21世紀(jì)電動(dòng)車(chē)用電池發(fā)展趨勢(shì)

1.前言
　　電動(dòng)車(chē)通常包括電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力源電動(dòng)車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)及一切電動(dòng)代步的休閑車(chē)等。目前全世界汽車(chē)廠(chǎng)家紛紛開(kāi)發(fā)并推廣使用電動(dòng)車(chē)，電動(dòng)車(chē)的蓬勃發(fā)展及遠(yuǎn)大前景，促進(jìn)了電池技術(shù)的發(fā)展，世界各大汽車(chē)公司紛紛投巨資并采取結(jié)盟的方式研究各種類(lèi)型的電池。
2.鉛酸電池(第一代電池)終將要退出
　　鉛酸電池的應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，也是最成熟，成本售價(jià)最低廉的電池。當(dāng)前存在的主要問(wèn)題是一次充電的行程短，一般約在30-40km；就是快速充電也要4-6h，且質(zhì)量能只有30Wh/kg。為此人們一直探索著如何改進(jìn)鉛酸電池的性能，開(kāi)發(fā)能量效率更高、穩(wěn)定性更好，電荷容量更大的新電池。這里講的電池都是指可通過(guò)相應(yīng)手段使電池能恢復(fù)性能的電池，即可充電的各種二次電池，可加注燃料的燃料電池，以及可通過(guò)更換鋅片的鋅空氣二次電池等。
　　在改進(jìn)鉛酸電池性能方面，人們現(xiàn)在已在廣泛使用免維護(hù)電池。免維護(hù)電池給人們帶來(lái)了使用的方便性。為使使用鉛酸電池更可靠，人們開(kāi)發(fā)了膠體電池。膠體電池也是鉛酸電池范疇的二次電池。它依然用密度為1.28g/cm3的硫酸水溶液，但在其中添加了Na2OSiO2，電解液呈膠體狀--乳白色的凝膠，構(gòu)成了膠體電解質(zhì)。膠體的狀況會(huì)隨著溫度和電場(chǎng)的作用而變化。當(dāng)電池放電時(shí)，膠體的凝聚性會(huì)更明顯；溫度降低，膠體內(nèi)部溶液擴(kuò)散遷移及傳導(dǎo)性變差，內(nèi)電阻增加。在溫度升到30℃以上，外施單格電壓超過(guò)2.6V，要產(chǎn)生充電氣泡；充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，溫度過(guò)高，特別是單格電壓超過(guò)2.7V，膠體常常會(huì)發(fā)生水解，放出大量H2和O2，并伴有硫酸和水外溢，膠體變成了液態(tài)。如及時(shí)停止充電，下降溫度，去掉外電壓，膠體還可重新恢復(fù)。它的性能、價(jià)格與鉛酸電池差不多，只是由于膠體電解質(zhì)具有不易滲漏性，能保證電源使用的可靠性。即使電池殼體產(chǎn)生了裂紋也可繼續(xù)使用，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)車(chē)輛的腐蝕作用。因此其可適用于道路狀況差(鄉(xiāng)間土路)和用電負(fù)荷變化大的車(chē)輛，如在中西部地區(qū)的山區(qū)、半山區(qū)、鄉(xiāng)村使用車(chē)輛的電池，軍用車(chē)輛的起動(dòng)用電池，以及由于環(huán)保要求，限制酸腐蝕的特種車(chē)輛等用的電池。由于電解質(zhì)中有Na2SO4存在，在極板硫化過(guò)程中，會(huì)同時(shí)產(chǎn)生硫酸鉛、硫酸鍋結(jié)晶，從而防止了極板生成粗大的硫酸鉛結(jié)晶體，使極板不易硫化，容易再次充電活化；不易喪失極板的多孔性；還能防止正極板上生出尖銳的硫酸鉛突起，避免隔板被刺穿形成極板間短路。從壽命講，膠體電池是現(xiàn)在泛用鉛酸電池的4倍以上，在50℃-30℃仍能很好工作，且工作性能相當(dāng)穩(wěn)定，可謂是比鉛酸電池性能有了大幅度提高。估計(jì)此電池還能比普通鉛酸電池能多存在一段時(shí)間，但此電池畢竟是鉛酸電池。隨著人們對(duì)環(huán)保要求的深入，含鉛的重金屬產(chǎn)品將會(huì)在2004年隨著世界禁鉛運(yùn)動(dòng)的深入而逐漸被淘汰。盡管膠體電池有許多優(yōu)點(diǎn)，但終歸也要退出歷史舞臺(tái)。
3.第二代電池具有較好的發(fā)展勢(shì)頭
3.1鎳氫電池將會(huì)有一席之地
　　鎳氫電池是目前人們看好的第二代電池之一，是一取代鎳鎘電池的產(chǎn)品，當(dāng)然也是取代鉛酸電池的產(chǎn)品。
　　鎳氫電池的生產(chǎn)過(guò)程中，存在著燒結(jié)體技術(shù)和發(fā)泡體技術(shù)兩種。一般的生產(chǎn)廠(chǎng)家都經(jīng)歷了一個(gè)從發(fā)泡體向燒結(jié)體技術(shù)發(fā)展的過(guò)程。以燒結(jié)體技術(shù)對(duì)鎳氫電池正板進(jìn)行處理，電池的內(nèi)電阻會(huì)大幅度減少，具有放電電壓穩(wěn)定和能進(jìn)行大電流放電的特性。
　　燒結(jié)體鎳氫電池還具有電池不易老化，不需要預(yù)充電，以及低溫放電特性比較好等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)燒結(jié)處理的正極，其鎳化合物粒子會(huì)轉(zhuǎn)換成活性的鎳化合物，能確保電池有平衡的輸出電壓，且具長(zhǎng)時(shí)間的性能穩(wěn)定性、長(zhǎng)壽命和電池不老化。以發(fā)泡鎳技術(shù)生產(chǎn)的電池在放置一段時(shí)間后，要有20%左右的電荷量流失。將這樣的電池裝車(chē)會(huì)發(fā)現(xiàn)與裝新電池的差距很大，也說(shuō)明其老化現(xiàn)象十分明顯。為避免發(fā)泡鎳電池的老化所造成的內(nèi)阻增高，發(fā)泡鎳電池在出廠(chǎng)時(shí)必須得進(jìn)行預(yù)充電，且要提醒用戶(hù)，使用此種電池的放電電壓不能低于0.9V(單元體電池)，給用戶(hù)的使用帶來(lái)了極大的不方便。除此外，發(fā)泡鎳電池的工作電壓極不穩(wěn)定，不能進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間存放和流通。這也給銷(xiāo)售和用戶(hù)造成了很大負(fù)擔(dān)。
燒結(jié)體鎳電池由于鎳極本身就是活性體，無(wú)需進(jìn)行任何活性處理，不用進(jìn)行預(yù)充電，能長(zhǎng)時(shí)間的擱置和流通，從而為電池的使用提供了方便條件。燒結(jié)鎳電池同樣具備鎳電池的低電阻和大電流，還具有發(fā)泡體鎳電池所無(wú)法達(dá)到的低溫工作特性。因此可以說(shuō)，存在著重金屬鎘污染的鎳鎘電池終究要被鎳氫電池所取代。而鎳氫電池中的燒結(jié)體技術(shù)鎳氫電池將以其優(yōu)異的性能取代發(fā)泡體技術(shù)鎳氫電池，發(fā)泡鎳氫電池在電池發(fā)展史上將僅是曇花一現(xiàn)的產(chǎn)品而已。鎳氫電池現(xiàn)在正得到廣泛應(yīng)用，但由于其存在著高溫使用電荷量急劇下降等缺點(diǎn)，其也并非是一理想電池，也有可能只是一個(gè)過(guò)渡性的二次電池。?
3.2鎳鋅電池可能是電動(dòng)車(chē)的理想動(dòng)力源
　　新型密封鎳鋅電池具有高質(zhì)量能、高質(zhì)量功率和大電流放電的優(yōu)勢(shì)。這種優(yōu)勢(shì)使得鎳鋅電池能夠滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)輛在一次充電行程、爬坡和加速等方面對(duì)能量的需求。鎳鋅電池是美國(guó)國(guó)家能源研究公司(ERC)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的產(chǎn)品，廈門(mén)電池總廠(chǎng)已與其合作引進(jìn)了此產(chǎn)品。鎳鋅電池是一極具競(jìng)爭(zhēng)力的電池。其質(zhì)量能與鎳氫電池相當(dāng)，體積能量已超過(guò)鎳鎘電池，小于鎳氫電池。大電流放電，電池的電壓將在寬廣的范圍是平衡的，且具很長(zhǎng)的使用壽命。下面以12V·30Ah密封鎳鋅電池為例，介紹一下鎳鋅電池性能。如以C/3放電，電池電荷容量≥30Ah，以C/3大電流連續(xù)放電≥22.5Ah；以C/3放電，質(zhì)量能≥50Wh/kg，體積能≥90Wh/L；瞬間質(zhì)量功率≥150W/kg(20%荷電狀態(tài)，5C放電30s)，體積功率≥250W/L(20%荷電狀態(tài)，5C放電30s)；瞬間再生質(zhì)量功率≥80W/kg(80%荷電狀態(tài)，2C放電10s)，體積功率≥150W/L(80%荷電狀態(tài)，2C放電10s)；充電時(shí)間運(yùn)≤3.5h，快速充電≤1h(40%荷電狀態(tài)，20A充電或80%荷電狀態(tài)，7A充電)；循環(huán)壽命≥500次(C/3放電，80%放電深度)或C/3≥450次(C/3放電，100放電深度)。特別值得一提的是自放電抗電荷量衰減性十分好，在室溫下擱置一個(gè)月，自放電量不到30%額定電荷量。在50℃高溫，以C/3放電，電池電荷量衰減≤10%額定電荷量，而在-15℃，C/3放電≤30%。此電池與鉛酸電池外廓上具有很好的兼容性。12V·30Ah電池的長(zhǎng)×寬×高=325mm×94mm×163mm，質(zhì)量8kg，體積4.98L。12V·10Ah電池的長(zhǎng)×寬×高=152mm×98mm×99mm，質(zhì)量2.7kg，體積1.47L。凡現(xiàn)在應(yīng)用鉛酸電池的車(chē)輛，均可換用鎳鋅電池。從現(xiàn)在的價(jià)格看，鎳鋅還顯稍貴些，但相信待其應(yīng)用量上去后，價(jià)格自然會(huì)降下來(lái)，由此可以說(shuō)，鎳鋅電池有可能成為電動(dòng)車(chē)的理想動(dòng)力電源。
3.3鋰電池前景樂(lè)觀(guān)
　　1990年以后，由于日本開(kāi)發(fā)成功鎳氫電池得到了人們的高度重視，應(yīng)用量急速增加。但自1994年日本新力電池公司推出鋰離子電池后，人們又開(kāi)始認(rèn)同鋰電池，一些鎳氫電池企業(yè)紛紛轉(zhuǎn)產(chǎn)生產(chǎn)鋰電池。一時(shí)間人們所熱崇的鎳氫電池似有被冷落的意思。
鋰電池可分為鋰離子電池和鋰分子(高聚合物)電池兩種。鋰電池具有體積小，質(zhì)量能和質(zhì)量功率高、電壓高、高安全性(固態(tài))、環(huán)保性好和無(wú)污染性等優(yōu)點(diǎn)。鋰電池的能量密度(體積能和質(zhì)量能)幾乎是鎳鎘電池的1.5-3倍，也就是說(shuō)在同樣大小能量的情況下，鋰電池的體積和質(zhì)量可減小1/2左右。單元電池的平均電壓為3.6V，相當(dāng)于3個(gè)鎳鎘或鎳氫電池串接起來(lái)的電壓值。能減少電池組合體的數(shù)量，從而因單元電池電壓差所造成的電池故障的概率可減少許多，也就是說(shuō)大大延長(zhǎng)了電池組合體的壽命。
相對(duì)于鎳鎘電池和鎳氫電池，充電時(shí)不用先進(jìn)行放電(因鋰電池?zé)o記憶性)，給使用帶來(lái)了極大的方便性，同時(shí)也節(jié)省了電能。鋰電池還具備自放電低的優(yōu)點(diǎn)在非使用狀態(tài)下貯存，內(nèi)部幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，相當(dāng)穩(wěn)定。鋰電池的自放電率僅為5%-10%。由于鋰電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬，因此可以說(shuō)是一綠色的環(huán)保電池。
　　由于鋰離子(分子)電池的負(fù)極采用的是硬石墨電極，從端子電壓的測(cè)定就能清楚知道電池所剩的電荷量，具有檢測(cè)精度高等實(shí)際應(yīng)用上的優(yōu)點(diǎn)。據(jù)報(bào)道，現(xiàn)一般的鋰離子電池質(zhì)量能為100Wh/kg，質(zhì)量功率高達(dá)1500W/kg，是鎳氫等電池?zé)o法與之相比的。這也是人們所以看中鋰電池的根本所在。
然而，在開(kāi)發(fā)鋰電池過(guò)程中，也是經(jīng)歷了一些技術(shù)進(jìn)步和不斷完善的過(guò)程。
首先，鋰電池處于過(guò)充電狀態(tài)時(shí)，鈷系鋰電池要將正極材料氧化鋰鉆分解成強(qiáng)還原劑氧化鈷，要使鋰在極板上形成樹(shù)枝狀的針尖狀物質(zhì)。此樹(shù)枝狀針尖狀物質(zhì)極易刺穿正極板間厚度僅數(shù)微米的隔離膜而造成短路。造成強(qiáng)還原劑和強(qiáng)氧化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而急劇釋放出大量能量，引起電池爆炸和引發(fā)火災(zāi)。為此人們將鈷系改成錳系，有效解決了上述問(wèn)題。
　　其次是選擇特殊的隔離膜材料，使之能在過(guò)充電電池溫度上升到一定溫度時(shí)熔融，起到保護(hù)作用。
第三是加裝安全閥，防止高溫環(huán)境下電解液汽化，以避免壓力升高造成意外。人們?cè)诮鉀Q了這個(gè)難題后，現(xiàn)鋰電池安全性也就可有了保證。
為進(jìn)一步增進(jìn)鋰電池的安全性，人們?cè)趯?shí)際應(yīng)用鋰電池時(shí)往往還要加裝鈕電池保護(hù)電路模塊(PCM)。它由IC和MOSFET開(kāi)關(guān)等主要元件組成，具有過(guò)充電(小于4.25-4.35V)保護(hù)和過(guò)放電(大于2.75-2.8V)保護(hù)，以及過(guò)電流保護(hù)功能。
　　此外，在PCM上還可加PTC或NTC等溫度傳感器進(jìn)一步監(jiān)控充電時(shí)的溫度是否正常。還可加上ID碼識(shí)別電池種類(lèi)，以確定適合的充電方式，或加上顯示燈，給予顯示電池剩余電荷量。
總之，鋰電池已日臻完善，在電動(dòng)車(chē)上它大有取代鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池之勢(shì)，它將隨著電動(dòng)車(chē)的普及發(fā)展而成長(zhǎng)壯大。在環(huán)保日漸人心，在為子孫后代節(jié)省化石能源的責(zé)任感下，電動(dòng)車(chē)定會(huì)得到大發(fā)展，鋰電池也將呈亮麗的發(fā)展之勢(shì)，它將與燃料電池一并成為21世紀(jì)電動(dòng)車(chē)的主要電池。
4.燃料電池及其技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r
　　燃料電池是人們努力開(kāi)發(fā)的一種電池。各公司都在致力于開(kāi)發(fā)甲醇改質(zhì)氫燃料電池、汽油改質(zhì)氫和純氫燃料電池，且將其裝車(chē)進(jìn)行著試驗(yàn)，有可能在2004年比較成熟和具有實(shí)用意義的燃料電池車(chē)將投放市場(chǎng)。特別是燃料電池的過(guò)渡型車(chē)型--燃料電池混用鋰離子電池的電動(dòng)車(chē)，如三菱的MFCV是極有成功希望的車(chē)。三菱已設(shè)定了2005年達(dá)到實(shí)用化。
常用的燃料電池較多，這里主要談兩種。
4.1MK900燃料電池組
　　目前加拿大巴拉德(Ballard)動(dòng)力系統(tǒng)公司又推出了功率最大的MK900燃料電池組，并已著手進(jìn)行批量生產(chǎn)上市。?
　　MK900的體積只有現(xiàn)產(chǎn)品MK700的一半，一般的車(chē)輛只用一個(gè)燃料電池組即可，其功率為75kW，質(zhì)量比用MK700減少30%；其體積功率為1.3kW/L。MK900型燃料電池能在-25℃的低溫下能正常工作。MK900燃料電池采用甲醇改質(zhì)供氫。它將取代當(dāng)今世界一些燃料電池車(chē)所裝用MK700，如Necar4、P2000、本田FCX和日本FCV等車(chē)。從現(xiàn)在看，MK900大有席卷燃料電池車(chē)用燃料電池之勢(shì)，然而它畢竟還是甲醇改質(zhì)氫燃料電池范疇。從燃料供應(yīng)、生產(chǎn)和使用成本上看價(jià)格還顯高一些，使用起來(lái)還很不方便。
美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)已開(kāi)發(fā)出甲燒等碳?xì)浠衔锶剂系男滦腿剂想姵?，其成本大大低于以氫為燃料的燃料電池。該燃料電池的最大特點(diǎn)是甲烷氣體與氧直接反應(yīng)產(chǎn)生電能，其效率高，安全性好，便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，成本低廉。
　　產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，也試用過(guò)其它碳?xì)浠衔?，但由于其化學(xué)反應(yīng)后很容易在鎳正電極上產(chǎn)生積碳等集聚物，故被放棄。在改用銅和陶瓷混合物制造的正極后，有效解決了一些燃料的積碳等集聚物問(wèn)題，同時(shí)也最后才確定了甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5種氣體燃料為最佳燃料。
目前此燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率還比較低。但其工作原理已有了很大發(fā)展，已從燃料電池只能由氫和氧結(jié)合生成電和水，發(fā)展到了利用甲烷等氣體與氧化合生成電和水。此電池經(jīng)改進(jìn)后，還可直接使用汽油和柴油。據(jù)此，此燃料電池的發(fā)展，極具實(shí)際使用意義。此工作原理燃料電池開(kāi)發(fā)成功，并經(jīng)不斷完善后，極有可能成為燃料電池的主流，進(jìn)而取代生產(chǎn)成本和使用成本都很高的氫燃料電池。?
4.2鋅空氣電池
　　鋅空氣電池亦稱(chēng)鋅氧電池，是金屬空氣電池的一種。鋅空氣電池現(xiàn)在的質(zhì)量能已達(dá)到了230Wh/kg，幾乎是鉛酸電池的8倍。也就是在相同質(zhì)量的情況下，電動(dòng)車(chē)"充"一次電的行程是鉛酸電池的8倍。根據(jù)計(jì)算，鋅空氣電池質(zhì)量能的理論值是1350Wh/kg，可見(jiàn)鋅空氣電池的發(fā)展空間非常大。
鋅空氣電池只能采取抽換鋅電極的辦法進(jìn)行"機(jī)械式充電"。更換電極的時(shí)間在3min即可完成。換上新的鋅電極，"充電"即告結(jié)束。它是一種有別于利用市電充電的常規(guī)二次電池的新型二次電池。"充電"時(shí)間極短，非常方便。可隨車(chē)攜帶一些鋅電極，為使用帶來(lái)了極大方便。如此種電池得到發(fā)展，省去了充電站等社會(huì)保障設(shè)施的興建。鋅電極可在超市、電池經(jīng)營(yíng)點(diǎn)、汽配商店等購(gòu)買(mǎi)，對(duì)普及此電池電動(dòng)車(chē)十分有利。
鋅空氣電池是以活性物質(zhì)鋅作為正極，以空氣中的氧作為負(fù)極的電池。在原理上等同于鋅--固體燃料在燃燒，從此意義上理解也可稱(chēng)其為燃料電池。負(fù)極活性物質(zhì)氧直接來(lái)源于空氣，不受電池體積大小的影響，電池的體積只取決于正極材料的大小。因此其體積能和功率相當(dāng)高。?
　　空氣是無(wú)形的，不能直接構(gòu)成電板，需利用多孔的石墨作為負(fù)極?？諝庵械难跻芙獾诫娊庖褐校S后為石墨吸附。正極鋅與吸附的氧產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電流。鋅不間斷進(jìn)行氧化，不間斷釋放出電流。只要有鋅和空氣，就能進(jìn)行鋅氧化"燃燒"。從理論上講石墨電極不損耗，只參予工作，因此可不必更換。鋅要隨所提供電能的增加而減少，直至耗盡。此時(shí)要換裝新的鋅電極。從正電板看，鋅空氣電池是一個(gè)完整的電池，而對(duì)于負(fù)極來(lái)說(shuō)，其充其量只是個(gè)能量轉(zhuǎn)換器，但鋅空氣電池確確實(shí)實(shí)是二次電池。現(xiàn)在試驗(yàn)電池的電荷容量?jī)H是鉛酸電池的5倍，不甚理想。但5倍于鉛酸電池的電荷量已引起了世人的關(guān)注，美國(guó)、墨西哥、新加坡及一些歐洲國(guó)家都已在郵政車(chē)、公共汽車(chē)、摩托車(chē)上進(jìn)行試用。
　　鋅空氣電池于1993年始于德國(guó)，經(jīng)過(guò)幾年的努力現(xiàn)已基本成熟，且也可工業(yè)化生產(chǎn)。美國(guó)的鋅空氣電池采用的鋅粉，配合液體氫氧化鉀使鋅粉在空氣中進(jìn)行氧化生成電能。這種電池具有體積小，電荷容量大，質(zhì)量小，能在寬廣的溫度范圍內(nèi)正常工作，且無(wú)腐蝕，工作安全可靠，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，也許是一極有前途的電動(dòng)車(chē)用電池。?