电动汽车电池
发展现状及前景
                  姓名： 缪德志
                  学号：s2*******
                  学院：野战工程学院
电动汽车电池发展现状及前景
摘要：随着世界能源短缺，全球环保意识的增强，电动汽车正在成为世界潮流。电动汽车目前发展最大的制约来源于其能量存储设备——电池。本文介绍了目前电动汽车用电池的特点及发展现状，当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括燃料电池、化学蓄电池（铅酸电池、镍金属电池、锂电池等）、超级电容和太阳能电池，并对文中所述的四种电池的发展前景进行了分析总结。
关键词：电动汽车电池；燃料电池；化学蓄电池；超级电容；太阳能电池
0.引言
电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。因为电动汽车与燃油汽车相比的三个主要制约因数：成本高、续驶里程短和充电时间长,都与能量存储技术没有突破性进展直接相关。目前各国都在加紧研究各类先进的能量存储技术，开发各种高比能量、高比功率、长循环使用寿命、价格低廉的动力电池，此外，还要具有良好的工作环境温度、自放电性、使用安全性和无污染等。当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括燃料电池、化学蓄电池（先进铅酸电池、镍金属电池、锂电池等）、超级电容和太阳能电池。下面分别将对各类电池的发展现状及前景进行介绍。
电瓶汽车1．燃料电池
1.1概述
燃料电池是一种使用燃料进行化学反应产生电能的装置，所用燃料包括纯氢气、甲醇、乙醇
、天然气以及现在运用最广泛的汽油。按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。最常见是以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，无化学危险，对环境无污染，发电后产生纯水和热，这是目前其它所有动力来源无法做到的。它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的2～3倍。
1.2特点
燃料电池以其高效、洁净、兼容可再生能源技术等特点，噪音低、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，在未来交通、运输、通讯等领域展示了广阔的应用前景。将燃料电池作为汽车的动力，已被公认为是2l世纪的必然趋势。它是人们提出的后石油时代解决移动动力源的方案之一，是实现低碳减排目标的重要能源转换技术。与其他电动汽车如二次电池为动力的纯电动汽车及混合电动汽车比较，燃料电池汽车具有续驶里程长、动力性能高等优点。
但是燃料电池的寿命较短、成本较高，另外氢源的获取也是个难题。电池汽车商业化必须解决这三大难题。
1.3 现状
初期的车用燃料电池技术仅限于满足汽车动力要求，基于商业化的预期，人们逐渐关注它的成本、寿命等问题。美国联合技术公司与美国AC Transit 运输公司合作，在加州奥克兰市成功地进行了燃料电池公交车示范运行。截止2010年6月底，其120 kW的燃料电池系统在没有更换任何部件条件下已经运行了7000 h，远超过美国能源部制定的2015年的5000 h 寿命目标。日本丰田公司十几年来也一直致力于燃料电池汽车的开发。在成本控制方面，通过技术进步，贵金属Pt 的用量降低至原来的30% ；此外，开发了2010上海世博会示范运行的燃料电池汽车等，质子交换膜的成本也有明显的下降，通过发展批量生产技术，使制造成本也得到了大幅降低。近期其高层已在公开场合宣布，2015实现燃料电池汽车零售价格为5万美元/ 辆的目标。
从全球来看，燃料电池汽车还处于实现商业化的推进阶段，需要解决来自于寿命、成本与氢源的三大挑战。由于美国UTC公司车用燃料电池运行7 000 h的标志性成果，使人们看到了燃
料电池汽车商业化的曙光，寿命问题有希望在现有材料的基础上通过系统优化与控制策略的改进得以解决。材料的创新与改进是取得燃料电池长寿命的根本性变革，但需要相对长时间的努力。氢源是燃料电池应用相关的另一热点问题，近期重点研究化石能源廉价制氢技术或工业副产氢利用技术；远期需要发展可再生能源或核能制氢技术，使之与可持续发展的低碳经济接轨。
1.4前景
氢燃料电池虽然已经有应用，但由于液氢的体积能量密度（2.6 kW/L）相对于汽油（6 kW/L）较低，需要更大的燃料缸，制氢的成本偏高，电池膜等材料昂贵，因此氢燃料电池的推广应用还需要时间。燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。 
目前燃料电池研究与开发集中在4个方面：电解质膜、电极、燃料、系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视前三个方面的材料研究与开发。第4方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前3个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化，是解决
世界节能和环保的重要手段，受到了世界诸多国家的普遍重视。尽管目前固体氧化物燃料在应用中还存在一些问题，如电极材料、制造成本、操作温度过高等等问题，但瑕不掩瑜，加快固体氧化物燃料电池发展必然是世界能源发展的总趋势。
2 .化学蓄电池
纵观电动汽车的整个发展过程，出现过多种不同类型的汽车和电池，其中产生巨大影响并商业化使用直到现在的电动汽车电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。下文将针对这3种重要的电动汽车电池的研究和应用情况进行介绍。
2.1 铅酸蓄电池
铅酸蓄电池以氧化铅为正极板，以海绵铅为负极板，硫酸水溶液作为电解液。充放电过程依靠极板上活性物质和电解液发生化学反应来实现。铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池，主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的电源。铅酸蓄电池在过去被广泛应用，具有成熟的技术，可以大批量生产，生产成本低，价格便宜。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池至今仍作为动力源应用于旅游观光车，电动叉车或者一些短距离行驶
的公交车上。其中应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池不须维护，允许深度放电，可循环使用；然而它依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度大。它在轻度混合电动汽车中是有应用前景的，因其成本低、技术成熟、性能可靠，但不适于重度混合汽车或纯电动汽车。
2.2 镍氢电池
镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成，相对铅酸电池，镍氢电池在能量体积密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。这项技术独特的优势包括：更高的运行电压、比能量和比功率，较好的过度充放电耐受性和热性能。
镍氢电池广泛应用受限的原因是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性的限制；此外，价格也是制约镍氢电池发展的主要因素，原材料如金属镍非常昂贵。基于镍氢电池的电动汽车电池技术已表现出局限性。镍氢电池虽比铅酸电池储存更多的能量，但过放电会造成永久性损伤，荷电状态必须被限制在一个较小的范围内，电池储存的大部分能量并没有被实际使用，另外，能否准确测量镍氢电池的荷电状态直接影响其使用寿命及充放电效率。
对于镍氢电池的研究应该主要解决在实际应用中，在常温和低温的条件下，镍氢电池比功率严重下降的问题。镍氢电池存在的问题可以通过使用合适的添加剂、导电黏结剂和优化电池设计等方式予以解决，镍氢电池仍是近期和中期电动汽车使用的首选动力电池。
2.3 锂离子电池
锂离子电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属氧化物构成的阴极和电解液（有机溶剂溶解的锂盐溶液）。最常见的锂离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，以二氧化锰酸锂为阴极；轻巧结实，比能量大，单体电压约为3.7 V。
锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染。
锂离子电池可分为锂离子电池和锂聚合物电池2种。锂离子电池的阴极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，阳极材料主要有石墨、钛酸锂等。要将锂离子电池大量应用于电动汽车仍然存在问题，主要是因为多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。目前，锂离子电池以小容量、低功率电池为
主，大容量高功率的锂离子电池尚未大规模生产。此外针对电池组的电池管理系统中一些技术（如均衡充电技术）的不成熟也是锂离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一。
锂离子电池技术的先进性和在新兴关键市场（电动汽车领域）的应用，已激发全球范围内的研发热潮，因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置。目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，它具有磷氧共价键结构，使氧原子不会被释放出来，因而热稳定性和安全性较好，同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。然而在锂离子电池中，磷酸锂电池的比能量、比功率以及运行电压相对较低，在大型纯电动汽车应用方面钴酸锂和锰酸锂电池等更具优势。
2.4三种化学蓄电池性能分析比较
图1 为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）的比能量、比功率、安全性等基本性能。通过比较可以发现，目前这几种电池技术仍然没有一种能够占据每个方面性能的优势地位。这说明目前在电动汽车应用领域出现这些不同种类电池共存情况的原因，也是各种电池技术在不同程度上存在的缺陷导致电动汽车的发展受到制约而未大规模
产业化的原因。
图1 电动汽车电池性能比较
由图1 可以看出，在目前市场上的电池中，锂离子电池（锂离子电池和锂聚合物电池）除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。
2.4前景
根据前述分析，以下是对电动汽车动力电池发展的展望：
1、铅酸电池。
铅酸电池虽便宜，并在叉车、观光车或者短途公共汽车上作为动力源应用，但新一代铅酸电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸电池来驱动在高速公路上行驶的电动汽车是不实际的，但价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车（如观光车）中仍占一席之地。
2、镍氢电池。
镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点；但由于需要大量使用镍和钴其成本较高，镍钴的稀缺性会导致其大批生产和使用时价格反而会上涨。目前，它仍然大量地应用于混合动力车，随着锂离子电池的大规模生产和成本的降低，镍氢电池终将退出。镍氢电池是电动汽车过渡阶段使用的电池，但在近期和中期仍然是非常关键的动力电池之一。