电动汽车的动力电池技术研究

动力电池是一种具强大电能容量及输出功率的电池，可作为电动自行车、电动汽车、电动设备及其他电动工具的驱动电源电池，另军事、企事业单位的蓄能设备也会用动力电池作为常用备用电源。伴随环保理念的不断深入人心，以动力电池为基础的电动汽车的发展越来越受关注，而动力电池作为电动汽车的关键技术之一，人们对其的研究也越来越深入。

1  电动汽车动力电池技术的发展历史

1996年，美国通用汽车公司制造了第1代电动汽车EV1，其所使用的动力电池技术为铅酸电池技术；1996年，通用气车公司制造了第2代电动车，其所使用的动力电池技术为镍氢电池，相比于铅酸电池技术，镍氢电池一次充电的行驶里程稍远，但因市场竞争力较低而退出；同年，日本丰田汽车公司制造了第3代电动汽车，其是在传统镍氢电池技术的基础上联合使用了内燃机作为汽车动力供应，属混合动力汽车；2006年，锂离子电池技术出现，并应用于电动汽车的制造当中。相比于铅酸电池与镍氢电池，其安全性明显提高，强烈冲击着镍氢电池的应用，成为其市场竞争当中强有力的对手。

2  当前几种常用动力电池技术的研究

2.1  铅酸电池

2.1.1  铅酸电池的工作原理

铅酸电池源于1859年，由Gaston Plante发明，是当前可大量生产供应的重要电池技术之一，广泛应用于电动汽车的制造当中，成为当下电动汽车的主要动力电池技术。铅酸电池主要由电解液、正极板和负极板共同构成，其中电解液为稀硫酸，正极板为PbO2，负极板为Pb，其正、负极的反应原理如下：

正极：PbSO4+2H2O→PbO2+3H++HSO4+2e-；

负极：H++PbSO4+2e-→Pb+HSO4-。

铅酸电池主要是利用Pb元素的不稳定性以产生电子迁移，从而形成电能供电。利用导体将电池的正、负极板进行连接后，负极板的Pb则会失去两个电子，与浸入其中的电解液的发生反应，生成PbSO4，则时电子还会通过导体与正极板上的Pb4+发生反应，也生成PbSO4，从而为电器持续供电。当正、负极板上的活性物质逐步被消耗，放电反应则无法持续发生，电能也就无法持续供应，此时就表明应进行充电。充电时，负极板上的PbSO4发生电解反应，Pb2+还原为Pb元素；而正极板上的Pb2+因失去电子而发生氧化反应，生成PbO2。待充电完成之后，电池的正、负极板则恢复原始状态，又可持续为电器供电。

2.1.2  铅酸电池的性能

铅酸电池的材料来源非常丰富，制作成本相对较低，因此，其价格相对便宜，但其比功率较高，制造工艺相对成熟，所以，铅酸电池至今仍被广泛应用于电动汽车的制造当中，成为电动汽车的重要动力电池技术之一。但铅酸电池的缺陷较多，其主要包括以下方面：第一，比能量较低，一次充电所能行驶的路程非常有限；第二，质量及体积较大，不便于携带，且对应用电池的汽车要求较高；第三，循环使用寿命较短，若要长期使用，则要定期更换，加大了使用者的成本；第四，存在一定污染现象。铅为重金属，环境无法代谢，大量使用会对环境造成一定污染。

2.1.3  铅酸电池的发展前景

    铅酸电池虽有诸多有待改进的地方，尤其是其比能量及比功率低、使用寿命短等问题，致其当前仅能应用于行驶里程短且对充电要求不高的汽车当中，如景区观光车、工厂叉车、市区短途公交车等，甚至有人认为其将在不久之后即会被镍氢电池或是锂离子电池所取代，但其制造技术相对成熟，且成本较低，可进行量化生产，若能改善其比能量与比功率、加强其充电性能，其仍具良好应用空间。

2.2  镍氢电池

2.2.1  镍氢电池的工作原理

镍氢电池是基于镉镍电池而发展起来的，相比于镉镍电池，同体积下，镍氢电池的容量是其的2倍，且其记忆效应明显减小。现多数商业化的混合电动汽车的动力电池均采取镍氢电池技术。镍氢电池的电解液为KOH，正极活性材料为碱式氧化镍(NiOOH)，负极活性材料为吸氢合金(MH)，其反应原理如下：

正极：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-；

负极：M+xH2O+xe-→MHx+xOH-。

镍氢电池负极上所含MH拥有大量H元素，其可与电解液中的(OH)-发生反应，失云电子生成H2O，同时失去的电子通过导体的连接与正极上的NiOOH发生反应生成Ni(OH)2，从而为电器持续供电。当需进行充电时，电池负极的H2O被电解，H+被还原为H，并被合金M所吸收，再次成为MH；而正极的Ni2+因失去电子，再次与H2O中的(OH)-发生反应，从而还原成NiOOH。

2.2.2  镍氢电池的性能

与铅酸电池进行比较，镍氢电池的能量体积密度是其的4倍，比功率是其的11倍，其动行电压较高，充放电的耐受性较好，且具较高热性能。但镍氢电池具记忆效应，单体电池的电压较低，非常难以组合，形成大容量电池组，为达电压等级及功率需求，其需利用大量串联电池，这在一定程度上会影响其一致性，从而限制其的广泛应用。另，镍氢电池的价格偏高，缺乏一定均匀性，电池空量及电压差于高速率或是深放电的情况下相差较大，其性能水平与实际要求还存在较大偏差，这也限制了镍氢电池的广泛应用。

2.2.3  镍氢电池的发展前景

当前纯电动汽车的技术条件尚未成熟，市场多为混合动力电动汽车。在这种情况下，虽镍氢电池的能量密度不及锂离子电池，但其可靠性较高，且成本较锂离子电池更低，循环使用寿命较长，相信在未来的一段时间内，镍氢电池仍会广泛应用于混合动力电动汽车当中，成为混合动力电动汽车的主流动力电流技术。

2.3  锂离子电池

2.3.1  锂离子电池的工作原理

锂离子电池源于上世纪90年代，由索尼公司所推出，其性能明显优于传统的铅酸电池和镍氢电池。当前市面上流通较多的锂离子电池主要是液体锂离子电池和聚合物锂离子电池。锂离子电池正极所使用的材料有很多，如LiCoO2、LiMnO2、LiFePO4等；负极所使用的材料要求可嵌入锂，主为碳类材料，如焦碳、石墨、混合碳等；电解液为溶有锂盐的有机溶液，以LiFePO4为例，其充、放电的反应原理如下：

充电：LiFePO4→Li1-xFePO4+xLi++xe-；6C+xLi++xe-→LixC6；

放电：Li1-xFePO4+xLi++xe-→LiFePO4；LixC6→6C+xLi++xe-。

在进行充电时，电池正极上的Li会失去电子，成为Li+，并进入电解液当中，负极的碳可吸收源于电解液的Li+和电子，从而为电器提供电能，所吸收的Li+越多，电池的容量就越高。在进行放电时，嵌入于负极碳层结构的Li+会被电解，从碳层中脱离，变成Li再次进入电解液当中，通过导体回到正极，并与正极上的金属氧化物发生反应，重新恢复成LiMnO2。

2.3.2  锂离子电池的性能

相比于其他电池，锂离子电池的能量密度及充放电性能明显更优，且其工作电压较高，通常处3.6V-3.9V之间；比能量高，质量较轻，不存在记忆效应；无污染且使用寿命较长，在当前动力电池技术市场占主导地位。但锂离子电池技术自其面市至今，已有20余年无较大技术突破，其电池功率密度有限，无法快速释放或接收大量的能量，且其安全性、成本、材料供应等也存在一定缺陷。

2.3.3  锂离子电池的发展前景

锂离子电池是当前被科学家们普遍看好的电动汽车的主要动力电池技术，被视作新世纪电动汽车发展的关键动力电池技术。现各大汽车生产厂商都非常重视锂离子电池技术的应用，并将其更为新能源汽车生产的关键技术。就这点来看，锂离子电池的发展前景非常广阔。在未来一大段时间内，锂离子电池的研究重点将主要着眼于降低锂离子电池的生产成本，同时提高其安全性，实现其快速充电。

3  结语

电动汽车是我国汽车行业未来发展的方向，动力电池技术是电动汽车生产与制造的核心技术，直接影响了电动汽车未来的发展。也正是因为此，业界非常重视对动力电池技术的研究。现市面上所使用的动力电池技术当中，铅酸电池的价格较低，但其性能不足，虽有所应用，但范围却不广；镍氢电池是电动汽车近期及中期发展的首选动力电池，但其广泛使用仍面临着诸多问题；锂离子电池的性能较好，是未来电动汽车动力电池的首选技术。