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未来纯电动汽车的电池发展有哪几种

来源:  发布时间:2018-10-24   点击量:52

未来纯电动汽车的电池有两大类,蓄电池和燃料电池。蓄电池适用于纯电动汽车,包括铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池、二次锂电池、空气电池。其中,铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池出现的时间比较早,也是已经被普遍淘汰的电池种类,而如今主流的纯电动车基本上都是采用的聚合物锂电池,主要包括钴酸锂电池,如特斯拉产品;锰酸锂电池,如丰田普锐斯、日产聆风;磷酸铁锂电池,如比亚迪产品、之诺1E等。

铅酸电池是最为常用的一种新能源汽车电池。铅酸电池的极板是用铅合金制成的格栅,电解液为稀硫酸,两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后,正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅,负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时,则发生反方向的化学反应。铅酸电池的优点是放电时电动势较稳定,缺点是比能量小,对环境腐蚀性强。

镍氢电池在混合新能源车上有着广泛的应用,其有着较大的能量密度比,可以有效延长车辆的行驶时间;而且,镍氢电池放电特性平稳妥、放电曲线平滑,发热量小,但体积偏大,有污染。

锂离子电池相比铅酸电池、镍氢电池等有着工作电压高、比能量大、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等优势,因此,越来越多的汽车厂家选择采用锂离子电池作为纯电动车的动力电池。

锂离子电池中最常用的有三种,分别是钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池。钴酸锂电池效率高,放电电流大,充电速度高,重量轻;但缺点就是稳定性相对较差一些,这也是为何这种电池技术很难制造大容量的电池单元的原因。而锰酸锂电池成本略低,而且不像钴酸锂那样激进,低温性能较好,更适合寒冷地区使用,但是高温稳定性不够出色,容易鼓胀,而用循环寿命衰减较快。

磷酸铁锂电池被称为最安全的车用电池技术,这是因为相比较于钴酸锂电池和锰酸锂电池,磷酸铁锂电池的稳定性,特别是高温状态下的稳定性要安定的多,遇到意外情况时发生火灾等意外状况的几率也更小。但是磷酸铁锂电池的效率不如前述两种电池技术,存储同样能量所需要的重量大约是钴酸锂电池的两倍,也就难怪为什么这项新型电池技术难以成为高性能电动跑车的选择了。

根据现在市场上所用的电动车电池类型大致可以分为:铅酸电池,锂离子电池,镍氢电池,不过现在大量投入电动车领域的还是密闭性铅酸胶体电池,锂电池也由于它的体积小、较长的寿命以及灵活的充电方法也被广大用户看好,只是高昂的售价让很多客户敬而远之。

铅酸蓄电池的价格最低,安全性好,也最常用,中国是全世界铅酸蓄电池最大的生产国。其含污染的成分比较少,可回收性好。缺点是比容小。也就是说,在同样的容量下,电池重量和体积都大。胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类,最简单的做法,是在硫酸中添加胶凝剂,使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。广义而言,胶体电池与常规铅酸电池的区别不仅仅在于电液改为胶凝状。例如非凝固态的水性胶体,从电化学分类结构和特性看同属胶体电池。

锂离子电池的比容要好于镍氢电池,对于同样容量的铅酸蓄电池来说,锂离子电池的重量相当于一台笔记本电脑,这样老弱妇孺就都可以使用了。但是,存在爆炸和燃烧的可能性,这是与锂离子电池需要解决的问题。

镍氢电池的比容比铅酸蓄电池好很多,单体电池的寿命也比较好,其大电流充放电特性也比铅酸蓄电池好。问题是镍氢电池串连电池组的管理问题比较多,一旦发生过充电以后,就会形成单体电池隔板熔化的问题,导致整组电池迅速失效。所以,国产的镍氢电池的关键技术问题还是充电器和电池管理系统的问题,而这个问题还没有引起各个电池制造商和车厂足够的重视。所以,镍氢电池的发展收到很大的制约。

电动车电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池、聚合物锂电池、锌空电池、燃料电池等。其中蓄电池又分为阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子电池等。

现在主要的使用的有铅酸电池和锂电池,铅酸电池笨重,但是价格便宜,性能稳定,技术比较成熟的;锂电池,价格比较贵,但是使用时间较长,便携。我前年四月份从道易行商城买过一个天能的铅酸电池,现在都感觉还是不错的,电池还是要多保养的。

电动车电池是电动车上的动力来源,现在的电动车上绝大多数装的是铅酸蓄电池,铅酸蓄电池成本低,性价比高。因为这种电池能充电,可以反复使用,所以称它为“铅酸蓄电池”。

1860年,法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池,这是铅酸蓄电池的前身。、

能够被电动自行车采用的有以下四种动力蓄电池,即阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子电池。

铅酸蓄电池

铅蓄电池因其价格便宜、材料来源丰富、比功率较高、技术和制造工艺较成熟、资源回收率高等综合因素被各国各种电动车普遍采用和广泛研究。电动自行车作为省力、方便、快速、舒适、价廉、零排放的个人交通工具已被人们广泛接受,并受到国家有关部门的重视。由国务院发展研究中心、国家发改委、建设部、科技部等部委参与的《轻型电动车产业发展战略研究》课题组提出了“轻型电动车产业发展战略研究”报告。电动自行车的全国保有量已达3000万辆以上。95%以上的电动自行车都用阀控铅蓄电池。[1]

已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池,使用中不需要经常补充水分,免维护。其主要化学反应是:PbO2+2H2SO4+Pb←充电、放电→2PbSO4+2H2O

铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中,分别变成海绵状铅和氧化铅,电解液中的硫酸浓度不断变大;反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅,而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时,阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅,如果长期充电不足,则会造成硫酸铅结晶,使极板硫化,电池品质变劣;反之如果电池过度充电,阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力,使得蓄电池内压增大,导致气体外溢,电解液减少,还可能导致活性物质软化或脱落,电池寿命大大缩短。

综合性能有很大提高

近10年来,电动自行车用阀控铅蓄电池的综合性能有很大提高。以6-DZM-10电池为例。1997年,该型电池存在容量不足,2h率(5A)放电容量达不到10Ah;比能量低,2h率的比能量不到30Wh/kg;寿命短,100%放电深度的循环寿命只有50~60次(容量降到8Ah前;以下同),使用寿命只有3~5个月等问题。

到2003年,2h率(5A)放电容量达到11~13Ah;2h率比能量达到33~36Wh/kg;100%放电深度的循环寿命达到250~300次,使用寿命可达到12个月以上。电动自行车用阀控铅酸蓄电池存在的问题基本得到解决。

该类型电池的深循环寿命性能又有新的、突破性进展。主要表现为:2h率(5A)放电初始容量达到14Ah;2h率比能量达到38Wh/kg;100%放电深度的循环寿命超过400次,放出总容量为4500Ah,相应累计行驶里程约18000km(以4km/Ah计,以下同)。最高的深循环寿命超过600次,放出总容量为6151Ah,相应累计行驶里程约24600km。如果以容量低于7Ah为寿命终止标志,深循环寿命为943次循环,放出总容量为8710Ah,相应累计行驶里程约34800km。如果按深循环寿命250次或放出的总容量为2250Ah、相应累计行驶里程为9000km的电池组可保证使用1年。[1]

重视与充电器的匹配

在多年的使用实践中,电动自行车的整车厂家和蓄电池厂家都逐渐认识了蓄电池与电驱动系统相关设备之间匹配的重要性,特别是与充电器的匹配。制造质量是蓄电池质量的前提,但只有在与其相匹配的充电器一起使用才能发挥高质量蓄电池应有的优越性能,否则高质量蓄电池不能完全发挥其潜在的优越性能。[1]

不同厂家的蓄电池由于在配方、结构、酸浓度等方面的差别,其合适的充电参数是不同的。例如,我们在研究中发现,不同厂家的蓄电池在恒压阶段的充电参数可相差1.5~2.0V(对36V的电池组)。合适的充电参数基本要求是:确保电池可充满,不会因欠充电造成电池容量不正常的衰减;又要确保电池在全寿命期间不会因过充电而造成电池严重失水和产生热失控。[1]

纯电动车用铅蓄电池

早期纯电动车用的开口式铅蓄电池采用了“八·五”规划期间的研究成果,已取得了可用19个月(12万公里)的成功经验,关键是积累了控制好充电方式、放电深度、及时补水等一套系统匹配的工作经验和精心维护的经验。近年来四轮微型电动车(包括游览车、巡逻车、高尔夫球车、短距离道路车等)发展很快,车上采用的大多是开口式铅蓄电池。相应型号的电池受到蓄电池制造厂家的青睐。[1]

电动车采用的是阀控式密封铅蓄电池新产品,其性能为:3h率容量55Ah;3h率下比能量为33Wh/kg和84Wh/L;75%放电深度的循环寿命达到400次以上。相信电动自行车用的阀控铅蓄电池成功的经验可推广到纯电动车用阀控铅蓄电池,性能将会有进一步的提高。[1]

混合电动车用铅蓄电池

现在混合电动车基本分为3类:轻度混合型(即电动系统主要用于起动和回收制动能量,即将在所有汽车上推广的42V电系统属于此型)、中度混合型(即电动系统用于起动、回收制动能量和中、短距离的行驶)、重度混合型(即电动系统用于起动、回收制动能量和较长距离的行驶,也称为“Plug-in”)。[1]

在国内外文献中已明确:在轻度混合的电动汽车中,阀控铅蓄电池是有优势的,主要因其成本低,技术成熟,性能可靠;中度混合的电动汽车用的阀控铅蓄电池,ALABC(先进铅酸蓄电池联合体)正在组织研制,准备与MH-Ni蓄电池争夺中度混合电动汽车的市场,现已推出并进行了车上试验的卷绕式双极耳电池和TMF(金属薄膜)电池;在重度混合的电动汽车领域,铅蓄电池的比能量低,无法满足电动系统较长距离的行驶要求。[1]

胶体蓄电池

是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用凝胶状电解质,内部无游离的液体存在,在同等体积下电解质容量大,热容量大,热消散能力强,能避免一般蓄电池易产生的热失控现象;电解质浓度低,对极板腐蚀弱;浓度均匀,不存在酸分层的现象。

镍氢蓄电池

(Ni-MH)

镍氢蓄电池是九十年代涌现出的电池家族中新秀,发展迅猛。Ni-MH电池的电极反应为:

正极:Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H2O+e-

负极:M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab

它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池,只是以吸藏氢气的合金材料(mh)取代镍镉蓄电池中的负极材料镉cd、电动势仍为1.32v。它具备镍镉蓄电池的所有优异特性,而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是:比能量高(一次充电可行使的距离长);比功率高,在大电流工作时也能平稳放电(加速爬坡能力好);低温放电性能好;循环寿命长;安全可靠,免维护;无记忆效应;对环境不存在任何污染问题,可再生利用,符合持续发展的理念。但是,Ni-MH蓄电池成本太高,价格昂贵。

锂离子电池

锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高,是当前比能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。

锂离子电池被普遍认为具有如下的优点:比能量大;比功率高;自放电小;无记忆效应;循环特性好;可快速放电,且效率高;工作温度范围宽;无环境污染等,因此有望进入21世纪最好的动力电源行列。预计在2006~2012年期间,当锂离子电池进一步发展时,MH/Ni蓄电池的市场份额将缩小。锂离子市场份额将会扩大。已经有采用锂离子蓄电池的电动自行车产品出售。

在安全性好、循环性能好、比容量高的新型价廉正极材料发展的推动下,电动自行车用的锂离子蓄电池已接近实用。有几家已可提供较成熟的、装有电池管理系统(BMS)的电动自行车用锂离子蓄电池。也有专门生产用锂离子蓄电池的电动自行车厂家。笔者认为电动自行车用的锂离子蓄电池将是首先商业化、大批量在车上使用的动力型电池;它将是继铅蓄电池之后所占比例较大的实用化电池,也将成为用于高端电动自行车产品的电池。关于大型锂离子蓄电池在纯电动轿车和电动巴士,以及在混合电动车上试用,展览示范的已有不少报道。根据现在的锂离子蓄电池发展水平和经验,认为电动自行车用48V10Ah以下电池组的安全性是有保障的,但大型锂离子蓄电池要在商业化电动车辆上使用还要做许多艰苦的工作,其原因主要是:纯电动轿车和电动巴士,以及混合电动车上使用的电池数量多、系统复杂,安全性难度更大,对可靠性和一致性的要求更高,价格太高等。曾经报道过深圳比亚迪要在2005年提供200辆以锂离子蓄电池为动力源的电动轿车组成出租车队之事,现在已推迟到2007年了。[1]

燃料电池

燃料电池将化学能直接转换成电能供给电动机来驱动车辆。它的主要优点是:效率高,可节省燃料;零排放;噪音小等,特别适合于做车辆动力源。氢燃料电池车将是理想的、最终取代以石油产品为燃料的汽车。[1]

锌-镍蓄电池(Zn-Ni)

Zn-Ni蓄电池曾被认为是应提倡的电动车用蓄电池。从4~5年的市场筛选来看,在商业化的电动车上几乎没有使用。这主要是由于Zn-Ni蓄电池的价格贵(每VAh要2.5~4元,为铅蓄电池的4~6倍);循环过程中,初期容量衰减率大,影响了蓄电池组实际可使用的寿命。另外,锂离子蓄电池的迅速发展和价格降低,使Zn-Ni蓄电池在电动车上应用更加缺乏竞争力。[1]

锌空气电池

锌空电池是金属-空气电池的一种,属于半燃料电池范畴。它有比能量高、原材料丰富、价格不高、无污染等优点,被认为是电动车用电池的有竞争力的候选者。


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