第1章　概述

1.1　電動汽車動力電池分類及技術現狀

1.1.1　動力電池的發展歷程及分類

1.1.1.1　動力電池的發展歷程

動力電池是純電動汽車驅動能量的唯一來源，直接關系到電動汽車的動力性能、續航能力和安全性。從純電動汽車成本構成看，動力電池系統占據了新能源汽車成本的30%～50%。動力電池技術一直影響著電動汽車實用化的進程。根據動力電池的使用特點、要求、應用領域不同，國內外動力電池的研發歷史大致如下。

①第一代動力電池為鉛酸動力電池，主要是閥控密封式鉛酸動力電池，其優點是大電流放電性能良好，價格低廉、資源豐富、回收率高，缺點是質量比能量低，主要原材料鉛有污染。新開發的雙極耳卷繞式閥控密封式鉛酸動力電池已經通過混合動力汽車試用，其能量密度比平板涂膏式鉛酸動力電池有明顯提高。閥控式密封鉛酸動力電池一度成為重要的車用動力電池，應用在眾多歐洲和美國汽車公司開發的電動汽車（Electric Vehicle，EV）和混合動力汽車（Hybrid Electric Vehicle，HEV）上，但新一代鉛酸動力電池的比能量和循環次數仍存在嚴重的限制。未來使用鉛酸動力電池來驅動在高速公路上行駛的電動汽車是不實際的，但價格優勢使其在輕度混合或者短途行駛的電動汽車（如觀光車）中仍占一席之地。

②第二代動力電池為堿性動力電池，如鎳鎘動力電池、鎳氫動力電池。鎳鎘電池因存在鎘污染問題，歐盟各國已禁用于動力電池，鎳氫動力電池的性價比明顯比鉛酸動力電池高，是目前HEV的主要動力電池。鎳氫動力電池具有良好的耐過充、過放能力，不存在重金屬污染問題，而且在工作過程中不會出現電解液增減現象，可以實現密封設計、免維護。與鉛酸動力電池和鎳鎘動力電池相比，鎳氫動力電池具有較高的比能量、比功率及循環壽命。

鎳氫動力電池的記憶效應不是很明顯，而且隨著充放電循環的進行，儲氫合金逐漸失去催化能力，鎳氫動力電池的內壓會逐漸升高，影響到其使用。此外，鎳金屬昂貴的價格，也導致成本較高。目前，電動汽車用鎳氫動力電池已實現了批量生產和使用，是混合動力汽車研制中應用最多的車載動力電池類型。

③第三代動力電池為鋰動力電池，鋰動力電池的能量密度高于閥控式密封鉛酸動力電池和鎳氫動力電池，質量比能量達到200W·h/kg（PLIB），動力電池單體電壓高（3.6V），待其安全問題解決以后將是最具競爭力的動力電池。鋰動力電池具有相對較高的工作電壓和較大的比能量，是鎳氫動力電池的3倍。鋰動力電池體積小，重量輕，循環壽命長，自放電率低，無記憶效應且無污染。

鋰動力電池的傳統結構包括石墨陽極、鋰離子金屬氧化物構成的陰極和電解液（有機溶劑溶解的鋰鹽溶液）。最常見的鋰動力電池以炭為陽極，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸鋰溶液為電解液，以二氧化錳酸鋰為陰極構成的鋰動力電池輕巧結實，比能量大，單體電壓約為3.7V。

電動汽車用鋰動力電池是在一次性鋰動力電池基礎上發展起來的，是目前純電動車用動力電池研發的主要方向。鋰動力電池是繼鎳氫動力電池之后，最受研發機構和汽車廠商青睞的具有潛力的車載動力電池。在鋰動力電池中，磷酸鋰動力電池的比能量、比功率以及運行電壓相對較低，在大型純電動汽車應用方面鈷酸鋰和錳酸鋰動力電池等更具優勢。

④第四代動力電池為質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池，其特點是無污染，放電產物為H₂O，是真正的電化學發電裝置。燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池，電就被生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等，像一個動力電池，但實質上它不能“儲電”，而是一個“發電廠”。

燃料電池是一種使用燃料進行化學反應產生電能的裝置，所用燃料包括純氫氣、甲醇、乙醇、天然氣以及現在使用最廣泛的汽油。按電解質的種類不同，燃料電池可分為堿性燃料電池、磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池、質子交換膜燃料電池等。在燃料電池中，磷酸燃料電池、質子交換膜燃料電池可以冷啟動和快啟動，也可以作為移動電源，滿足特殊情況的使用要求，更加具有競爭力。最常見的是以氫氣為燃料的質子交換膜燃料電池，由于燃料價格便宜，無化學危險，對環境無污染，發電后產生純水和熱，這是目前其他所有動力電池無法做到的。質子交換膜燃料電池以純氫為燃料，以空氣為氧化劑，不經歷熱機過程，不受熱力循環限制，因此能量的轉換效率高，是普通內燃機熱效率的2～3倍。

閥控式密封鉛酸動力電池、鎳氫動力電池和鋰動力電池均屬于電能轉換和儲能裝置，動力電池本身并不能發出電能，必須對動力電池進行充電，將電能轉換成化學能，使用時再將化學能轉變為電能作為車載動力，所以這類動力電池目前仍然要消耗礦物燃料發出的電能。燃料電池是車載動力最經濟、最環保的解決方案，但是要實現商業化還有許多問題需要解決，如價格昂貴，采用貴金屬鉑、銠作為催化劑，氫的儲存運輸等問題。

1.1.1.2　電動汽車動力電池分類

新能源汽車動力電池可以分為動力電池和燃料電池兩大類，動力電池用于純電動汽車（EV），混合動力電動汽車（HEV）及插電式混合動力電動汽車（Plug in Hybrid Electric Vehicle，PHEV）；燃料電池專用于燃料電池汽車（Fuel Cell Vehicles，FCV）。

①適用于純電動汽車的動力電池，可以歸類為鉛酸動力電池、鎳基動力電池（鎳-氫及鎳-金屬氫化物動力電池、鎳-鎘及鎳-鋅動力電池）、鈉基動力電池（鈉-硫動力電池和鈉-氯化鎳動力電池）、鋰動力電池、空氣動力電池等類型。

在僅裝備動力電池的純電動汽車中，動力電池是汽車驅動系統的唯一動力源。而在裝備傳統發動機（或燃料電池）與動力電池的混合動力汽車中，動力電池既可扮演汽車驅動系統主要動力源的角色，也可充當輔助動力源的角色。在低速和啟動時，動力電池扮演的是汽車驅動系統主要動力源的角色；在全負荷加速時，動力電池充當的是輔助動力源的角色；在正常行駛或減速、制動時，動力電池充當的是儲存能量的角色。

目前，鋰動力電池處于高速發展階段，在諸如日產Leaf、豐田普銳斯plug-in、特斯拉ModelS、通用Volt、福特FocusEV以及寶馬i3等新能源汽車上都采用鋰動力電池。此外，鋰資源較為豐富，價格也不貴，可以說在純電動汽車動力電池中，鋰動力電池是目前最被市場看好的動力電池。

鉛酸動力電池、鎳氫動力電池、鋰動力電池和鋰聚合物動力電池的比能量、比功率、安全性等基本性能的比較如圖1-1所示。通過比較可以發現，目前這幾種動力電池技術仍然沒有一種能夠占據每個方面性能都有優勢的地位。這說明目前在電動汽車應用領域出現這些不同種類動力電池共存情況的原因，也是各種動力電池技術在不同程度上存在的缺陷導致電動汽車的發展受到制約，而未大規模產業化的原因。

由圖1-1可以看出，在目前市場上的動力電池中，鋰動力電池除在價格和安全性方面處于劣勢以外，其他方面均處于絕對領先地位，有進一步研發和大規模應用的前景。

②燃料電池，又稱“連續電池”，可以把燃料電池看成是一種需要電能時，將反應物從外部輸送入燃料電池內，就能長期不斷地進行放電的一類電池。專用于電動汽車的燃料電池，可以分為堿性燃料電池（Alkaline Fuel Cell，AFC）、磷酸燃料電池（Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC）、固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）、質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）、直接甲醇燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell，DMFC）等類型。目前，質子交換膜燃料電池在燃料電池汽車中的應用較多，是未來新能源汽車燃料電池領域極具競爭力的燃料電池類型。

燃料電池由陽極、陰極、電解質和隔膜構成，燃料在陽極氧化，氧化劑在陰極還原。如果在陽極（即外電路的負極，也可稱燃料極）上連續供給氣態燃料（氫氣），而在陰極（即外電路的正極，也可稱空氣極）上連續供給氧氣（或空氣），就可以在電極上連續發生電化學反應，并產生電流。由此可見，燃料電池與常規動力電池不同，它的燃料和氧化劑不是儲存在電池內，而是儲存在電池外部的儲罐中。當它工作（輸出電流并做功）時，需要不間斷地向電池內輸入燃料和氧化劑并同時排出反應產物。因此，從工作方式上看，它類似于常規的汽油發電機或柴油發電機。由于燃料電池工作時要連續不斷地向電池內送入燃料和氧化劑，所以燃料電池使用的燃料和氧化劑均為流體（氣體或液體）。

燃料電池陽極的作用是為燃料和電解液提供公共界面，并對燃料的氧化產生催化作用，同時把反應中產生的電子傳輸到外電路或者先傳輸到集流板后再向外電路傳輸。陰極（氧電極）的作用是為氧和電解液提供公共界面，對氧的還原產生催化作用，從外電路向氧電極的反應部位傳輸電子。由于電極上發生的反應大多為多相界面反應，為提高反應速率，電極一般采用多孔材料并涂有電催化劑。

電解質的作用是輸送燃料電極和氧電極在電極反應中所產生的離子，并能阻止電極間直接傳遞電子。隔膜的作用是傳導離子、阻止電子在電極間直接傳遞和分隔氧化劑與還原劑，因此隔膜必須是抗電解質腐蝕和絕緣的物質，并具有良好耐潤濕性。

燃料電池具有比能量高、使用壽命長、維護工作量少以及能連續大功率供電等優點。將燃料電池作為汽車的動力已被公認為是2l世紀的必然趨勢，是人們提出的后石油時代解決移動動力源的方案之一，是實現低碳減排目標的重要能源轉換技術。與其他以動力電池為動力的純電動汽車及混合電動汽車比較，燃料電池汽車具有續駛里程長、動力性能高等優點。但是燃料電池的壽命較短、成本較高，另外氫源的獲取也是個難題。

最常用的燃料為純氫、各種富含氫的氣體（如重整氣）和某些液體（如甲醇水溶液），常用的氧化劑為純氧、凈化空氣等氣體和某些液體（如過氧化氫和硝酸的水溶液等）。氫燃料電池具有以下特點。

a.無污染。氫燃料電池對環境無污染，氫燃料電池是通過化學反應釋放能量，而不是采用燃燒（汽油、柴油）或儲能（蓄動力電池）方式。燃燒會釋放如CO_x、NO_x、SO_x氣體和粉塵等污染物。氫燃料電池只會產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的，整個循環就是徹底不產生有害物質排放的過程。

b.無噪聲。氫燃料電池運行安靜，噪聲大約只有55dB，相當于人們正常交談的水平。

c.高效率。氫燃料電池的發電效率可以達到50%以上，這是由氫燃料電池的轉換性質決定的，直接將化學能轉換為電能，不需要經過熱能和機械能（發電機）中間變換。

氫燃料電池車的優勢毋庸置疑，劣勢也顯而易見。隨著科技的進步，曾經困擾氫燃料電池發展的諸如安全性、氫燃料的儲存技術等問題已經逐步攻克并不斷完善，然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發展的最大瓶頸。氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍，這個價格是市場難以承受的。另外加氫站需要一整套氫能源生產和運輸網絡作為支撐，而世界上絕大多數國家沒有意愿和空間去大力發展一種不常用能源的體系。尤其氫能源的轉化率較低，且在能源生產中會造成污染。另外，加氫站本身的建設要求與成本極高，需要專門的低溫設備來滿足能源存儲需要。