摘要：动力电池作为以电力为动力源的新能源汽车的重要组成部分，在新能源汽车技术的发展过程中起着决定性的作用，是公认的新能源汽车三大关键技术之一。动力电池与常规电池相比，在电池特性上具有更高的要求，其单位体积或重量下的比功率与比能量应相对较高，以满足车辆大功率，长里程行驶的需求，而这两点又恰好是目前动力电池技术所面临的难点问题。
关键词：新能源汽车；动力电池；锂电池
一、动力电池类型
作为汽车用动力电池需要具有以下特性：高的比能量和能量密度；高的比功率和功率密度；快速充电和深度放电的能力；使用寿命长；自放电率小，充电效率高；安全性能良好，且成本低廉；免维修；对环境无危害，可回收性好。基于汽车动力电池的上述特性要求，目前，可用于汽车的动力电池主要包括：铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池。
铅酸电池具有开路电压高、低成本、使用可靠、大电流放电性能良好、原材料丰富及铅回收率高等优点，其在电动车上已得到广泛的应用，目前在纯电动车上应用的电池主要是铅酸电池，缺点是污染严重，而且质量比能量和体积比能量低。镍氢电池技术成熟，耐过充和过放电、安全性较好、具有高能量和高功率的特性，缺点是镍氢电池的物质“活性”较强、容易外逸、封装技术要求很高，同时镍氢电池在高温条件下，充放电效率较低，副反应较大，严重影响电池的续驶里程。锂离子电池以其高比能量，自放电少，循环寿命长，无记忆效应和绿色环保等特点备受关注。
二、铅酸电池
铅酸电池诞生于1860年，距今已有100多年的发展历史，广泛用于内燃机汽车的起动动力源。它是成熟电动汽车蓄电池,也是目前唯一能大量生产供应的电动汽车电池。
现在电动汽车上应用的铅酸蓄电池一般是采用金属铅作为负极,二氧化铅作为正极,用硫酸作为电解液。放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅，充电时反应过程正好相反。
目前，广泛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，其可靠性好，原材料容易得到价格便宜，比功率基本上能满足电动汽车的动力性要求。然而VRLA依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，导致一次充电的行驶里程短，并且质量和体积较大，增加了汽车的自重和自身功率消耗。另外铅酸电池的使用寿命短。
目前认为，阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）在轻度混合电动汽车中是有应用前景的，因其技术成熟，性能可靠，使用成本远远低于镍氢电池和锂离子电池等高能电池，所以还会在很长一段时间内仍是电动汽车中最可能广泛使用的能源。铅酸电池作为电动汽车电池的未来研究重点是解决比能量低的问题，以及高倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。由于新型电池、新技术日新月异的出现，必将有性能、成本等更适合的电动汽车商业化的电池取代铅酸电池的地位。在某种程度上，铅酸电池时代可以称得上是电动汽车用电源的起步和过渡阶段。
三、镍氢电池
早在20世纪30年代，镍基电池技术就已经出现，到了20世纪70年代末期由于电动汽车工业的复苏，使得镍基电池快速的发展起来。最早应用的是镍镉电池，而后出现了镍锌电池和镍氢电池。镍氢电池相对于镍镉电池，比能量较高，并对环境无污染，镍锌电池由于容易快速产生枝晶而导致寿命缩短。镍氢电池被认为是满足电动汽车使用近期目标的电池，同时也是一种新型绿色电池,相当多的电池生产厂家都致力于它的研发。
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镍氢电池的材料构成主要由电极材料、电解液、金属材料及隔膜组成。正负极及电解液材料上的差异使电池有不同的性能。目前正极材料多用高密度氢氧化镍,负极材料为储氢合金粉。
相对于其他电池,镍氢电池的优异特性表现在以下几点：(1)高比能量(衡量电动车一次充电行驶里程)已与锂离子电池水平相当；(2)高比功率(赋予电动车良好的启动、加速、爬坡性能)其性能已高于锂离子电池；(3)长寿命特性(赋予电池良好的经济性)平均寿命300～600次；(4)安全性能高，无污染物，被誉为“绿色电源”。但是，镍氢电池的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。而且还有记忆效应和充电发热等问题，充电发热会引发安全问题，因此相应的要求发展可靠的能量管理系统。
四、锂离子电池
锂离子电池出现在90年代初期，是由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，由于它的独特性能，在短短十几年的时间里，锂离子电池技术得到了空前的发展。
锂离子电池使用锂碳化合物作负极，锂化过渡金属氧化物作正极，液体有机溶液或固体聚合物作为电解液。当电池充电时，锂离子从正极释放到电解质中，这个过程是脱嵌，负极从电解质中吸入锂离子，这个过程是嵌入，当电池放电时发生与上述相反的过程，由于锂离子电池正负极材料都用层间化合物，所以在正常充放电时，锂离子在层状机构的碳材料和层状结构的氧化物的层间嵌入和脱出，只引起层间距的变化，不会引起晶体结构的破坏，所以伴随着充、放电的进行，正负极材料的化学结构基本不变，因此从充、放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应，称之为“摇椅式”锂离子电池体系。
锂离子电池单体电池工作电压高，这样组成电池组时一致性要求相对铅酸电池和镍氢电池就比较低，可以提高其使用寿命。重量轻、比能量大，使得整车质量减小且行驶里程增加。同等容量下体积更小，使得应用范围大大增加。循环寿命长，可达铅酸电池的2～3倍。自放电率低，每月不到5%。允许的工作范围宽、低温特性好、无记忆效应、无污染，这样就使得锂离子电池在电动汽车上得到广泛的应用。
锂离子电池的发展呈现出多方向并举的局面。发展方向的不同主要在于所采用的正极材料的不同，因为正极材料的性能将很大程度地影响电池的性能，同时正极材料也直接决定电池成本的高低，应该说是锂离子电池的正极材料的发展引领了锂离子电池的发展。目前已批量应用于锂电池的正极材料主要有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂以及磷酸
铁锂。但由于钴金属储量少、价格昂贵，因此成本高，而且作为动力电池其安全也存在问题，目前应用最为广泛的是锰酸锂电池和磷酸铁锂电池。
用于锂离子电池正极材料的锰酸锂具有尖晶石结构。其理论容量为148mAh/g，实际容量为90～120mAh/g。工作电压范围为3～4V。该正极材料的主要优点为：锰资源丰富、价格便宜、安全性高、比较容易制备。缺点是理论容量不高；材料在电解质中会缓慢溶解，即与电解质的相容性不太好；在深度充放电的过程中，材料容易发生晶格崎变，造成电池容量迅速衰减，特别是在较高温度下使用时更是如此。近年新发展起来了一种层状结构的三价锰氧化物LiMnO2。试验表明,用LiMnO2作正极材料理论容量和实际容量都得到提高，而且有效地解决了上述部分问题，但LiMnO2也存在较高工作温度下的溶解问题。解决的办法是对LiMnO2进行掺杂和表面修饰，目前已经取得可喜进展。
磷酸铁锂具有橄榄石晶体结构，其理论容量为170mAh/g，在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mAh/g。通过对磷酸铁锂进行表面修饰，其实际容量可高达165mAh/g，已经非常接近理论容量，工作电压范围为3.4V左右。磷酸铁锂具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉。磷酸铁锂的出现是锂离子电池材料的一项重大突破，现已成为各国竞相研究的热点， LiFePO4材料的缺点是电阻率较大，电极材料利用率低。因此研究工作主要集中在解决其电导率问题上。目前广泛采用的是包覆碳及加碳制成复合材料来提高其电导率。
论文作者:张晓琳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第31期
论文发表时间:2019/5/6
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