【文章內(nèi)容簡介】 功率型鋰離子電池的比功率從早期的 800~1000W/kg已發(fā)展到現(xiàn)在的 1800W/kg以上， 100%DOD循環(huán)壽命從 400次左右提高現(xiàn)在的 2020次以上，安全性能也得到大幅度提升。 從以錳酸鋰和磷酸鐵鋰 為正極材料的單體電池特性來看，其比功率、比能量、安全性等指標(biāo)均能夠滿足整車要求，但是系統(tǒng)內(nèi)單體電池的一致性，系統(tǒng)整體的安全性、循環(huán)壽命等指標(biāo)能否在大批量生產(chǎn)時滿足要求，似乎是對電池企業(yè)的重要考驗(yàn)。 另外，由于加拿大魁北克水電公司在華申請的磷酸鐵鋰材料的專利均已授權(quán)，這將成為制約磷酸鐵鋰電池發(fā)展的最大障礙。因此，如何進(jìn)一步研制新型鋰離子電池正極材料，繞開這兩個專利的制約，將是擺在電池企業(yè)、相關(guān)研制單位面前的重大課題[4]。 燃料電池 燃料電池的發(fā)展源遠(yuǎn)流長、幾起幾落，但其特有的高效率、較長的供電時間、 低噪聲及不產(chǎn)生有害排放物等優(yōu)點(diǎn)將使其成為電動汽車驅(qū)動電源發(fā)展的終極目標(biāo)。 但從目前來看，燃料電池汽車總體上仍處于研發(fā)階段，近期、中期不可能大發(fā)展；主要原因是成本高昂，系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)困難，運(yùn)行壽命短（＜ 3000h），氫的來源和儲運(yùn)困難，加氫站等基礎(chǔ)設(shè)施基本空白，鉑的資源匱乏（以每輛車 20g鉑計算，我國年產(chǎn) 4噸的鉑只夠解決 80萬輛燃料電池車）。 因此，盡快研發(fā)替代鉑的催化劑，研制低成本質(zhì)子交換膜和流場板，提高系統(tǒng)的運(yùn)行時間（＞ 5000h），建立高可靠性氫源儲運(yùn)和再生系統(tǒng)將是燃料電池車發(fā)展的前提和保障。 總之，鉛 蓄電池將在電動車低端市場占有較大的份額，鎳氫電池在電動車領(lǐng)域?qū)儆谖磥?3~5年的過渡產(chǎn)品，動力鋰離子電池將在 2~3年后初步實(shí)現(xiàn)規(guī)?；剂想姵?4 的商品化應(yīng)用估計還需要 10年乃至 15年以上的時間。 3 電動汽車的電池技術(shù) 鉛蓄電池的工作原理和特點(diǎn) 鉛蓄電池的工作原理 1881 年特魯夫（ Gustave Trouve）制造出世界上第一輛電動三輪車時，使用的是鉛酸電池。目前，仍有不少混合動力汽車和純電動汽車采用新一代鉛酸電池。鉛蓄電池內(nèi)的陽極 (PbO2) 及陰極 (Pb) 浸到電解液 (稀硫酸 ) 中 ，兩極間會產(chǎn)生 2V 的電力，這是根據(jù)鉛蓄電池原理，經(jīng)由充放電，則陰陽極及電解液即會發(fā)生如下的變化： (陽極 ) (電解液 ) (陰極 ) 2 2 4 4 2 422P bO H SO P b P bSO H O P bSO? ? ? ? ? (放電反應(yīng) ) (過氧化鉛 ) (硫酸 ) (海綿狀鉛 ) 鉛蓄電池的特點(diǎn) 鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長，也是最成熟、成本售價最低廉的蓄電池。它已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)，但比能量低，自放電率高，循環(huán)壽命低。當(dāng)前存在的主要問題是其一次充電的行程短。近期開發(fā)的第 3代圓柱型密封鉛酸蓄電池和第 4代 TMF(箔式卷狀電極 ) 密封鉛酸蓄電池已經(jīng)應(yīng)用于 EV和 HEV電動汽車上。尤其是第 3代 VRLA蓄電池低阻抗優(yōu)點(diǎn)可以控制快速充電過程中的歐姆熱，延長電池的壽命。 VRLA蓄電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用性能這里所說的 VRLA蓄電池指的是貧液式 (AGM)電池，具有下列結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ： （ 1） 用新板柵材料，負(fù)極板柵采用鉛一鈣合金，以提高析氫過電位，正極板柵用鉛基多元合金，用于改善點(diǎn)特性。 （ 2） 改變正、負(fù)極板活性物質(zhì)電化當(dāng)量配比，設(shè)計為以負(fù)極板容量相對于正極板過剩。 （ 3） 電池為貧液設(shè)計。電池蓋上裝單向節(jié)流閥，使電池處于密封狀態(tài)，遇到異常情況時排氣閥打開排出氣體。經(jīng)過技術(shù)改進(jìn)的 VRLA蓄 電池具有這樣一些新功能：無酸霧逸出；無需定期進(jìn)行補(bǔ)水；比能量大；自放電?。桓〕鋲勖L。 從這些新性能可以看出來， VRLA蓄電池的薄板設(shè)計和低阻抗可以更好地符合混合動力汽車操作要求 [5]。 5 鎳氫電池的工作原理和特點(diǎn) 鎳氫電池的工作原理 鎳氫電池是 20世紀(jì) 90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(diǎn)，因而成為世界各國競相發(fā)展的高科技產(chǎn)品之一。鎳氫電池 NiMH電池正極板材料為 NiOOH，負(fù)極板材料為吸氫合金。電解液通常用 30％的 KOH 水溶液，并加入少量的 NiOH。隔膜 采用多孔維尼綸無紡布或尼龍無紡布等。 NiMH 電池有圓柱形和方形兩種。主要為 KOH作電解液（電解質(zhì) 7moL/LKOH+15g/LLiOH） 充電時 正極反應(yīng)： 22()Ni O H O H Ni O O H H O e??? ? ? ? 負(fù)極反應(yīng)： 2M H O e M H O H??? ? ? ? 總反應(yīng)： 2()M Ni O H M H Ni O O H? ? ? 放電時反應(yīng)相反 鎳氫電池能量密度為 70Wh/kg，功率密度為 200W/kg，極限循環(huán) 1500次。 鎳氫電池的特點(diǎn) 重量方面： 以每一個單元電池的電壓來看，鎳氫與鎳鎘都是 ，而鋰電池確為 ，鋰電池的電壓是其它兩者的 3倍。并且同型電池的重量鋰電池與鎳鎘電池幾乎相等，而鎳氫電池卻比較重。可知，每一個電池本身重量不同，但鋰電池因 ，在輸出同等電壓的情況下使單個電池組合時數(shù)目可減少 1/3而使成型后的電池重量和體積減小 [6]。 記憶效應(yīng)： 鎳氫電池與鎳鎘電池相同都有記憶效應(yīng)。因此，定期的放電管理也是必需的。這種定期放電管理屬于模糊狀態(tài)下被處理，甚至也有些在不正確的知識下進(jìn)行放電（每次放電或者使用幾次后進(jìn)行放電都因公司的不同而有所差異）這種煩瑣的放電管理在使用鎳氫電池時是無法避免的。鋰電池相 對而言因?yàn)橥耆珱]有記憶效應(yīng)，在使用上非常方便簡單。它完全不必理會殘余電壓多少，直接可進(jìn)行充電，充電時間自然可以縮短。 自放電率： 鎳鎘電池為 15%～ 30%（月）。鎳氫電池為 25%～ 35%（月），鋰電池為 2%～ 5% 6 （月）。以上鎳氫電池的自放電率為最大，而鋰電池的特長與其它兩類電池相比放電率極低。 二次鋰電池 磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰電池是用來做鋰離子二次電池的，現(xiàn)在主要方向是動力電池。它的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 超長壽命 長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在 300次左右， 最高也就 500次， 而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達(dá)到 2020次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（ 5小時率）使用，可達(dá)到 2020次。綜合考慮，性能價格比將為鉛酸電池的 4倍以上。 （ 2） 使用安全 磷酸鐵鋰完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強(qiáng)烈的碰撞下會產(chǎn)生爆炸對消費(fèi)者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過嚴(yán)格的安全測試即使在最惡劣的交通事故中也不會產(chǎn)生爆炸。 （ 3） 可大電流快速放電 可大電流 2C 快速充放電，在專用充電器下， 40min內(nèi)即可使電池充滿，起動電流可達(dá) 2C，而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。 （ 4） 耐高溫 磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá) 350℃ ～ 500℃ 而錳酸鋰和鈷酸鋰只在 200℃ 左右。工作溫度范圍寬廣（ 20℃ ～ 75℃ ），有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá) 350℃ ～ 500℃ 而錳酸鋰和鈷酸鋰只在 200℃ 左右。 （ 5） 無記憶效應(yīng) 可充電池在經(jīng)常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性，而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象，電池?zé)o論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。 （ 6） 體積小、重量輕 同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的 2/3重量是鉛酸電池 1/3。 （ 7） 綠色環(huán)保 磷酸鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無毒（ SGS認(rèn)證通過），無污染，符合歐洲 RoHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池。磷酸鐵鋰電池也有缺點(diǎn)，例如磷酸鐵鋰正極材料的振實(shí)密度較小，等容量的磷酸鐵鋰電池的體積要 7 大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢。采用磷酸鐵鋰電池的電動汽車種類很多，無論純電動汽車，還是混合動力汽車。具有代表性的電動汽車生產(chǎn)企業(yè)包括深圳比亞迪汽車和萬向電動汽車有限公司。 錳酸鋰主要為尖晶石型錳酸鋰尖晶石型錳酸鋰 LiMn2O4是 Hunter 在 1981 年首先制得的具有三維鋰離子通道的正極材料，至今一直受到國內(nèi)外很多學(xué)者及研究人員的極大關(guān)注，它作為電極材料具有價格低、電位高、環(huán)境友好、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，是最有希望取代鈷酸鋰 LiCoO2成為新一代鋰離子電池的正極材料。 LiMn2O4正極材料的缺點(diǎn)： （ 1）循環(huán)壽命低，特別在高溫條件下（ 55℃ ～ 60℃ ）； （ 2）存儲會產(chǎn)生容量衰減，特別是在高溫下儲存； （ 3）容量低，不適合手機(jī)和筆記本電池的要求； （ 4）在循環(huán)過程中，容量常發(fā)生快速衰減。 錳酸鋰電池同磷酸鐵鋰電池電池一樣運(yùn)用