1.2　電動汽車對動力電池的要求及發展趨勢

1.2.1　電動汽車對動力電池的要求及關鍵技術指標

1.2.1.1　電動汽車對動力電池的要求

據美國高新動力電池開發聯合體（The United States Advanced Battery Consortium，USABC）為電動汽車用動力電池制定的開發目標來看，目前所開發的各類電動汽車用動力電池，與中期目標相比，都還有一定的距離，尚有大量的工作要做，作為電動汽車用動力電池應滿足以下要求。

①高比能量（它關系到一次充電可行使的距離）。動力電池容量有限，未能實現突破。目前市場上使用的電動汽車一次充電后的續駛里程一般為100～300km，并且這還需要保持適當的行駛速度及具有良好的動力電池調節系統才能得到保證，而絕大多數電動汽車在一般行駛環境下續駛里程只有50～100km。

②大功率（它涉及電汽車的加速特性和爬坡能力）。

③循環壽命長（它涉及流動成本）。目前，實際應用的動力電池組的循環壽命短，普通動力電池充放電次數僅為300～400次，即使性能良好的動力電池充放電次數也不過700～900次，按每年充放電200次計算，一個動力電池的壽命最多為4年，與燃油汽車的壽命相比太短。

④充放電效率高（它涉及節省能源及成本）。

⑤原材料來源豐富，成本低（它涉及基本建設費用等）。目前，電動汽車動力電池的價格約為100美元/（kW·h），有的甚至高達350美元/（kW·h），成本太高，用戶難以承受。

⑥安全（它關系到在使用過程中是否可靠，方便）。動力電池安全性得不到保障，中小容量鋰動力電池的產業化已經非常成功，但大容量、高功率鋰動力電池的安全性問題還未得到有效解決。而動力電池容量越大，其一旦失控所造成的危害就越大。針對動力電池安全性方面，需在電氣安全、機械安全和熱安全的基礎上開展動力電池系統的安全性整體方案設計研究，針對動力電池系統開展故障診斷預測、熱安全監測預警和防控關鍵技術。

⑦易保養（關系到可靠性和方便性）。

⑧與環境友好（涉及資源能否再生及環境保護等問題）。目前使用的動力電池主要為鉛酸動力電池、鎳氫動力電池、鎳鎘動力電池。原料從開采到生產，再到廢棄后的處理，都會對環境造成污染。

⑨外觀。現有電動汽車動力電池的外體積一般要達到550L。當把這么大體積的動力電池用于家庭轎車上時，必然要擠占轎車的后備廂空間。現有電動汽車所使用的動力電池都不能在儲存足夠能量的前提下保持合理的尺寸和質量。

1.2.1.2　動力電池技術指標

從實際應用中看，電動汽車動力電池的性能好壞主要取決于以下幾個指標。

（1）比能量（W·h/kg）　單位質量的電極材料放出電能的大小，它標志著純電動模式下電動汽車的續航能力。動力電池的輸出能量是指在一定的放電條件下，動力電池所能做出的電功，它等于動力電池的放電容量和動力電池平均工作電壓的乘積，其單位常用瓦·時（W·h）表示。

動力電池的比能量有兩種，一種稱為質量比能量，用瓦·時/千克（W·h/kg）表示；另一種稱為體積比能量，用瓦·時/升（W·h/L）表示。比能量的物理意義是動力電池為單位質量或單位體積時所具有的有效電能量，它是比較動力電池性能優劣的重要指標。動力電池單體和動力電池組的比能量是不一樣的，由于動力電池組合時總要有連接條、外部容器和內包裝層等，故動力電池組的比能量總是小于動力電池單體的比能量。

（2）比功率（W/kg）　單位質量的動力電池所能提供的功率，用來判斷電動汽車的加速性能和最高車速，直接影響電動汽車的動力性能。動力電池的功率是指在一定的放電條件下，動力電池在單位時間內所能輸出的能量，單位是瓦（W）或千瓦（kW）。

動力電池的單位質量或單位體積的功率稱為動力電池的比功率，它的單位是瓦/千克（W/kg）或瓦/升（W/L）。如果一個動力電池的比功率較大，則表明在單位時間內，單位質量或單位體積中給出的能量較多，即表示此動力電池能用較大的電流放電。因此，動力電池的比功率也是評價動力電池性能優劣的重要指標之一。

（3）比功率密度（W·h/L）　動力電池所能輸出的最大功率除以整個動力電池的質量或體積，用來描述動力電池在瞬間能放出較大能量的能力。

（4）循環壽命　循環壽命是指動力電池充電-放電循環一周的次數，是衡量動力電池壽命的重要指標。循環次數越多，動力電池的使用時間越長。在一定的充放電制度下，動力電池容量降至某一規定值之前，動力電池能耐受的充放電次數，稱為動力電池的充放電循環壽命。充放電循環壽命越長，動力電池的性能越好。在目前常用的動力電池中，鎳氫動力電池的充放電循環壽命為500～800次，鉛酸動力電池為200～500次，鋰動力電池為600～1000次，鋅銀動力電池很短，約為100次。

動力電池的充放電循環壽命與放電深度、溫度、充放電制式等條件有關，所謂“放電深度”是指動力電池放出的容量占額定容量的比例（%）。減少動力電池的放電深度（即“淺放電”），可以大大延長動力電池的充放電循環壽命。

濕擱置使用壽命也是衡量動力電池性能的重要參數之一，它是指動力電池加入了電解液后開始進行充放電循環直至充放電循環壽命終止的時間（包括充放電循環過程中動力電池處于放電態濕擱置的時間）。濕擱置使用壽命越長，動力電池性能越好。在目前常用的動力電池中，鎳氫動力電池濕擱置使用壽命為2～3年，鉛酸動力電池為3～5年，鋰動力電池為5～8年，鋅銀動力電池最短，只有1年左右。

（5）成本　動力電池的成本與新技術、原材料、制作工藝和生產規模等因素有關，通常新開發的高比功率動力電池成本相對較高，但是隨著新技術的不斷采用，動力電池成本將會逐漸降低。

電動汽車用動力電池的性能比較見表1-2。

鉛酸動力電池比較重，充電放電性能較差，循環壽命短，此外，鉛酸動力電池含有的重金屬鉛，對環境的污染嚴重，且在強烈的碰撞下會產生爆炸，對消費者的生命安全構成威脅，因此，用于電動汽車的鉛酸動力電池將會被淘汰。

鎳鎘動力電池的技術成熟、耐沖擊和振動、自放電小、性能穩定，可大電流放電，使用溫度范圍寬（40～65℃），幾乎不用維修。但電流效率及能量效率欠佳，活性物質利用率低，有記憶效應。其致命缺點是含有有毒金屬元素鎘。歐盟國家已經自2005年12月31日起禁止了鎳鎘動力電池的進口，其將逐漸被性能更好的綠色動力電池所取代。

鎳氫動力電池具有高比功率、電流充放電大、無污染、安全性能好等特點，缺點是具有輕度記憶效應，高溫環境下性能差，但是由于其技術成熟，綜合性能好，是當前混合動力汽車中應用最為成熟的綠色動力電池。大功率鎳氫動力電池正迎來一個劃時代的發展機遇，在已經研制或投入生產的混合動力汽車中，80%以上均采用鎳氫動力電池作為動力電源。

鋰動力電池性能比較好，可以快速充電、高功率放電、能量密度高且循環壽命長，但價格高和高溫下安全性能差，隨著鋰動力電池的正負極材料不斷開發，技術不斷成熟，它將在電動汽車時代發揮主導作用。

鋰動力電池由于采用的正負極材料不同，其動力電池單體的工作電壓范圍為3.7～4V，其中應用規模較大的磷酸鐵鋰動力電池單體工作電壓為3.2V，是鎳氫動力電池的3倍、鉛酸動力電池的2倍。當前乘用車用的鋰動力電池能量密度接近200W·h/kg，預計2020年達到300W·h/kg。

由于電化學材料特性的制約，鋰動力電池的循環次數沒有取得突破，以磷酸鐵鋰動力電池為例，動力電池單體循環次數可以達到2000次以上，成組后僅為1000次以上。鋰動力電池采用輕金屬鋰，不含汞、鉛、有害重金屬，被認為是綠色動力電池，對環境污染較小。

由于鋰動力電池正負極材料、電解液含有鎳和金屬物，美國已經將鋰動力電池歸類為一種包含易燃、錳、反應性、浸出毒性、腐蝕性、有毒有害性的動力電池，是目前各類動力電池中包含毒性物質最多的動力電池，并且因為其回收再利用的工藝較為復雜，導致成本較高，因此目前的回收再利用率不高，廢棄的鋰動力電池對環境影響較大。