【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(lái)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(shí)滿足要求，似乎是對(duì)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(qǐng)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(kāi)這兩個(gè)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(zhǎng)、幾起幾落，但其特有的高效率、較長(zhǎng)的供電時(shí)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(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電源發(fā)展的終極目標(biāo)。 但從目前來(lái)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(lái)源和儲(chǔ)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(jì)算，我國(guó)年產(chǎn) 4噸的鉑只夠解決 80萬(wàn)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(chǎng)板，提高系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間（＞ 5000h），建立高可靠性氫源儲(chǔ)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(dòng)車低端市場(chǎng)占有較大的份額，鎳氫電池在電動(dòng)車領(lǐng)域?qū)儆谖磥?lái) 3~5年的過(guò)渡產(chǎn)品，動(dòng)力鋰離子電池將在 2~3年后初步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，而燃料電池 4 的商品化應(yīng)用估計(jì)還需要 10年乃至 15年以上的時(shí)間。 3 電動(dòng)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(dòng)三輪車時(shí)，使用的是鉛酸電池。目前，仍有不少混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車采用新一代鉛酸電池。鉛蓄電池內(nèi)的陽(yáng)極 (PbO2) 及陰極 (Pb) 浸到電解液 (稀硫酸 ) 中 ，兩極間會(huì)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(yáng)極及電解液即會(huì)發(fā)生如下的變化： (陽(yáng)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(guò)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(zhǎng)，也是最成熟、成本售價(jià)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(wèn)題是其一次充電的行程短。近期開(kāi)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(dòng)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(guò)程中的歐姆熱，延長(zhǎng)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(shuō)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(guò)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(jì)為以負(fù)極板容量相對(duì)于正極板過(guò)剩。 （ 3） 電池為貧液設(shè)計(jì)。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(shí)排氣閥打開(kāi)排出氣體。經(jīng)過(guò)技術(shù)改進(jìn)的 VRLA蓄 電池具有這樣一些新功能：無(wú)酸霧逸出；無(wú)需定期進(jìn)行補(bǔ)水；比能量大；自放電小；浮充壽命長(zhǎng)。 從這些新性能可以看出來(lái)， VRLA蓄電池的薄板設(shè)計(jì)和低阻抗可以更好地符合混合動(dòng)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(lái)的一種新型綠色電池，具有高能量、長(zhǎng)壽命、無(wú)污染等特點(diǎn)，因而成為世界各國(guó)競(jìng)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(wú)紡布或尼龍無(wú)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(shí) 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(shí)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(gè)單元電池的電壓來(lái)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(gè)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(gè)電池組合時(shí)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(shí)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(shí)是無(wú)法避免的。鋰電池相 對(duì)而言因?yàn)橥耆珱](méi)有記憶效應(yīng)，在使用上非常方便簡(jiǎn)單。它完全不必理會(huì)殘余電壓多少，直接可進(jìn)行充電，充電時(shí)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(zhǎng)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(lái)做鋰離子二次電池的，現(xiàn)在主要方向是動(dòng)力電池。它的優(yōu)點(diǎn)是： （ 1） 超長(zhǎng)壽命 長(zhǎng)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(dòng)力電池，循環(huán)壽命達(dá)到 2020次以上，標(biāo)準(zhǔn)充電（ 5小時(shí)率）使用，可達(dá)到 2020次。綜合考慮，性能價(jià)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(wèn)題，鈷酸鋰和錳酸鋰在強(qiáng)烈的碰撞下會(huì)產(chǎn)生爆炸對(duì)消費(fèi)者的生命安全構(gòu)成威脅，而磷酸鐵鋰以經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的安全測(cè)試即使在最惡劣的交通事故中也不會(huì)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(dòng)電流可達(dá) 2C，而鉛酸電池現(xiàn)在無(wú)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(wú)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(huì)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(wú)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(wú)毒（ SGS認(rèn)證通過(guò)），無(wú)污染，符合歐洲 RoHS規(guī)定，為絕對(duì)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(shì)。采用磷酸鐵鋰電池的電動(dòng)汽車種類很多，無(wú)論純電動(dòng)汽車，還是混合動(dòng)力汽車。具有代表性的電動(dòng)汽車生產(chǎn)企業(yè)包括深圳比亞迪汽車和萬(wàn)向電動(dòng)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(guó)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(jià)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(chǔ)會(huì)產(chǎn)生容量衰減，特別是在高溫下儲(chǔ)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(guò)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