動力電池

蘇更林

從2014年以來，中國的新能源汽車發展進入快車道，并在2015年出現爆發式增長，無論是2015年單年銷量還是歷史累計銷量，都已經位居世界第一。2016年初，國家又確定多項支持新能源汽車的措施，其中就包括加快實現動力電池的革命性突破。

新能源車不是新事物

所謂新能源汽車，是指采用非常規的車用燃料作為動力來源。雖然新能源汽車不局限于電動汽車，但在現階段，電動汽車幾乎成了新能源汽車的代名詞。

雖然被稱為新能源汽車，但電動汽車卻并不是一個新事物，它的歷史比內燃機動力汽車更長。早在1834年，英國人托馬斯·德文波特就制造出一種蓄電池驅動的電動三輪車，但這種電池不可以充電，只能行駛不長的距離。1873年，英國人羅伯特·戴維森制作了一種實用的電動汽車，其電池為鐵、鋅、汞合金與硫酸進行反應的一次電池。1881年，法國工程師古斯塔夫·特魯夫研制成功了世界上第一輛可充電的電動三輪車，采用的是鉛酸蓄電池。

美國發明家愛迪生為了給電動汽車找到一種重量輕、壽命長、電量足和易充電的電池而付出了10年的艱苦努力，最終發明了一種由鎳、鐵和堿溶液制成的新型蓄電池。這種鐵鎳電池曾一度成為電動汽車的主要能源，使得電動汽車能與內燃機動力汽車相媲美。可惜的是，由于多方面的原因，愛迪生發明的鐵鎳電池并沒有幫助電動汽車在汽車發展史上取得決定性勝利。

動力電池比拼

我們常說的電動汽車，一般是指全部或部分由電能驅動電機作為動力系統的汽車，它包括燃料電池電動、純電動和混合動力電動三種類型。無論哪種動力來源的電動汽車，最終都要依靠電池來供電。電池是將化學能轉變為電能的裝置，所以又叫化學電池。與不能充電的一次電池不同，動力電池需是可充電的蓄電池。

衡量動力電池的主要性能指標包括比能量、比功率和使用壽命。比功率指的是電池單位質量輸出的電能，它決定了汽車的瞬間最大速度。比能量是電池的功率與電池質量之比，它決定了汽車行駛的時間長短。而使用壽命則是越長越好。

目前，在純電動汽車中，使用的是鉛酸蓄電池和鋰電池；在混合動力汽車中，使用的是鎳氫電池；在燃料電池汽車中，使用的則是質子膜交換電池。

鉛酸蓄電池是目前唯一進行大批量生產的電池，可靠性很好，比功率基本能滿足電動汽車的動力性能要求。世界上第一塊鉛酸蓄電池是1859年法國物理學家普蘭特發明的。鉛酸蓄電池是一種能實現電能和化學能互換的技術裝置，由四個主要部分組成，即電極板（陽極板與陰極板）、電解液、隔離板以及電槽。鉛酸蓄電池中最為重要的材料就是鉛極板，電解液則

是硫酸。由于鉛酸蓄電池具有良好的可逆性，電壓特性平穩，使用壽命長，并且具有材料廉價、工藝簡單、技術成熟、自放電低、免維護等特性，被廣泛用于交通運輸、通訊、電力、計算機系統等諸多領域。但鉛酸蓄電池的缺點是比能量較低，因而會加重汽車重量。

鋰電池具有體積小、比能量和比功率高、無污染環保等優點，同時它的自放電低，相對穩定。但鋰電池不能快速充電，可靠性、安全性差，成本高，技術不成熟，高溫性能差。

鎳氫電池為第二代堿性蓄電池，比能量和比功率都較高，可實現快速充電，沒有污染。但是鎳氫電池還存在自放電高、成本較高、高溫性能差等缺陷。

質子膜交換電池屬于第三代電池，其能量轉換效率高，比能量和比功率也很高，能量轉化過程可以連續進行，因此是理想的車用電池。但該電池的關鍵技術還有待進一步突破。

動力強大的“超級電池”

發展電動汽車的瓶頸在于電池，因此研制安全高效的動力電池已成為電動汽車發展的突破口。動力電池作為電動汽車能源的直接供給者，不僅決定了電動汽車的行駛里程，而且關系到電動汽車的節能、環保、安全等方面的性能。

我國科學家在研究中發現，氮原子在石墨烯中的結構不僅影響電極材料的氧化還原電位，還決定了電極材料的電容量。這一重要發現為設計高電化學活性的電極材料提供了新的思路。據悉，科學家合成的氮摻雜有序介孔石墨烯，具有非常優異的電化學儲能特性，電容量可達到855法拉/克，作為超級電容器的新型電極材料。

超級電容器是一種介于傳統電容器和電池之間的電化學儲能裝置，主要由電極、電解液、隔膜和集流體組成，其中的電極是決定超級電容器性能的核心部件。目前常用的活性炭電極，盡管比表面積大、穩定性好、功率密度高，但是電容量卻小于250法拉/克。

作為一種新型的高性能儲能器件，超級電容器不僅能滿足動力電池安全穩定快速充電的要求，還實現了峰值（啟動、爬坡、剎車等）需要的高功率輸出。其中全碳系可實現30秒充電，鎳-碳和鉛-碳系可實現半小時完成充電，充電時間是傳統電池的1/10～1/5。

我國科學家自主研制的新一代大功率石墨烯超級電容，其功率提升了3倍，性能指標居于世界領先水平。其中3伏12000法拉石墨烯活性炭復合電極超級電容和2.8伏30000法拉石墨烯納米混合型超級電容代表了目前世界超級電容單體技術的最高水平。

在世界范圍內，有科學家寄希望于用石墨烯材料攻克鋰空氣電池開發中的一些技術難題。英國科學家用石墨烯構造高度多孔、海綿狀的碳電極，并加入一些添加劑使其保持穩定的化學性能，從而解決了鋰空氣電池易爆炸的難題。還有科學家通過在碳化硅電極的表面添加石墨烯涂層，有效擴展了陽極的表面積。同時與陰極所使用的鋰鈷氧化物進行組合，從而提高了電池的能量密度和壽命。

業內人士認為，目前鋰離子電池技術發展已經遭遇到“瓶頸”，發展超級動力電池刻不容緩。新型儲能裝置超級電容代表了未來的發展趨勢，但超級電容也許不是鋰離子電池的替代品。超級電容和鋰離子電池各有長短，也許配合使用，互補不足，才更具有現實的意義。同時，開發新型超級動力電池責任重大，道路曲折，使命光榮。

【責任編輯】龐 云