新能源電動汽車電池技術探析

姬超

摘 要：電動汽車是最具發展潛力的新能源汽車，以電力為驅動，有著噪聲低、低排放、效率高等特點，應用前景廣闊。本文圍繞新能源電動汽車對其電池技術進行了討論。

關鍵詞：電動汽車；比能量；可靠性；鋰離子電池

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.17.051

0 引言

由于傳統內燃機汽車所造成的環境和能源問題愈加突出，汽車行業發展受阻。目前我國科研機構和汽車制造企業都加大了對新能源電動汽車的研發力度，以期解決現存電動汽車電池技術難題。

1 新能源電動車電池技術

根據能源供給類型的不同，電動汽車可分為純電動車、混合電動車和燃料電池電動車，且這三種電動車電池技術均面臨著技術難題，較難量產推廣。電池技術是影響新能源電動車推廣和廣泛應用的重要因素，所以迫切需要解決電池的容量和能源補充問題。

2 新能源電動車電池技術對比

（1）鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池是由浸入稀硫酸電解液的正極板（PbO2）和負極板（Pb）組成。充放電反應方程式：Pb+PbO2+2H2SO4

2PbSO4+2H2O。

該種電池的性能指標中的比能量和比功率均較低，電池的循環使用壽命也較短，充電所需時間較長，這些特點致使其在電動車領域的推廣受到很大制約。同時，該種電池技術較為成熟，可以大批量生產，其造價也低，所以這種電池也具有一定的應用空間，目前是被用于行駛里程短，重點要求較低的場合，例如目前已投入使用的電動觀光車、電動叉車、短途電動公交車等。

（2）鎳氫電池（NiMH）。由鎘鎳電池發展而來的鎳氫電池是由電解液（KOH）、堿式氧化鎳（NiOOH）組成的正極和吸氫合金（MH）組成的負極構成。充放電反應方程：NiOOH+MH?M + Ni（ OH）2。

鎳氫電池充電時間短、容量大、放電深度大，更有著耐過充和過度放電等優點，但是由于金屬鎳價格較昂貴對其在在電動車領域的推廣和應用。鎳氫電池與鋰離子電池相比，能量密度較弱但可靠性高、成本低。在不久的將來鎳氫電池會成為混合動力電動車的主流電池。

（3）燃料電池（Fuel Cell，FC）。燃料電池由正極、負極（不包含活性物質）和電解質隔膜組成。目前研究以氫燃料電池為主，充放電反應方程：2H2+O2→2H2O。

作為被汽車制造商重點投資的燃料電池，僅須補充燃料與空氣即可，并不需要充電儲能的過程。氫燃料電池不僅供電效率高、功率密度高，也有著無污染和可循環利用的優點。但是其造價太高、啟動時間過長，制造和存儲代價高且氫燃料電池加氫站的建設有著很大的難度。就目前來說，燃料電池電動車只是處于研發階段，尚存在較多技術難題，在短期內很難進行大規模的推廣?；谌剂想姵鼐G色環保的作用，燃料電池未來肯定會成為解決能源危機的動力電池，有著較為廣泛的前景。

（4）鋰離子電池。鋰離子電池主要包括正極（鋰離子金屬氧化物LiMO2構成）、負極（焦炭或石墨C構成）和有機溶液（溶有鋰鹽）。充放電反應方程：LiMO2 + nC?Li1-xMO2 + LixCn。

鋰離子電池的性能要優于前兩種電池性能，有著體積小、壽命長和自放率低的優點，鋰離子電池并不存在傳統蓄電池出現的“記憶效應”，該電池無污染，所以該種電池一直被看好，是最具有實用價值的電動車電池。但鋰離子電池在快速放電性能、價格、過放電保護方面有著不足之處。而大容量、高功率的鋰離子電池在安全方面有著一定能夠隱患，使其大規模推廣受到限制，現在主要被用于容量較小、功率較低的電動汽車的應用中。目前各國汽車生產商都在重點研究鋰離子電池技術，主要圍繞如何降低電池成本，實現快速便捷放電，確保大容量的電池安全性為研究重點。

3 鋰離子電池技術

（1）鋰離子電池材料技術。該種電池正負極材料體系很豐富。用于動力電池的NCM三元層狀正極材料，其中LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的應用比較成熟，而擁有較高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2已被批量應用。近幾年鋁摻雜的鋰鎳鈷氧電池將被用于驅動電動汽車，與錳酸鋰混合也可用于制造車用動力電池。磷酸鐵鋰電池生產已滿足客車和專用車輛的應用。用于負極的材料石墨、硬/軟碳和合金負極材料，其中石墨應用最為廣泛，無定形硬碳或軟碳與石墨混合已經逐漸被應用。鈦酸鋰負極材料倍率性和循環性佳，但比能量低、成本高，適用于大電流充電。將納米硅或硅氧化物作為負極材料已有小批量應用，但還需研究出解決因鋰嵌入硅后造成的體積膨脹導致使電池循環壽命減少問題的方法。鋰離子電池電解液中六氟磷酸鋰及其它新型鋰鹽、溶劑提純、電解液配制、功能添加劑技術不斷進步，而如何提高電池工作電壓，如何改善電池高低溫性能是現在研究方向，目前安全型離子液體電解液以及固體電解質均在研制中。聚烯烴微孔膜是現如今鋰離子電池隔膜銷售中的主要產品，而耐高溫、高電壓隔膜將會是未來的主要發展方向。

（2）單體電池技術。單體電池形狀主要有圓柱、方形金屬殼（鋁/鋼）和方形軟包散裝，而車用電池組容量大、電池數量多、管理系統復雜。目前圓柱電池技術并不能滿足車用電池需求；方形電池電芯制作方式較多（正極包膜疊片、卷繞+疊片、疊片+卷繞等），制作出的電池容量大，適用于軟極片電池（磷酸鐵鋰和三元材料的電池）。疊片式電池在各材料體系中均適用，可靠性高，與卷饒電池相比壽命較長，例如日產Leaf純電動汽車、Volt插電式混合動力汽車電池均采用疊片式。軟包電池電芯的制作則與方形金屬殼電池類似。總體來看，我國單體電池生產正在由半自動向著全自動大規模制造邁進。

（3）電池系統技術。我國動力電池系統產品存在功能簡單、數據采集可靠性較弱，SOE估算精度、熱管理、均衡、安全管理等有待提升，而核心元器件則差距大。電池系統應從結構設計優化與材料選型兩個方面入手結構抗振、抗沖擊以及輕量化集成優化設計進行研究，并從故障診斷預測、熱安全監測預警和防控三個方面進行關鍵技術的開展。

4 結語

綜上所述，對于新能源電動汽車來說鎳氫電池性能要優于鉛酸蓄電池，燃料電池和鋰離子電池比與鎳氫電池相比性能性能更佳，但都有著各自難以突破的技術難題。基于鋰離子電池各項性能和目前技術研究程度，不久的將來鋰離子電池會被廣泛應用于純電動汽車。

參考文獻：

[1]文曉明.電動汽車電池技術研究與展望[J].汽車零部件，2015.

[2]黃學杰.電動汽車動力電池技術研究進展[J].科技導報，2016.endprint