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电池电动汽车蓄电池电动汽车蓄电池技术状况及发展前景

汽车工业的迅速发展,推动了全球机械、能源等工业的进步以及经济、交通等方面的发展,同时也极大的方便了人们的生活。但是,传统的内燃机汽车所固有的消耗能源、污染环境的缺陷也一直影响和困挠着人们的生活及社会的发展,随着社会的进步和科技的发展,随着保护环境、节约资源的呼声日益高涨,新一代电动汽车作为无污染、能源可多样化配置的新型交通工具,近些年来引起了人们的普遍关注并得到了极大的发展。北京要把2008年奥运会办成一届绿色的奥运会,其中的一项工作就是要用环保型的电动汽车来替代目前的内燃机汽车。

电动汽车以电力驱动,行驶无排放(或低排放),噪音低,能量转化效率比内燃机汽车高很多,同时电动汽车还具有结构简单、运行费用低等优点,安全性也优于内燃机汽车。但电动汽车目前还存在价格较高、续驶里程较短、动力性能较差等问题,而这些问题都是和电源技术密切相关的,电动汽车实用化的难点仍然在于电源技术,特别是电池(化学电源)技术。目前制约电动汽车发展的关键因素是动力蓄电池不理想,而开发电动汽车的竞争,最重要的就在于开发车载动力电池的竞争。

电动汽车用动力蓄电池与一般启动蓄电池不同,它是以较长时间的中等电流持续放电为主,间或以大电流放电(起动、加速时),并以深循环使用为主。电动汽车对电池的基本要求可以归纳为以下几点:1、高能量密度;2、高功率密度;3、较长的循环寿命;4、较好的充放电性能;5、电池一致性好;6、价格较低;7、使用维护方便等。

当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括铅酸电池、镍金属电池、锂离子蓄电池、高温钠电池、金属空气电池、超级电容、飞轮电池以及具有更好发展远景的燃料电池和太阳能电池。

1、铅酸电池

铅酸电池已有100多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源,它也是成熟的电动汽车蓄电池。铅酸电池正负电极分别为二氧化铅和铅,电解液为硫酸。铅酸电池又可以分为两类,即注水式铅酸电池和阀控式铅酸电池。前者价廉,但需要经常维护,补充电解液;后者通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体,免维护,更符合电动汽车的要求。总体上说,铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点,比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点;一是比能量低,所占的质量和体积太大,且一次充电行驶里程较短;另一个是使用寿命短,使用成本过高。由于铅酸电池的技术比较成熟,经过进一步改进后的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源,正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有以下几种:水平铅酸电池、双极密封铅酸电池、卷式电极铅酸电池等。

2、镍金属电池

目前在电动汽车上使用的镍金属电池主要有镉镍电池和氢镍电池两种。镉镍电池和铅酸电池相比,能够达到比能量55Wh/kg,比功率200W/kg,循环寿命2000次,而且可以快速充电,虽说其价格为铅酸蓄电池的4~5倍,但由于其在比能量和使用寿命方面的优势,因此其长期的实际使用成本并不高。但由于其含有重金属镉,在使用中不注意回收的话,就会形成环境污染,目前许多发达国家都已限制发展和使用镉镍电池。而氢镍电池则是一种绿色镍金属电池,它的正负极分别为镍氢氧化物和储氢合金材料,不存在重金属污染问题,且其在工作过程中不会出现电解液增减现象,电池可以实现密封设计。

镍氢电池在比能量、比功率及循环寿命等方面都比镉镍电池有所提高,使用氢镍电池的电动汽车一次充电后的续驶里程曾经达到过600公里,目前在欧美已实现了批量生产和使用。氢镍电池就其工作原理和特点是适合电动汽车使用的,它已被列为近期和中期电动汽车用首选动力电池,但其还存在价格太高,均匀性较差(特别是在高速率、深放电下电池之间的容量和电压差较大),自放电率较高,性能水平和现实要求还有差距等问题,这些问题都影响着氢镍电池在电动汽车上的广泛使用。

3、锂离子蓄电池

锂离子蓄电池是90年代发展起来的高容量可充电电池,能够比氢镍电池存储更多的能量,比能量大,循环寿命长,自放电率小,无记忆效应和环境污染,是当今各国能量存储技术研究的热点,主要集中在大容量、长寿命和安全性三个方面的研究。锂离子蓄电池中,锂离子在正负极材料晶格中可以自由扩散,当电池充电时,锂离子从正极中脱出,嵌入到负极中,反之为放电状态,即在电池充放电循环过程中,借助于电解液,锂离子在电池的两极间往复运动以传递电能。锂离子蓄电池的电极为锂金属氧化物和储锂碳材料,根据电解质的不同,锂离子蓄电池一般可分为锂离子电池和锂聚合物电池两种。

4、高温钠电池

高温钠电池主要包括钠氯化镍电池(NaNiCl2)和钠硫蓄电池两种。钠氯化镍电池是1978年发明的,其正极是固态NiCl2,负极为液态Na,电解质为固态β-Al2O2陶瓷,充放电时钠离子通过陶瓷电解质在正负电极之间漂移。钠氯化镍电池是一种新型高能电池,它具有比能量高(超过100Wh/kg),无自放电效应,耐过充、过放电,可快速充电,安全可靠等优点,但是其工作温度高(250-350℃),而且内阻与工作温度、电流和充电状态有关,因此需要有加热和冷却管理系统。而钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车蓄电池,它已被美国先进电池联合体(USABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池,钠硫蓄电池具有高的比能量,但它的峰值功率较低,而且这种电池的工作温度近似300℃,熔融的钠和硫有潜在的毒性,腐蚀也限制了电池的可靠性和寿命。

5、锌空气电池(Zinc-air)

锌空气电池是一种机械更换离车充电方式的高能电池,正极为Zinc,负极为Carbon(吸收空气中的氧气),电解液为KOH。锌空气电池具有高比能量(200Wh/kg),免维护、耐恶劣工作环境,清洁安全可靠等优点,但是其具有比功率较小(90W/kg),不能存储再生制动的能量,寿命较短,不能输出大电流及难以充电等缺点。一般为了弥补它的不足,使用锌空气电池的电动汽车还会装有其它电池(如镍镉蓄电池)以帮助起动和加速。

6、超级电容

超级电容是为了满足混合电动汽车能量和功率实时变化要求而提出的一种能量存储装置,它是一种电化学电容,兼具电池和传统物理电容的优点。超级电容往往和其它蓄电池联合应用作为电动汽车的动力电源,可以满足电动汽车对功率的要求而不降低蓄电池的性能,超级电容的使用,将减少汽车对蓄电池大电流放电的要求,达到减少蓄电池体积和延长蓄电池寿命的目的。开发高比能量、高比功率、长寿命、高效率和低成本的超级电容,可以提高商业化电动汽车动力性(特别是加速能力)、经济性和续驶里程。

根据电极材料的不同,超级电容可分为碳类超级电容(双电层电化学电容)和金属氧化物超级电容两类。

7、飞轮电池

飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。飞轮电池是一种以动能方式存储能量的机械电池,它由电动/发电机、功率转换、电子控制、飞轮、磁浮轴承和真空壳体等部分组成,具有高功率比、高能量比、高效率、长寿命和环境适应性好等优点。飞轮电池中的电机,在充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的驱动下,电机带动飞轮高速旋转(可达到200000rpm),即用电给飞轮电池“充电增加了飞轮的转速从而增大其动能;放电时,电机则以发电机状态运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电能的转换。要开发适合电动汽车的实用性飞轮电池,就必须进一步提高它的安全性和降低成本。

8、燃料电池

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置,它的基本化学原理是水电解反应的逆过程,即氢氧反应产生电、水和热。它不需要燃烧、无转动部件、无噪声、运行寿命长、可靠性高、维护性能好,实际效率能达到普通内燃机的2至3倍,加之其最终产物又是水,真正达到清洁、可再生、无排放的要求,是21世纪的首选能源。而且,燃料电池也不需要像其它电池那样进行长时间的充电,它只需要像给汽车加油一样补充燃料即可。据美国ABI调查公司预测,2011年全球燃料电池汽车的产量将达到240万辆,占世界汽车总产量的4.3%,日本政府也计划在十年内普及燃料电池。2002年12月,日本丰田公司已向日本政府交付了第一批商用燃料电池电动汽车。燃料电池由正负电极、催化层和电解质构成,根据电解质的不同,燃料电池可分为磷酸型、质子交换膜型、碱性型、熔融碳酸盐型和固体氧化物型等几种,目前只有质子交换膜型燃料电池最适合电动汽车使用,我国研制成功的”中国氢动力首号车使用的就是质子交换膜型燃料电池。一套较完整的燃料电池系统由以下几个部分组成:燃料处理部分、燃料电池、直流交流转换器和热能管理部分。

9、太阳能电池

太阳能电池是一种把光能转换为电能的装置,太阳能已广泛用于照明、家用电器、发电、交通信号、地质、航天等领域。目前,部分机构也已研制出了使用太阳能电池的电动汽车样车,但是由于太阳能电池还存在光电转换效率不高、价格太高、电池系统配置较复杂等问题,近期内只能作为电动汽车的补充电源,还不能大规模的生产应用,但太阳能作为最清洁的、取之不尽用之不竭的能源,对它的研究和应用必将会取得长足的进步。

当前电动汽车正处于又一次发展高潮,电动汽车技术的全面发展,重点在能量存储技术和动力驱动系统技术两个方面。电动汽车动力驱动系统技术发展相对较快,因此随着能量存储技术的发展和突破,随着低成本、高能量密度、高功率密度的动力电池和低成本、质量轻、体积小的燃料电池商品化的实现,电动汽车必将成为21世纪的主流交通工具。

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