一 動力電池發展概述

電動汽車“三電”包括電池、電機和電控技術，其中動力電池是電動汽車驅動力的來源，是電動汽車重要的核心組成部分。動力電池的能量密度、產品性能、使用壽命和成本等直接影響電動汽車續駛里程、動力性、安全性和使用成本。目前動力電池驅動系統占了新能源汽車成本的30%～50%。新能源汽車動力電池大致走過了鉛酸蓄電池、鎳鎘和鎳氫電池、鋰離子電池三個階段。

1.鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池（lead-acid battery）是當前所有重要的蓄電池技術系統中最老的可充電蓄電池系統，于1859年由法國人普蘭特（Plante）發明，至今已有一百多年的歷史。鉛酸蓄電池的正極是二氧化鉛（PbO₂），負極是鉛（Pb），電解液是硫酸溶液（H₂SO₄），單格電池電壓達2.1V。在放電狀態下，正極二氧化鉛、負極鉛在硫酸溶液作用下發生電化學化應，生成硫酸鉛；在充電狀態下，正負極硫酸鉛和水發生電解反應，正極生成二氧化鉛，負極生成鉛和硫酸。鉛酸蓄電池主要由正極板、負極板、電解液、隔板、電池槽、電池蓋、極柱注液蓋等組成。鉛酸蓄電池的外殼一般采用工程塑料，如聚氯乙烯（PVC）或ABS材料等。鉛酸蓄電池組成與結構如圖1-1所示。

鉛酸蓄電池在20世紀70年代以前被廣泛應用于電動汽車的動力源。但由于鉛酸蓄電池能量密度低，比能量只能達到30～40W·h/kg。也正是由于其能量密度低、大而笨重、循環壽命短、維護頻繁等缺點，使得電動汽車在續駛里程、使用壽命等方面始終無法與當時的燃油車競爭，不得不退出歷史的舞臺。

但是鉛酸蓄電池成本低，具備短時間內可以大電流放電的優良性能，目前還是被廣泛用在傳統燃油汽車上作為起動電池和電動汽車上作為低壓蓄電池。鉛酸蓄電池從發明到現在也一直不斷地在發展更新，從開放式鉛酸蓄電池發展到如今的閥控式密封鉛酸（Valve Regulated Lead Acid, VRLA）蓄電池。最新一代的鉛酸蓄電池技術里使用了固態電解質，在鉛酸蓄電池的電解質里通過添加二氧化硅（SiO₂）使電解液凝膠化，在玻璃纖維隔膜（Absorbent Glass Mat, AGM）電池中用玻璃纖維隔膜吸附固定住電解液。近年興起的鉛碳蓄電池在負極加入了活性炭，其循環壽命、能量密度、充放電倍率等相較普通鉛酸蓄電池均有了大幅度的提升。

2.鎳鎘電池和鎳氫電池

在鎳氫電池（Ni-MH）出現之前，鎳鎘電池（Ni-Cd）已經獲得了大規模的商業化應用，在早期的電動工具和電子產品上，大量應用鎳鎘電池作為可反復充放電的電源裝置。金屬鎘具有很高的比容量，其值為477A·h/kg，電池額定電壓為1.2V，因此鎳鎘電池的比能量可達到60W·h/kg。但是鎳鎘電池的“記憶效應”較為嚴重，循環壽命較短，而且鎘是重金屬，毒性較強，會帶來嚴重的環境污染，為了解決這些問題，鎳氫電池應運而生。

鎳氫電池采用與鎳鎘電池相同的鎳氧化物作為正極，金屬氫化物作為負極，堿液（主要成分KOH）作為電解液，主要組成部分包括正極板、負極板、隔膜、密封圈、正極接線柱、負極集電極、金屬外殼等，如圖1-2所示。

日本三洋公司1990年把鎳鎘電池改良成鎳氫電池并將其商業化，其中用能吸收氫的鎳和稀土金屬的合金來替代鎘。自從投入市場以來，鎳氫電池的比能量已經提高了3倍，達到當今的80W·h/kg。鎳氫電池憑借能量密度高、可快速充放電、循環壽命長、記憶效應很小，以及無污染等優點在筆記本電腦、便攜式攝像機、數碼相機及電動自行車等領域得到了廣泛應用。

在新能源汽車領域，鎳氫電池現在主要應用于混合動力汽車，如豐田在普銳斯車型上首先采用鎳氫電池作為儲能裝置，從而推動了鎳氫電池在混動和電動汽車產品上的大規模應用。以豐田第三代普銳斯為例，所采用的鎳氫電池組由松下制造，重量為53.3kg，使用168個電壓為1.2V車用級鎳氫電池串聯而成，電池組總電壓為201.6V，電池容量1.3kW·h，如圖1-3所示。普銳斯的鎳氫電池組，使用壽命可以達到10年。

除了豐田的普銳斯之外，其他使用鎳氫電池的混合動力車輛包括本田Insight和Civic Hybrid、福特Escape、雪佛蘭Malibu；使用鎳氫電池的純電動汽車有通用汽車第二代EV1、本田EV Plus、福特Ranger EV等。但是隨著鋰離子電池的快速發展，其優越的性能全面超越鎳氫電池，因此在電動汽車領域，鎳氫電池逐漸被鋰離子電池所取代。豐田的第四代普銳斯已經開始采用鋰離子電池，其他采用鎳氫電池的混合動力車型和純電動車型也大多停產，或采用鋰離子電池來替代鎳氫電池。

3.鋰離子電池

鋰離子電池的前身是鋰金屬電池，起源于1962年，當時的鋰電池是一種一次性放電后就不能再次充電的電池（一次電池）。其負極材料用的是金屬鋰，正極材料用的是二氧化錳。三洋公司1972年將這種電池投放市場。加拿大的莫力能源公司（Moli Energy）1985年開發出第一個可再充鋰電池（二次電池），使用的是金屬鋰作為負極和硫化鉬作為正極。該電池憑借著優異的性能迅速火遍全球，莫力能源公司成為全球首屈一指的電池企業。然而好景不長，多起電池起火爆炸事件引發了大規模的召回，莫力能源公司也從此一蹶不振，最終被日本NEC公司收購。

隨后的研究表明金屬鋰二次電池起火爆炸的主要原因來自于充電過程中的鋰枝晶生長，鋰枝晶穿透隔膜，導致正負極短路，從而引起著火、爆炸等安全事故。因此人們開始嘗試開發一種能夠替代金屬鋰的負極材料。當時正在旭化成工作的日本科學家吉野彰（Akira Yoshino）將目光轉向了高能量密度的石墨負極材料，并采用新的碳酸酯類溶劑解決了傳統溶劑PC（碳酸丙烯酯）無法在石墨負極表面形成穩定固體電解質（SEI）膜的問題，并在1987年推出了以焦炭為負極，以鈷酸鋰（LCO）為正極的鋰離子電池，完全去除電池中的金屬鋰，這也是目前所有鋰離子電池體系的雛形，也正是因此吉野彰被稱為鋰離子電池之父，此后旭化成的合作伙伴索尼公司和A&T Battery公司成功的將鋰離子電池商業化，并在攝像機等消費電子產品巨大需求的刺激下迅速發展，取得了巨大的成功。

提到吉野彰研發的鋰離子電池，我們就不得不提另外一位重量級人物約翰·古迪納夫（John B. Goodenough）。早期的鋰離子電池，以及目前大多數的鋰離子電池采用的正極材料都是一種叫做鈷酸鋰的材料，而這種材料正是約翰·古迪納夫一手打造。他們與另一位科學家M.斯坦利·威廷漢（M. Stanley Whittingham）因對鋰離子電池發展作出突出貢獻，一起獲得了2019年諾貝爾化學獎，如圖1-4所示。

鋰離子電池依靠鋰離子（Li+）在正極和負極兩個電極之間往返嵌入和脫嵌來工作。鋰離子電池充電時，鋰離子從正極材料的晶格中脫嵌，經過電解質溶液和隔膜到達負極，而作為負極的碳呈層狀結構，它有很多微孔，到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高；鋰離子電池放電時，鋰離子從負極碳層中脫嵌，通過電解質溶液和隔膜重新嵌入正極材料晶格中，回到正極的鋰離子越多，電池的放電容量越大，如圖1-5所示。在整個充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。從充放電的可逆性來看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。鋰離子電池的電極反應表達式為

正極反應式：LiMO₂→Li_1-xMO₂+xLi++xe-

負極反應式：nC+xLi++xe-→Li_xC_n

電池總反應式：LiMO₂+nC→Li_1-xMO₂+Li_xC_n

式中M代表Co、Ni、Mn等金屬。

4.三種類型動力電池比較

表1-1為三種類型的動力電池性能對比。

鉛酸蓄電池作為純電動汽車動力源，在比能量、深度放電循環壽命、快速充電能力等方面均比鎳氫電池、鋰離子電池差，不適用于純電動汽車。但由于其價格低廉，國內外最終將其定位于速度不高、路線固定、充電站設立容易規劃的純電動汽車上。

鎳氫電池具有無污染、高比能量、大功率、快速充放電、安全性好、循環壽命長的優點。相比鉛酸蓄電池，能量密度接近普通鉛酸蓄電池3倍，循環使用壽命也遠長于鉛酸蓄電池，80%放電深度（DOD）循環壽命達1000次以上，在混動汽車上可以使用5年以上。鎳氫電池不含鉛、鎘等有害金屬，對環境更加友好。鎳氫電池使用溫度范圍較廣，正常工作溫度范圍為-30～55℃，工作可靠性更高。鎳氫電池在短路、針刺、擠壓、跌落、加熱等安全性測試上要優于鋰離子電池，而且成本也比鋰離子電池低，限制鎳氫電池在純電動汽車上應用的主要不足是能量密度遠低于鋰離子電池，影響純電動汽車續駛里程。

從表1-1中可以看出，鋰離子電池相比鉛酸電池、鎳氫電池，各方面性能均遙遙領先。與鎳氫電池相比：額定電壓是鎳氫電池3倍、能量密度也是鎳氫電池2.5倍左右，而且體積小、自重輕、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等。所以鋰離子電池很快成了混動和純電動汽車動力電池的不二選擇，國內外的汽車制造廠商紛紛在其混動和純電動汽車上搭載鋰離子電池。

目前阻礙鋰離子動力電池發展的主要問題在于安全性能和動力電池的管理系統復雜性方面。由于純電動汽車動力電池的工作電壓一般都超過100V，而單個鋰離子動力電池的工作電壓是3.7V（三元鋰電池），因此必須由多個電池串聯而提高電壓，但由于各單體電池難以做到完全均一的充放電，因此導致串聯的多個電池組內的單體電池會出現充放電不平衡的狀況，電池會出現充電不足和過放電現象，而這種狀況會導致電池性能的急劇惡化，最終導致整組電池無法正常工作，甚至報廢，從而大大影響電池的使用壽命和可靠性。此外鋰離子電池對工作溫度的要求也很高，理想的工作溫度是20～40℃，研究表明鋰離子動力電池的工作溫度每上升10℃，電池的可靠性會下降50%，工作性能下降30%，鋰離子動力電池自燃等故障往往是電池溫度過高引起的。鋰離子電池組需要配合熱管理系統使其能在正常的溫度范圍內工作。