水分子電離出的兩個氫離子進入正極板，與晶格上的兩個氧負離子結(jié)合，生成兩個氫氧根離子，然后與晶格上原有的兩個氫氧根離子一起，與兩個二價鎳離子生成兩個氫氧化亞鎳晶體。鎳鎘蓄電池工作原理：充電過程：負極反應(yīng)：充電時負極板上的氫氧化鎘，先電離成鎘離子和氫氧根離子，然后鎘離子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進入溶液參與正極反應(yīng)。

正極反應(yīng)：在外電源的作用下，正極板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個二價鎳離子各失去一個電子生成三價鎳離子，同時，晶格中兩個氫氧根離子各釋放出一個氫離子，將氧負離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子結(jié)合，生成水分子。然后，兩個三價鎳離子與兩個氧負離子和剩下的二個氫氧根離子結(jié)合，生成兩個氫氧化鎳晶體。鎳鎘電池的優(yōu)點(1)其內(nèi)部抵抗力小，既內(nèi)阻很小，可提供大電流，而且放電時電壓變化很小，是一種非常理想的直流供電電池。(2)與其它類型的電池比較，鎳鎘電池可耐過充電或放過電,鎳鎘電池在長時間放置的情況下,特性也不會劣化,充分充電后可完全恢復原來的特性,。(3)由于單元電池采用金屬容器,堅固耐用。采用完全密封的方式,不會出現(xiàn)電解液泄漏現(xiàn)象,故無須補充電解液。(4)鎳鎘電池可重復500次以上的充放電，非常的經(jīng)濟鎳鎘電池的缺點(1)鎳鎘電池有記憶效應(yīng),記憶效應(yīng)使得電池的性能不能得到充分發(fā)揮.(2)使用壽命較短以及易發(fā)生爆炸等致命的缺點。(3)鎘是有毒的物質(zhì),一旦泄漏會污染生態(tài)環(huán)境。鎳氫電池鎳氫電池是二十世紀九十年代發(fā)展起來的一種新型綠色電池，具有高能量、長壽命、無污染等特點，因而成為世界各國競相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。鎳氫（Ni-MH）電池與Ni-Cd電池有許多相同的特性，但由于無鎘，因此不存在重金屬污染問題，被稱為“綠色電池”，批量生產(chǎn)的成本約為鉛酸電池的四倍。鎳氫電池（Ni-MH）的材料構(gòu)成Ni-MH電池工作原理充電時正極反應(yīng)：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-負極反應(yīng)：M+H2O+e-→MH+OH-總反應(yīng)：M+Ni(OH)2→MH+NiOOHNi-MH電池工作原理放電時正極：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-負極：MH+OH-→M+H2O+e-總反應(yīng)：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2以上式中M為儲氫合金，MH為吸附了氫原子的儲氫合金。最常用儲氫合金為LaNi5。3.鋰離子電池鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成鋰離子電池內(nèi)部主要由正極、負極、電解質(zhì)及隔膜組成，正負極及電解質(zhì)材料的不同和工藝的差異使電池具有不同的性能，目前市場上的鋰離子電池正極材料主要是鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰以及三元材料鎳鈷酸鋰，磷酸鐵鋰材料是目前最新研制的鋰離子電池正極材料；鋰離子電池負極主要是碳材料，新的負極材料有錫基、硅基、合金基材料（鈦酸鋰）等。鋰離子電池工作原理當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。當對電池進行放電時（即我們使用電池的過程），嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。鋰離子電池具有優(yōu)越的性能(1)單體電池工作電壓高達3.7V，是鎳電池的3倍，鉛酸電池的2倍。(2)質(zhì)量比能量高達150Wh/Kg，是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量鉛酸電池的四分之一。(3)體積比能量高達到400Wh/L，因此體積是相同能量鉛酸電池的二分之一到三分之一。4)循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達1000－2000次。（5）自放電率低，每月不到10%。(6)無記憶效應(yīng)，可以隨時隨地的進行充電。電池深度充放電，對電池的壽命影響不大。鋰離子電池的缺陷：(1)成本高主要是正極材料LiCoO2的價格高，但按單位瓦時的價格來計算，已經(jīng)低于鎳氫電池，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸蓄電池；(2)必須有特殊的保護電路，以防止過充。4.飛輪儲能器飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學電池的局限，用物理方法實現(xiàn)儲能。眾所周知，當飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時，它就具有一定的動能，飛輪電池正是以其動能轉(zhuǎn)換成電能的。飛輪電池的結(jié)構(gòu)與原理飛輪電池系統(tǒng)由飛輪、電動機、發(fā)電機和輸入/輸出電子裝置共同組成，飛輪儲能電池系統(tǒng)包括三個核心部分：一個飛輪，電動機—發(fā)電機和電力電子變換裝置。電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)動電動機旋轉(zhuǎn)，電動機帶動飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，將動能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。飛輪電池兼顧了化學電池、燃料電池和超導電池等儲能裝置的諸多優(yōu)點，由于技術(shù)和材料價格的限制，飛輪電池的價格相對較高，在小型場合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢。目前，飛輪電池正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，伴隨著技術(shù)和材料學的進步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。5.超級電容器超級電容器是一種電化學元件，但在其儲能的過程并不發(fā)生化學反應(yīng)，這種儲能過程是可逆的，也正因為此超級電容器可以反復充放電數(shù)十萬次。超級電容器可以被視為懸浮在電解質(zhì)中的兩個無反應(yīng)活性的多孔電極板，在極板上加電，正極板吸引電解質(zhì)中的負離子，負極板吸引正離子，實際上形成兩個容性存儲層，被分離開的正離子在負極板附近，負離子在正極板附近。超級電容的優(yōu)缺點：相比鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池，超級電容具有節(jié)能、超長使用壽命、安全、環(huán)保、寬溫度范圍、無需人工維護等優(yōu)點。由于超級電容是采用物理的方法來儲能，所以其最為重要的一個特點就是功率密度很大，我們可以將其理解為充、放電迅速且可以瞬間吸收或釋放極高的能量，這也是目前任何電池都做不到的。常見動力電池特性比較：電池種類電池特性鉛酸電池優(yōu)勢：技術(shù)成熟，可靠性高，價格便宜。劣勢：比能量較低，在過充電和過放電時，其使用壽命將顯著縮短。鋰電池優(yōu)勢：高能量密度，無污染，循環(huán)壽命高，無記憶效應(yīng)。劣勢：化學特性活潑，使用時對環(huán)境要求高，價格高。飛輪電池優(yōu)勢：用物理方法實現(xiàn)儲能。劣勢：價格昂貴，使用過程中的安全可靠性能較差。鎳氫電池優(yōu)勢：很好的耐過充電特性，良好的使用安全性和充放電效率。劣勢：價格較高。動力電池的應(yīng)用動力電池的使用1.動力電池的檢查：動力電池容量的檢查，通用的方法是采用斷開負載檢查的方式。其檢查原理是：將充電器的整流器電壓緩慢下降，一直降到動力電池組正常工作電壓以下，若這時動力電池開始放電而且能堅持所設(shè)定的一段時間，面板顯示屏上指出動力電池的實際工作曲線；若動力電池不放電，但由于整流器仍繼續(xù)向負載供電，使系統(tǒng)仍處于正常充電狀態(tài)，負載設(shè)備的工作就會受到影響，說明動力電池失效，應(yīng)做進一步地檢查或更換。2.動力電池的測試：測試動力電池的目的是確定該動力電池是否滿足使用要求，這在更換動力電池和判定原有動力電池是否失效時是必要的。對動力電池的基本要求是：滿足原來使用動力電池的端電壓動力電池應(yīng)具有在啟動放電瞬間輸出大電流的特性滿足一定容量和內(nèi)阻，以保證逆變供電的時間。主要測試項目：離線測量動力電池的端電壓：在線測量動力電池的端電壓：測量啟動瞬間輸出大電流特性：判別動力電池的內(nèi)阻和容量：動力電池的安裝：注意事項：安裝位置的選擇：盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方，避免受到陽光直射，遠離加熱器或其他輻射熱源。安裝前的檢查：應(yīng)驗證動力電池生產(chǎn)與安裝使用之間的時間間隔。若電池擱置時間較長，應(yīng)先進行充電后再使用。安裝過程的要求：動力電池應(yīng)當正立安裝放置，不可傾斜；動力電池組間應(yīng)有通風措施；不能采用新老結(jié)合的組合方式。安裝后注意事項：新電池安裝完畢要進行一次較長時間的初充電，放電終了再進行正常充電。