前言
目前能夠被電動(dòng)自行車采用的有以下四種動(dòng)力蓄電池，即閥控鉛酸免維護(hù)蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。
在現(xiàn)有的所有替代燃料電池里，EV和PHEV無(wú)疑是未來(lái)減少油耗和減少排放的最好的選擇，從民用車到賽車上的普及，混動(dòng)和純電動(dòng)車都已經(jīng)得到大多數(shù)人的認(rèn)可。在我國(guó)來(lái)說(shuō)，受益于了政策的影響，使得新能源車得以以一個(gè)史無(wú)前例的速度在發(fā)展著，而儲(chǔ)能對(duì)于EV和PHEV來(lái)說(shuō)相當(dāng)重要，基于電子產(chǎn)品在技術(shù)上的積累，動(dòng)力電池在發(fā)展上有了一定基礎(chǔ)，在一個(gè)較高的基礎(chǔ)上的起步，使得在動(dòng)力電池在如今的應(yīng)用上也有了相當(dāng)優(yōu)秀成績(jī)。我們今天就來(lái)聊聊這個(gè)新能源車的另一顆心臟--動(dòng)力電池。
在電動(dòng)車和混動(dòng)車上，有三個(gè)影響其發(fā)展的問(wèn)題，一是應(yīng)用成本問(wèn)題，好比如我們買一電動(dòng)或混動(dòng)車，由于鋰電池相對(duì)較高的價(jià)格，最后直接導(dǎo)致的是消費(fèi)在購(gòu)買一臺(tái)車的時(shí)候，要比買普通汽車貴幾萬(wàn)塊錢，無(wú)疑超過(guò)消費(fèi)者對(duì)同等級(jí)車的消費(fèi)預(yù)算；二是電池的循環(huán)壽命和日歷壽命問(wèn)題，也就是電池的充放電次數(shù)和使用時(shí)間的問(wèn)題；三是最不容忽視的安全問(wèn)題，最近的電動(dòng)車自燃的新聞也使消費(fèi)者更加關(guān)注這個(gè)問(wèn)題，高品質(zhì)材料、安全監(jiān)測(cè)和更高的制造標(biāo)準(zhǔn)在安全性的提高方面起到相當(dāng)重要的作用。然而對(duì)于動(dòng)力電池這一切，你又了解多少呢？
目前能夠被電動(dòng)自行車采用的有以下四種動(dòng)力蓄電池，即閥控鉛酸免維護(hù)蓄電池、膠體鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池。
1、鉛酸蓄電池
目前市場(chǎng)上能夠大量提供的是鉛酸蓄電池，鉛酸蓄電池已經(jīng)有130年的歷史了，可以說(shuō)是使用最多的蓄電池。它的性能可靠，生產(chǎn)工藝成熟，價(jià)格也較低。目前已商品化的電動(dòng)自行車的絕大多數(shù)是使用的密封式鉛酸蓄電池，使用中不需要補(bǔ)充水分，免維護(hù)。其主要化學(xué)反應(yīng)是：PbO2+2H2SO4+Pb←充電、放電→ PhSO4+2H2O+PhSO4
鉛酸蓄電池充電時(shí)變成硫酸鉛的陰陽(yáng)兩極的海綿狀鉛把固定在其中的硫酸成分釋放到電解液中，分別變成海綿狀鉛和氧化鉛，電解液中的硫酸濃度不斷變大；反之放電時(shí)陽(yáng)極中的氧化鉛和陰極板上的海綿狀鉛與電解液中的硫酸發(fā)生反應(yīng)變成硫酸鉛，而電解液中的硫酸濃度不斷降低。當(dāng)鉛酸蓄電池充電不足時(shí)，陰陽(yáng)兩極板的硫酸鉛不能完全轉(zhuǎn)化變成海綿狀鉛和氧化鉛，如果長(zhǎng)期充電不足，則會(huì)造成硫酸鉛結(jié)晶，使極板硫化，電池品質(zhì)變劣；反之如果電池過(guò)度充電，陽(yáng)極產(chǎn)生的氧氣量大于陰極的吸附能力，使得蓄電池內(nèi)壓增大，導(dǎo)致氣體外溢，電解液減少，還可能導(dǎo)致活性物質(zhì)軟化或脫落，電池壽命大大縮短。
鉛酸蓄電池重量比能量為28-40 Wh/Kg，體積比能量64-72 Wh/I，太重、太大，而能提供的電能較少，使用壽命較短，作為電動(dòng)自行車的動(dòng)力電源一般只能夠使用一年左右，若是性能差或使用不當(dāng)?shù)闹挥卸⑷齻€(gè)月。此外，鉛酸蓄電池還有深度放電能力和低溫放電能力較差，不能快速充電（但是近來(lái)在鉛酸蓄電池的快速充電的研究方面已有些進(jìn)展）等缺點(diǎn)。鉛酸蓄電池的改進(jìn)型——膠體鉛酸蓄電池，用膠體電解液代換硫酸電解液，在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通鉛酸蓄電池有改善。但是總而言之，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，鉛酸蓄電池在電動(dòng)車上的利用前景不佳。報(bào)廢的鉛酸蓄電池因廢棄會(huì)造成二次污染，這也是有些地方政府不肯支持電動(dòng)自行車大量上路的重要原因之一。
2、膠體鉛酸蓄電池
膠體蓄電池是對(duì)液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸蓄電池的改進(jìn)。它采用凝膠狀電解質(zhì)，內(nèi)部無(wú)游離的液體存在， 在同等體積下電解質(zhì)容量大，熱容量大，熱消散能力強(qiáng)，能避免一般蓄電池易產(chǎn)生的熱失控現(xiàn)象；電解質(zhì)濃度低，對(duì)極板腐蝕弱；濃度均勻，不存在酸分層的現(xiàn)象。
上述改進(jìn)使其在多項(xiàng)重要性能優(yōu)于閥控式鉛酸免維護(hù)蓄電池，例如：使用性能穩(wěn)定，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)能力（高、低溫）強(qiáng)，承受長(zhǎng)時(shí)間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力強(qiáng)，有過(guò)充電及過(guò)放電自我保護(hù)，電池在100%放電后仍可繼續(xù)接在負(fù)載上，在幾周內(nèi)充電仍可恢復(fù)至原容量等等優(yōu)點(diǎn)。
3、鎳氫蓄電池（Ni-MH）
鎳氫蓄電池是九十年代涌現(xiàn)出的電池家族中新秀，發(fā)展迅猛。Ni-MH電池的電極反應(yīng)為：
正極：Ni（OH）2+OH-= NiOOH+H20 +e-
負(fù)極：M+H2O+e=MHab+OH-Ni（OH）2+M=NiOOH+MHab
它和鎳鎘蓄電池同屬堿性蓄電池，只是以吸藏氫氣的合金材料（mh）取代鎳鎘蓄電池中的負(fù)極材料鎘cd、電動(dòng)勢(shì)仍為1.32v。它具備鎳鎘蓄電池的所有優(yōu)異特性，而且能量密度還高于鎳鎘蓄電池。主要優(yōu)點(diǎn)是：比能量高（一次充電可行使的距離長(zhǎng)）；比功率高，在大電流工作時(shí)也能平穩(wěn)放電（加速爬坡能力好）；低溫放電性能好；循環(huán)壽命長(zhǎng)；安全可靠，免維護(hù)；無(wú)記憶效應(yīng)；對(duì)環(huán)境不存在任何污染問(wèn)題，可再生利用，符合持續(xù)發(fā)展的理念。但是，Ni-MH蓄電池成本太高，價(jià)格昂貴。
4、鋰離子電池
鋰是世界最輕的金屬，構(gòu)成電池時(shí)，輸出電壓近4v。鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池。其優(yōu)點(diǎn)是比能量高，是當(dāng)前比能量最高的蓄電池。已經(jīng)在便攜式信息產(chǎn)品中獲得推廣應(yīng)用。1995年，索尼公司又開發(fā)成功用于電動(dòng)車的鋰離子蓄電池，共分兩種類型：一種是用于純電動(dòng)車（EV）容量為100Ah的圓柱形單體電池，稱為高能型鋰離子蓄電池；另一種是用于混合動(dòng)力車（HEV），容量為22Ah，8只串聯(lián)成電池模塊，但其輸出功率為前者的2.7倍，稱為高功率型鋰離子電池。高能型電池已于1996年裝在日產(chǎn)汽車公司開發(fā)的第一輛鋰離子電動(dòng)汽車上（日產(chǎn)Al-traEV），在北京第一屆國(guó)際電動(dòng)車展覽會(huì)上展出。該車一次充電可行駛200km，最高時(shí)速120Km/h。
鋰離子電池被普遍認(rèn)為具有如下的優(yōu)點(diǎn)：比能量大；比功率高；自放電??； 無(wú)記憶效應(yīng)；循環(huán)特性好；可快速放電，且效率高；工作溫度范圍寬；無(wú)環(huán)境污染等，因此有望進(jìn)入21世紀(jì)最好的動(dòng)力電源行列。預(yù)計(jì)在2006～2012 年期間，當(dāng)鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，MH/Ni蓄電池的市場(chǎng)份額將縮小。鋰離子市場(chǎng)份額將會(huì)擴(kuò)大。目前也已經(jīng)有采用鋰離子蓄電池的電動(dòng)自行車產(chǎn)品出售。
由于鎳氫蓄電池和鋰離子蓄電池是綠色蓄電池，不會(huì)因廢棄造成二次污染，容易被政府環(huán)保部門接受，并且有較好的出口前景，目前雖然價(jià)格比較貴，仍有較大降價(jià)空間，應(yīng)該大力提倡。
什么時(shí)候?qū)﹄妱?dòng)車蓄電池進(jìn)行充電最佳？當(dāng)電動(dòng)車上的電量顯示表指針在最低或即將接近最低位置時(shí)，對(duì)電動(dòng)車進(jìn)行充電是最佳，有利于蓄電池的使用壽命。如您每天騎行里程在5-10km之內(nèi)，建議您不要充電，也就是說(shuō)不要短里程、勤充電。否則會(huì)造成電池使用壽命提前終止。
是否可以對(duì)單個(gè)或其中幾個(gè)電池進(jìn)行置換或另作它用？當(dāng)您的電動(dòng)車蓄電池其中一個(gè)或幾個(gè)電池出現(xiàn)故障后，要整組更換，不得單獨(dú)調(diào)換其中那只存在故障的電池。僅維護(hù)電池可酌情這樣操作。特別提醒您：一組電池不得將其中一個(gè)或幾個(gè)另作它用。
鋰電池具有著相對(duì)較高的比能量和比功率，為車輛提供更好的加速性能，相比鎳氫電池有更短的充放電時(shí)間，并且能在適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電池管理下能使鋰電池有更長(zhǎng)的使用壽命，因?yàn)殇囯姵貛缀醪淮嬖谟洃浶?yīng)，是現(xiàn)在公認(rèn)的新能源車儲(chǔ)能方面最好的解決方案。
但是事情總不是看起來(lái)這么順利，鋰電池也是有缺點(diǎn)的，它的價(jià)格相對(duì)更加昂貴，對(duì)于成本方面的控制是一大難題；除此之外，鋰是一種非常易燃的物質(zhì)，不能被普通ABC滅火器所熄滅，如不對(duì)其進(jìn)行合理的使用與管理那也是相當(dāng)危險(xiǎn)，所以現(xiàn)在大多數(shù)廠家都通過(guò)改變電池的化學(xué)成分來(lái)解決這個(gè)安全問(wèn)題，例如我們現(xiàn)在較常見的磷酸鐵鋰電池等，這解決了鋰易燃的缺點(diǎn)；而且相對(duì)鎳基材料，鋰離子相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)于環(huán)境更友好。
如果說(shuō)電芯是電池不可或缺的器官，而電芯的材料則是電池的基因，也就是電池有什么樣的表現(xiàn)，電芯的材料起到了基礎(chǔ)性的作用。
材料的選擇也是相當(dāng)重要。下表這些都是可供選擇的正極材料。在鋰電池中，正極材料是最關(guān)鍵的原材料，占了30%的電池成本，但也其實(shí)并不是所有材料都適合應(yīng)用于動(dòng)力電池。
而且磷酸鐵鋰的熱失控點(diǎn)較高，相比來(lái)說(shuō)也會(huì)更加安全。
而對(duì)于乘用車來(lái)說(shuō)，需要能量密度更高的三元鋰電池，現(xiàn)在達(dá)到約170Wh/kg這個(gè)數(shù)字，更多的優(yōu)化手段可以很快使來(lái)使之達(dá)到200Wh/kg+，至于什么手段，這涉及到商業(yè)機(jī)密，企業(yè)并沒(méi)有透露，據(jù)寧德時(shí)代的介紹，再加入硅的話，他們能將能量密度做到將近300Kwh/kg這樣的好成績(jī)；不過(guò)在上面的表中也有說(shuō)到，三元鋰電池的熱失控溫度要比磷酸鐵鋰電池的要低出不少，據(jù)寧德時(shí)代介紹，他們通過(guò)優(yōu)化材料本身和電解液體系等一系列方法來(lái)彌補(bǔ)三元鋰電池的這一硬傷來(lái)實(shí)現(xiàn)更佳的安全性。
負(fù)極材料：做為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物，如各種碳材料，通?？梢苑譃檐浱?、硬碳和石墨等。
那么，想實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程還要怎么做呢？
雖說(shuō)硅的理論克容量更高，但是并不適合單獨(dú)做為負(fù)極材料，所以使用硅與石墨的混合和復(fù)合，通過(guò)硅的特性來(lái)提高電芯整體的能量密度。
寧德時(shí)代采用了高克容量的正極和負(fù)極，使之達(dá)到更高的質(zhì)量能量密度和體積密度，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)電池更高的續(xù)航里程，進(jìn)一步解決純電行駛里程不足的弊端。并且三元正極在往高鎳、高電壓的方向發(fā)展，而負(fù)極方面則是往含硅的負(fù)極和鋰金屬方向發(fā)展，鋰金屬可以達(dá)到更高的能量密度，理論克容量約3600，雖不如硅高，但是勝在負(fù)極材料可以使用純鋰金屬材料，而硅不能用純硅。
負(fù)極方面：我們知道了在充電的時(shí)候，是鋰離子從負(fù)極通過(guò)電解液運(yùn)動(dòng)到正極這樣一過(guò)程，提高充電能力達(dá)到“快充”這個(gè)目的就是要解決怎么使負(fù)極快速地接收鋰離子。普通我們所使用的負(fù)極材料石墨是長(zhǎng)程，且有序排列的，而鋰離子是從石墨端面進(jìn)入的，長(zhǎng)程有序
這就使得端面較少，使得鋰離子進(jìn)入負(fù)極的時(shí)間就慢，所以要實(shí)現(xiàn)”快充”，寧德時(shí)代告訴我們，需要開發(fā)出一些端面是短程無(wú)序的石墨，這樣可以使鋰離子有更多的通道進(jìn)入到負(fù)極。
電解液方面：可以添加一些添加劑等技術(shù)來(lái)優(yōu)化其傳導(dǎo)鋰離子的能力。
正極方面：在提高充電能力上，需要提高正極本身的導(dǎo)離子能力的優(yōu)化，并且還需要調(diào)整其配方，來(lái)提高鋰離子的導(dǎo)電性。
所以，通過(guò)正負(fù)極和電解液的優(yōu)化，來(lái)整體地實(shí)現(xiàn)電池的充電能力。
據(jù)了解，CATL的事故率至今還是0起，他們的高安全性能是怎么做到的呢？
對(duì)于企業(yè)的具體做法，他們還是有著很高的保密規(guī)定，但我們可以知道，CATL從這些角度出發(fā)來(lái)優(yōu)化電芯的安全性，進(jìn)一步提高電池的安全性，當(dāng)然電池的安全性遠(yuǎn)不是靠?jī)?yōu)化電芯就能實(shí)現(xiàn)，還有模組結(jié)構(gòu)、電池包結(jié)構(gòu)、電池管理系統(tǒng)架構(gòu)與策略和安全性與可靠性冗余設(shè)計(jì)等等。