動力電池的發(fā)展

動力電池的發(fā)展摘要：動力電池作為以電力為動力源的新能源汽車的重要組成部分，在新能源汽車技術的發(fā)展過程中起著決定性的作用，是公認的新能源汽車三大關鍵技術之一。動力電池與常規(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相對較高，以滿足車輛大功率，長里程行駛的需求，而這兩點又恰好是目前動力電池技術所面臨的難點問題。關鍵詞：新能源汽車；動力電池；鋰電池一、動力電池類型作為汽車用動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；自放電率小，充電效率高；安全性能良好，且成本低廉；免維修；對環(huán)境無危害，可回收性好?；谄噭恿﹄姵氐纳鲜鎏匦砸?，目前，可用于汽車的動力電池主要包括：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，其在電動車上已得到廣泛的應用，目前在純電動車上應用的電池主要是鉛酸電池，缺點是污染嚴重，而且質量比能量和體積比能量低。鎳氫電池技術成熟，耐過充和過放電、安全性較好、具有高能量和高功率的特性，缺點是鎳氫電池的物質"活性〃較強、容易外逸、封裝技術要求很高，同時鎳氫電池在高溫條件下，充放電效率較低，副反應較大，嚴重影響電池的續(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，無記憶效應和綠色環(huán)保等特點備受關注。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，廣泛用于內燃機汽車的起動動力源。它是成熟電動汽車蓄電池，也是目前唯一能大量生產供應的電動汽車電池?，F在電動汽車上應用的鉛酸蓄電池一般是采用金屬鉛作為負極,二氧化鉛作為正極，用硫酸作為電解液。放電時，鉛和二氧化鉛都與電解液反應生成硫酸鉛，充電時反應過程正好相反。目前，廣泛應用于電動汽車的新一代閥控式密封鉛酸蓄電池不須維護，允許深度放電，可循環(huán)使用，其可靠性好，原材料容易得到價格便宜，比功率基本上能滿足電動汽車的動力性要求。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，導致一次充電的行駛里程短，并且質量和體積較大，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。目前認為，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）在輕度混合電動汽車中是有應用前景的，因其技術成熟，性能可靠，使用成本遠遠低于鎳氫電池和鋰離子電池等高能電池，所以還會在很長一段時間內仍是電動汽車中最可能廣泛使用的能源。鉛酸電池作為電動汽車電池的未來研究重點是解決比能量低的問題，以及高倍率部分荷電狀態(tài)時壽命嚴重縮短的問題。由于新型電池、新技術日新月異的出現，必將有性能、成本等更適合的電動汽車商業(yè)化的電池取代鉛酸電池的地位。在某種程度上，鉛酸電池時代可以稱得上是電動汽車用電源的起步和過渡階段。三、鎳氫電池早在20世紀30年代，鎳基電池技術就已經出現，到了20世紀70年代末期由于電動汽車工業(yè)的復蘇，使得鎳基電池快速的發(fā)展起來。最早應用的是鎳鎘電池，而后出現了鎳鋅電池和鎳氫電池。鎳氫電池相對于鎳鎘電池，比能量較高，并對環(huán)境無污染，鎳鋅電池由于容易快速產生枝晶而導致壽命縮短。鎳氫電池被認為是滿足電動汽車使用近期目標的電池，同時也是一種新型綠色電池，相當多的電池生產廠家都致力于它的研發(fā)。鎳氫電池的材料構成主要由電極材料、電解液、金屬材料及隔膜組成。正負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，負極材料為儲氫合金粉。相對于其他電池，鎳氫電池的優(yōu)異特性表現在以下幾點：（1）高比能量（衡量電動車一次充電行駛里程）已與鋰離子電池水平相當；（2）高比功率（賦予電動車良好的啟動、加速、爬坡性能）其性能已高于鋰離子電池；（3）長壽命特性（賦予電池良好的經濟性）平均壽命300?600次；（4）安全性能高，無污染物，被譽為"綠色電源”。但是，鎳氫電池的廣泛應用受限的原因是其在低溫時容量減小和高溫時充電耐受性的限制；此外，價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。而且還有記憶效應和充電發(fā)熱等問題，充電發(fā)熱會引發(fā)安全問題，因此相應的要求發(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在90年代初期，是由日本索尼公司首先推向市場的新型高能蓄電池，由于它的獨特性能，在短短十幾年的時間里，鋰離子電池技術得到了空前的發(fā)展。鋰離子電池使用鋰碳化合物作負極，鋰化過渡金屬氧化物作正極，液體有機溶液或固體聚合物作為電解液。當電池充電時，鋰離子從正極釋放到電解質中，這個過程是脫嵌，負極從電解質中吸入鋰離子，這個過程是嵌入，當電池放電時發(fā)生與上述相反的過程，由于鋰離子電池正負極材料都用層間化合物，所以在正常充放電時，鋰離子在層狀機構的碳材料和層狀結構的氧化物的層間嵌入和脫出，只引起層間距的變化，不會引起晶體結構的破壞，所以伴隨著充、放電的進行，正負極材料的化學結構基本不變，因此從充、放電反應的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應，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，這樣組成電池組時一致性要求相對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，使得整車質量減小且行駛里程增加。同等容量下體積更小，使得應用范圍大大增加。循環(huán)壽命長，可達鉛酸電池的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、無記憶效應、無污染，這樣就使得鋰離子電池在電動汽車上得到廣泛的應用。鋰離子電池的發(fā)展呈現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，因為正極材料的性能將很大程度地影響電池的性能，同時正極材料也直接決定電池成本的高低，應該說是鋰離子電池的正極材料的發(fā)展引領了鋰離子電池的發(fā)展。目前已批量應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。但由于鉆金屬儲量少、價格昂貴，因此成本高，而且作為動力電池其安全也存在問題，目前應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構。其理論容量為148mAh/g，實際容量為90?120mAh/g。工作電壓范圍為3?4V。該正極材料的主要優(yōu)點為：錳資源豐富、價格便宜、安全性高、比較容易制備。缺點是理論容量不高；材料在電解質中會緩慢溶解，即與電解質的相容性不太好；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更是如此。近年新發(fā)展起來了一種層狀結構的三價錳氧化物LiMnO2。試驗表明，用LiMnO2作正極材料理論容量和實際容量都得到提高，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LiMnO2進行摻雜和表面修飾，目前已經取得可喜進展。磷酸鐵鋰具有橄欖石晶體結構，其理論容量為170mAh/g，在沒有摻雜改性時其實際容量已高達110mAh/g。通過對磷酸鐵鋰進行表面修飾，其實際容量可高達165mAh/g，已經非常接近理論容量，工作電