摘要：鉴于传统汽车发展所带来的环境问题和能源危机，世界各国都在采取积极措施，推动战略转型共同体，实现汽车电力系统电气化，新能源汽车应势而生。动力电池是新能源汽车的动力源，也是影响新能源汽车发展的关键因素。本文对已实用化的四种动力电池的发展、基本结构和工作原理进行总结，简述其优缺点，并对动力电池的发展进行展望。
关键词：新能源；电动车；动力电池；工作原理
Survey on the classification and characteristics of batteries in new-energy vehicles
ZHU Lei1
(Geely Automobile Research Institute,Ningbo,Zhejiang,315336)
Abstract:In view of the environmental problems and energy crisis brought about by the development of traditional automobiles,all countries in the world are taking active measures to promote the strategic transformation community and realize the electrification of automobile power system.Battery is the power source of new energy vehicles and also the key factor which affects the development of new energy vehicles.In this paper,the development,basic structure and working principle of four kinds of practical power batteries are summarized,their advantages and disadvantages are briefly described,and the development of power batteries is prospected.
Keywords:new energy,Electric vehicles,Power battery,Working principle
引言
面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，近年来，各汽车生产国都将发展新能源汽车作为提高产业竞争力，保持经济社会可持续发展的重要举措。[1，2]目前，国内外的新能源汽车主要包括以下四种：纯电动汽车（BEV）,混动汽车（HEV），插电式混动汽车（PHEV），以及燃料电池汽车。[3，4]新能源汽车不仅能够减缓汽油资源的消耗，提高能量使用率，并且能够减少传统车排放的有害尾气，更加环保。[5，6]
电池是新能源汽车的动力源，是能源的存储装置，也是目前制约新能源汽车发展的关键因素。[7]新能源汽车对动力电池要求主要有以下几点：1、比能量高，保证电池尽可能多的储存能量，但质量轻，以提高汽车的续航里程；2、比功率大，保证汽车在加速、爬坡、负载行驶过程中动力充足；3、循环寿命长，降低成本；4、均匀性好，保证电池单体在容量、内阻、循环特性、功率特性等方面有较高的一致性；5、热管理性能好，避免在不同环境（尤其是高低温）下，汽车能够正常行驶；6、安全性能好，避免电池因漏电、短路、撞击等情况产生爆炸等是够发生；7、绿色环保，能重复利用，避免产生二次污染。[1，8]
电池可以分为三大类：化学电池、物理电池、生物电池。
化学电池是利用化学反应来发电的电池，按工作性质又可分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。原电池又称一次电池，指电池放电后不能用充电的方法使活性化学物质复原而继续使用，如锂锰电池、锌-二氧化锰干电池等。蓄电池又称二次电池，指电池在放电后可以通过充电的方法使活性化学物质复原而继续使用，如锂离子电池、镍镉电池、铅酸蓄电池等。燃料电池又称连续电池，指活性物质是由电池外部连续地输入电池，使得电池可以连续工作产电，如甲醇燃料电池、固体氧化物燃料电池、磷酸燃料电池等。[6]
物理电池是指利用物理能量如光、热等发电的电池，如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。
生物电池是利用生物化学反应发电的电池，如常见酶电池、微生物电池、生物太阳电池等。
迄今为止，已经实用化的车用动力电池有铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池，本文将简单介绍上述几种动力电池的发展过程，基本结构和工作原理以及优缺点。[1]
2.常用电池的发展、结构和工作原理
2.1 铅酸蓄电池
铅酸蓄电池发展历史最长，是较成熟，价格相对低廉的蓄电池，可分为免维护铅酸蓄电池和阀控密封式铅酸蓄电池两类。免维护铅酸蓄电池在使用的过程中，不需要补充蒸馏水，具有耐高温，耐振，体积小的特点，且使用寿命为一般蓄电池的两倍。阀控密封式铅酸蓄电池在使用的过程中也不需要加补充液，但是其电池顶部有安全阀，当电池内部气压升高到一定值的时候，安全阀会自动打开进行排气，然后自动关闭。[9]
2.2 镍氢电池
镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，其能量高，寿命长，污染小。其能量体积密度是铅酸电池的3倍，比功率为铅酸电池的10倍。[10，11]镍氢电池按照形状可分为方形镍氢电池和圆形镍氢电池。其基本结构也是由正极、负极、极板、隔板、电解液等组成。正极是氢氧化镍，负极为储氢合金，电解液为氢氧化钾，隔板的作用是为了防止正负极接触而导致短路。镍氢电池的极板分为发泡体和烧结体两种，发泡体极板的电池在出场前必须进行预充，以避免发泡体极板电池老化而引起的内阻增加。而烧结体极板的镍氢电池不需要进行预充，其极板本身为活性物质，不易老化，寿命长。[12，13]
镍氢电池在充电时，正负极化学反应如下：
镍氢电池比功率高（商业化的可达1350W/kg），循环次数多（为铅酸电池的3倍以上），无污染（不含铅镉等重金属），耐过充过放，无记忆效应，安全可靠。
2.3 锂离子电池
锂离子电池是90年日本索尼公司首先推出的一款新型高能蓄电池，是当前最新一代的充电电池。目前，我国已经成为全球最大的锂离子电池制造地之一，比亚迪、力神、ATL、中航锂电已发展成为全球瞩目的锂电企业。锂离子电池最大的技术壁垒在于如何在保证安全性和循环次数的基础上，继续扩充电池容量。
按照锂离子电池的正极材料不同可将锂离子电池分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。[14]第一代车用锂离子电池主要是锰酸锂离子电池，但由于其理论容量不高，材料会在电解液中溶解，后期又发展一种层状结构的三价锰氧化物（LiMnO4）作为正极材料，有效解决了上述的部分问题，取得可喜进展。第二代是磷酸铁锂离子电池，其理论容量为170mA·h/g，通过对电极材料进行修饰，实际容量可达165mA·h/g，非常接近理论容量，工作电压范围为3.4V左右。磷酸铁锂离子电池具有稳定性高、安全可靠、价格低廉且环保等优点，机具发展前景。[15]
图2.圆柱形锂离子电池的结构示意图[1]
1-绝缘体；2-垫圈；3-PTC元件；4-正极端子；5-排气孔；6-防爆阀；7-正极引线；8-隔板；9-负极；10-负极引线；11-正极；12-外壳
图2为锂离子电池的结构示意图，锂离子电池主要由正极、负极、隔板、电解液组成。其正极材料主要采用锂化合物（如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4），负极采用锂-碳层间化合物，电解液为有机溶液。[1]锂离子电池在充电时，锂离子从正极材料脱出，穿过隔膜，嵌入负极当中；放电时，锂离子从负极脱出，嵌入到正极材料中，整个过程的反应方程式如下：
锂离子电池比能量高，循环寿命长，自放电率低（6%-8%），对环境无污染，是真正的绿色电池。
2.4 燃料电池
燃料电池是一种化学电池，能量密度极高，堪比汽油或柴油，几乎零污染，是未来电动车的发展方向。但其成本较高，一是需要用贵金属铂作为催化剂，二是因为在使用过程中，存储和运输燃料的费用较高，三是目前加氢站等配套设施不完善。因此，燃料电池的进一步发展还有很长的道路要走。
其他几种动力电池都是一个单一的电池，有电池本体即可正常工作，而燃料电池不同，除了电池本体，还需要套相应的辅助系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统及安全装置等。[16]其原理是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。其单体电池也是由正极、负极和电解质组成，其中燃料电极作为负极，氧化剂电极作为正极。正极）和电解质组成。不同的是，燃料电池内部并不存储活性物质，只是作为催化元件，是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器，不会因活性物质的衰减而限制电池容量。燃料电池电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。[17]
图3.直接甲醇燃料电池的结构与原理示意图[1]
本文以直接甲醇燃料电池为例，简述燃料电池的工作原理。直接甲醇燃料电池主要有阳极、阴极、固体电解质膜构成。阳极和阴极分别由多孔结构的扩散层和催化剂层组成。甲醇作为燃料，将其和水混合送至电池阳极，发生甲醇催化氧化反应，生成二氧化碳，并释放电子；阴极氧气发生电催化还原反应，生成水；电子从阳极经外电路转移至阴极形成直流电，整个过程反应方程式如下：
燃料电池虽然优点很多，但目前也存在以下关键问题亟待解决。一是单位质量大，需要开发质轻、体积小的存储器；二是安全问题，如何安全存储并运输氢气是至关重要的；三是开发应用其他可替代燃料。
总结
动力电池是新能源汽车的核心部分，发展比能量高，比功率大，寿命长，安全可靠，绿色无污染的动力电池是推进新能源汽车发展的关键因素。本文总结了几种动力电池的结构，基本原理以及优缺点。未来动力电池的种类将更加繁多，市场占比将继续扩大，但目前我国电池的回收技术还处于初级阶段，这将成为制约电动汽车电池未来发展的关键因素。
参考文献
[1]崔胜民，字数，丛书名，et al.新能源汽车技术[J].中国科技信息,2014,8
[2]张海龙.中国新能源发展研究[J].长春:吉林大学,2014,2
[3]Chaocheng Zheng.Technical analysis on energy conservation and emission reduction of new energy electric vehicle in China[J].2017,1890:040027.
[4]Jian Cao，Ali Emadi.A new battery/ultracapacitor hybrid energy storage system for electric,hybrid,and plug-in hybrid electric vehicles[J].IEEE Transactions on power electronics,2012,27(1):122-132.
[5]Huiming Gong，Michael Q Wang，Hewu Wang.New energy vehicles in China:policies,demonstration,and progress[J].Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change,2013,18(2):207-228.
[6]Xueliang Yuan，Xin Liu，Jian Zuo.The development of new energy vehicles for a sustainable future:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2015,42:298-305.
[7]HL Chan.A new battery model for use with battery energy storage systems and electric vehicles power systems[C].IEEE，2000:470-475.
[8]潘建亮.我国发展新能源汽车之分析[J].汽车工业研究,2010,3:6-9.
[9]张天任，赵海敏，郭志刚，et al.铅炭电池关键材料研究进展及机理分析[J].储能科学与技术,2017,6(6):1217.
[10]张舜，许可珍，金鹏.镍氢动力电池特性[J].储能科学与技术,2017,6(S1):26.
[11]龙洁，赵明富，辛鑫，et al.镍氢电池总成充放电性能研究[J].激光杂志,2016,37(12):95-98.
[12]曹生彪，皇甫益.混合动力汽车用镍氢电池的现状及发展分析[J].电池,2016,(2016 年 05):289-291.
[13]高子萍，赵明富.镍氢电池大电流充放电性能研究[J].激光杂志,2015,(2015年11):91-93.
[14]A Opitz，P Badami，L Shen，et al.Can Li-Ion batteries be the panacea for automotive applications?[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2017,68:685-692.
[15]Qian Wang，Bin Jiang，Bo Li，et al.A critical review of thermal management models and solutions of lithium-ion batteries for the development of pure electric vehicles[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2016,64:106-128.
[16]Andrew Dicks，David Anthony James Rand.Fuel cell systems explained[M].Wiley Online Library,2018.
[17]Ryan O'hayre，Suk-Won Cha，Fritz B Prinz，et al.Fuel cell fundamentals[M].John Wiley & Sons,2016.
论文作者:朱雷
论文发表刊物:《新材料.新装饰》2019年1月上
论文发表时间:2019/7/19
标签：电池论文; 正极论文; 锂离子电池论文; 新能源论文; 镍氢电池论文; 燃料电池论文; 汽车论文; 《新材料.新装饰》2019年1月上论文;