電動(dòng)汽車(chē) 所用蓄電池簡(jiǎn)介

汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，推動(dòng)了全球機械、能源等工業(yè)的進(jìn)步以及經(jīng)濟、交通等方面的發(fā)展，同時(shí)也極大的方便了人們的生活。但是，傳統的內燃機汽車(chē)所固有的消耗能源、污染環(huán)境的缺陷也一直影響和困撓著(zhù)人們的生活及社會(huì )的發(fā)展，隨著(zhù)社會(huì )的進(jìn)步和科技的發(fā)展，隨著(zhù)保護環(huán)境、節約資源的呼聲日益高漲，新一代電動(dòng)汽車(chē)作為無(wú)污染、能源可多樣化配置的新型交通工具，近些年來(lái)引起了人們的普遍關(guān)注并得到了極大的發(fā)展。北京要把2008年奧運會(huì )辦成一屆綠色的奧運會(huì )，其中的一項工作就是要用環(huán)保型的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)替代目前的內燃機汽車(chē)。

電動(dòng)汽車(chē)以電力驅動(dòng)，行駛無(wú)排放（或低排放），噪音低，能量轉化效率比內燃機汽車(chē)高很多，同時(shí)電動(dòng)汽車(chē)還具有結構簡(jiǎn)單、運行費用低等優(yōu)點(diǎn)，安全性也優(yōu)于內燃機汽車(chē)。但電動(dòng)汽車(chē)目前還存在價(jià)格較高、續駛里程較短、動(dòng)力性能較差等問(wèn)題，而這些問(wèn)題都是和電源技術(shù)密切相關(guān)的，電動(dòng)汽車(chē)實(shí)用化的難點(diǎn)仍然在于電源技術(shù)，特別是電池（化學(xué)電源）技術(shù)。目前制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵因素是動(dòng)力蓄電池不理想，而開(kāi)發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的競爭，最重要的就在于開(kāi)發(fā)車(chē)載動(dòng)力電池的競爭。

電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力蓄電池與一般啟動(dòng)蓄電池不同，它是以較長(cháng)時(shí)間的中等電流持續放電為主，間或以大電流放電（起動(dòng)、加速時(shí)），并以深循環(huán)使用為主。電動(dòng)汽車(chē)對電池的基本要求可以歸納為以下幾點(diǎn)：1、高能量密度；2、高功率密度；3、較長(cháng)的循環(huán)壽命；4、較好的充放電性能；5、電池一致性好；6、價(jià)格較低；7、使用維護方便等。

當前研究開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池主要包括鉛酸電池、鎳金屬電池、鋰離子蓄電池、高溫鈉電池、金屬空氣電池、超級電容、飛輪電池以及具有更好發(fā)展遠景的燃料電池和太陽(yáng)能電池。

1、鉛酸電池

鉛酸電池已有１００多年的歷史，廣泛用作內燃機汽車(chē)的起動(dòng)動(dòng)力源，它也是成熟的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池。鉛酸電池正負電極分別為二氧化鉛和鉛，電解液為硫酸。鉛酸電池又可以分為兩類(lèi)，即注水式鉛酸電池和閥控式鉛酸電池。前者價(jià)廉，但需要經(jīng)常維護，補充電解液；后者通過(guò)安全控制閥自動(dòng)調節密封電池體內在充電或工作異常時(shí)產(chǎn)生的多余氣體，免維護，更符合電動(dòng)汽車(chē)的要求?？傮w上說(shuō)，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，比功率也基本上能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力性要求。但它有兩大缺點(diǎn)；一是比能量低，所占的質(zhì)量和體積太大，且一次充電行駛里程較短；另一個(gè)是使用壽命短，使用成本過(guò)高。由于鉛酸電池的技術(shù)比較成熟，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)后的鉛酸電池仍將是近期電動(dòng)汽車(chē)的主要電源，正在開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)用先進(jìn)鉛酸電池主要有以下幾種：水平鉛酸電池、雙極密封鉛酸電池、卷式電極鉛酸電池等。

2、鎳金屬電池

目前在電動(dòng)汽車(chē)上使用的鎳金屬電池主要有鎘鎳電池和氫鎳電池兩種。鎘鎳電池和鉛酸電池相比，能夠達到比能量55Wh/kg，比功率200W/kg，循環(huán)壽命2000次，而且可以快速充電，雖說(shuō)其價(jià)格為鉛酸蓄電池的4～5倍，但由于其在比能量和使用壽命方面的優(yōu)勢，因此其長(cháng)期的實(shí)際使用成本并不高。但由于其含有重金屬鎘，在使用中不注意回收的話(huà)，就會(huì )形成環(huán)境污染，目前許多發(fā)達國家都已限制發(fā)展和使用鎘鎳電池。而氫鎳電池則是一種綠色鎳金屬電池，它的正負極分別為鎳氫氧化物和儲氫合金材料，不存在重金屬污染問(wèn)題，且其在工作過(guò)程中不會(huì )出現電解液增減現象，電池可以實(shí)現密封設計。鎳氫電池在比能量、比功率及循環(huán)壽命等方面都比鎘鎳電池有所提高，使用氫鎳電池的電動(dòng)汽車(chē)一次充電后的續駛里程曾經(jīng)達到過(guò)600公里，目前在歐美已實(shí)現了批量生產(chǎn)和使用。氫鎳電池就其工作原理和特點(diǎn)是適合電動(dòng)汽車(chē)使用的，它已被列為近期和中期電動(dòng)汽車(chē)用首選動(dòng)力電池，但其還存在價(jià)格太高，均勻性較差（特別是在高速率、深放電下電池之間的容量和電壓差較大），自放電率較高，性能水平和現實(shí)要求還有差距等問(wèn)題，這些問(wèn)題都影響著(zhù)氫鎳電池在電動(dòng)汽車(chē)上的廣泛使用。

3、鋰離子蓄電池

鋰離子蓄電池是90年代發(fā)展起來(lái)的高容量可充電電池，能夠比氫鎳電池存儲更多的能量，比能量大，循環(huán)壽命長(cháng)，自放電率小，無(wú)記憶效應和環(huán)境污染，是當今各國能量存儲技術(shù)研究的熱點(diǎn)，主要集中在大容量、長(cháng)壽命和安全性三個(gè)方面的研究。鋰離子蓄電池中，鋰離子在正負極材料晶格中可以自由擴散，當電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫出，嵌入到負極中，反之為放電狀態(tài)，即在電池充放電循環(huán)過(guò)程中，借助于電解液，鋰離子在電池的兩極間往復運動(dòng)以傳遞電能。鋰離子蓄電池的電極為鋰金屬氧化物和儲鋰碳材料，根據電解質(zhì)的不同，鋰離子蓄電池一般可分為鋰離子電池和鋰聚合物電池兩種。

4、 高溫鈉電池

高溫鈉電池主要包括鈉氯化鎳電池（NaNiCl2）和鈉硫蓄電池兩種。鈉氯化鎳電池是1978年發(fā)明的，其正極是固態(tài)NiCl2，負極為液態(tài)Na，電解質(zhì)為固態(tài)β-Al2O2陶瓷，充放電時(shí)鈉離子通過(guò)陶瓷電解質(zhì)在正負電極之間漂移。鈉氯化鎳電池是一種新型高能電池，它具有比能量高（超過(guò)100Wh/kg），無(wú)自放電效應，耐過(guò)充、過(guò)放電，可快速充電，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其工作溫度高（250-350℃），而且內阻與工作溫度、電流和充電狀態(tài)有關(guān)，因此需要有加熱和冷卻管理系統。而鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池，它已被美國先進(jìn)電池聯(lián)合體(USABC)列為中期發(fā)展的電動(dòng)汽車(chē)蓄電池，鈉硫蓄電池具有高的比能量，但它的峰值功率較低，而且這種電池的工作溫度近似300℃，熔融的鈉和硫有潛在的毒性，腐蝕也限制了電池的可靠性和壽命。

5、鋅空氣電池（Zinc-air）

鋅空氣電池是一種機械更換離車(chē)充電方式的高能電池，正極為Zinc，負極為Carbon（吸收空氣中的氧氣），電解液為KOH。鋅空氣電池具有高比能量（200Wh/kg），免維護、耐惡劣工作環(huán)境，清潔安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但是其具有比功率較?。?0W/kg），不能存儲再生制動(dòng)的能量，壽命較短，不能輸出大電流及難以充電等缺點(diǎn)。一般為了彌補它的不足，使用鋅空氣電池的電動(dòng)汽車(chē)還會(huì )裝有其它電池（如鎳鎘蓄電池）以幫助起動(dòng)和加速。

6、超級電容

超級電容是為了滿(mǎn)足混合電動(dòng)汽車(chē)能量和功率實(shí)時(shí)變化要求而提出的一種能量存儲裝置，它是一種電化學(xué)電容，兼具電池和傳統物理電容的優(yōu)點(diǎn)。超級電容往往和其它蓄電池聯(lián)合應用作為電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電源，可以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)對功率的要求而不降低蓄電池的性能，超級電容的使用，將減少汽車(chē)對蓄電池大電流放電的要求，達到減少蓄電池體積和延長(cháng)蓄電池壽命的目的。開(kāi)發(fā)高比能量、高比功率、長(cháng)壽命、高效率和低成本的超級電容，可以提高商業(yè)化電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性（特別是加速能力）、經(jīng)濟性和續駛里程。根據電極材料的不同，超級電容可分為碳類(lèi)超級電容（雙電層電化學(xué)電容）和金屬氧化物超級電容兩類(lèi)。

7、飛輪電池

飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池的局限，用物理方法實(shí)現儲能。飛輪電池是一種以動(dòng)能方式存儲能量的機械電池，它由電動(dòng)/發(fā)電機、功率轉換、電子控制、飛輪、磁浮軸承和真空殼體等部分組成，具有高功率比、高能量比、高效率、長(cháng)壽命和環(huán)境適應性好等優(yōu)點(diǎn)。飛輪電池中的電機，在充電時(shí)該電機以電動(dòng)機形式運轉，在外電源的驅動(dòng)下，電機帶動(dòng)飛輪高速旋轉（可達到200000rpm），即用電給飛輪電池“充電”增加了飛輪的轉速從而增大其動(dòng)能；放電時(shí)，電機則以發(fā)電機狀態(tài)運轉，在飛輪的帶動(dòng)下對外輸出電能，完成機械能(動(dòng)能)到電能的轉換。要開(kāi)發(fā)適合電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性飛輪電池，就必須進(jìn)一步提高它的安全性和降低成本。

8、燃料電池

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反應直接轉化為電能的發(fā)電裝置，它的基本化學(xué)原理是水電解反應的逆過(guò)程，即氫氧反應產(chǎn)生電、水和熱。它不需要燃燒、無(wú)轉動(dòng)部件、無(wú)噪聲、運行壽命長(cháng)、可靠性高、維護性能好，實(shí)際效率能達到普通內燃機的2至3倍，加之其最終產(chǎn)物又是水，真正達到清潔、可再生、無(wú)排放的要求，是21世紀的首選能源。而且，燃料電池也不需要像其它電池那樣進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的充電，它只需要像給汽車(chē)加油一樣補充燃料即可。據美國ABI調查公司預測，2011年全球燃料電池汽車(chē)的產(chǎn)量將達到240萬(wàn)輛，占世界汽車(chē)總產(chǎn)量的4.3％，日本政府也計劃在十年內普及燃料電池。2002年12月，日本豐田公司已向日本政府交付了第一批商用燃料電池電動(dòng)汽車(chē)。燃料電池由正負電極、催化層和電解質(zhì)構成，根據電解質(zhì)的不同，燃料電池可分為磷酸型、質(zhì)子交換膜型、堿性型、熔融碳酸鹽型和固體氧化物型等幾種，目前只有質(zhì)子交換膜型燃料電池最適合電動(dòng)汽車(chē)使用，我國研制成功的“中國氫動(dòng)力首號車(chē)”使用的就是質(zhì)子交換膜型燃料電池。一套較完整的燃料電池系統由以下幾個(gè)部分組成：燃料處理部分、燃料電池、直流交流轉換器和熱能管理部分。

9、太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能電池是一種把光能轉換為電能的裝置，太陽(yáng)能已廣泛用于照明、家用電器、發(fā)電、交通信號、地質(zhì)、航天等領(lǐng)域。目前，部分機構也已研制出了使用太陽(yáng)能電池的電動(dòng)汽車(chē)樣車(chē)，但是由于太陽(yáng)能電池還存在光電轉換效率不高、價(jià)格太高、電池系統配置較復雜等問(wèn)題，近期內只能作為電動(dòng)汽車(chē)的補充電源，還不能大規模的生產(chǎn)應用，但太陽(yáng)能作為最清潔的、取之不盡用之不竭的能源，對它的研究和應用必將會(huì )取得長(cháng)足的進(jìn)步。

當前電動(dòng)汽車(chē)正處于又一次發(fā)展高潮，電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的全面發(fā)展，重點(diǎn)在能量存儲技術(shù)和動(dòng)力驅動(dòng)系統技術(shù)兩個(gè)方面。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力驅動(dòng)系統技術(shù)發(fā)展相對較快，因此隨著(zhù)能量存儲技術(shù)的發(fā)展和突破，隨著(zhù)低成本、高能量密度、高功率密度的動(dòng)力電池和低成本、質(zhì)量輕、體積小的燃料電池商品化的實(shí)現，電動(dòng)汽車(chē)必將成為21世紀的主流交通工具。

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