了解五大新能源汽車電池類型及盤點
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-20 09:14
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鉛酸電池作為比較成熟的技術(shù)，因其成本較低，而且能夠高倍率放電，依然是唯一可供大批量生產(chǎn)的電動車用電池。北京奧運會時，有20輛使用鉛酸電池的電動汽車，為奧運會提供交通服務(wù)。
但是鉛酸電池的比能量、比功率和能量密度都很低，以此為動力源的電動車不可能擁有良好的車速及續(xù)航里程。
二、鎳鎘電池和鎳氫電池
雖然性能好于鉛酸電池，但含有重金屬，使用遺棄后對環(huán)境會造成污染。 鎳氫動力電池剛剛進(jìn)入成熟期，是目前混合動力汽車所用電池體系中唯一被實際驗證并被商業(yè)化、規(guī)?；碾姵伢w系，現(xiàn)有混合動力電池99%的市場份額為鎳氫動力電池，商業(yè)化的代表是豐田的普銳斯。目前全球主要的汽車動力電池廠商主要有日本的PEVE和 Sanyo，PEVE占據(jù)全球Hybrid動力車用鎳氫電池85％的市場份額，目前主要的商業(yè)化的混合動力汽車如豐田的Prius、Alphard和 Estima，以及本田的Civic，Insight等均采用PEVE的鎳氫動力電池組。在我國，長安杰勛、奇瑞A5、一汽奔騰、通用君悅等品牌轎車已經(jīng)在示范運行，他們采用的也都是鎳氫電池，不過電池主要向國外采購，國內(nèi)鎳氫電池在汽車上的運用仍處于研發(fā)匹配階段。
三、鋰電池
傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池和鎳氫電池本身技術(shù)比較成熟，但它們用在汽車上作為動力電池則存在較大的問題。目前，越來越多的汽車廠家選擇采用鋰電池作為新能源汽車的動力電池。
因為鋰離子動力電池有以下優(yōu)點：工作電壓高（是鎳鎘電池氫-鎳電池的3倍）；比能量大（可達(dá)165WH/㎏，是氫鎳電池的3倍）；體積??；質(zhì)量輕；循環(huán)壽命長；自放電率低；無記憶效應(yīng)；無污染等。
當(dāng)前許多知名的汽車制造商都致力于開發(fā)動力鋰電池汽車，如美國福特、克萊斯勒，日本豐田、三菱、日產(chǎn)、韓國現(xiàn)代、法國Courreges、Ventury等。而
國內(nèi)汽車制造商比亞迪、吉利、奇瑞、力帆、中興等車企也紛紛在自己的混合動力和純電動汽車中搭載動力鋰電池。
目前阻礙動力鋰離子電池發(fā)展的瓶頸是：安全性能和汽車動力電池的管理系統(tǒng)。安全性能方面，由于鋰離子動力電池具有能量密度大、工作溫度高、工作環(huán)境惡劣等方面的原因，加上以人為本的安全理念，因此，用戶對電池的安全性提出了非常高的要求。汽車動力電池的管理系統(tǒng)方面，由于汽車動力電池的工作電壓是12V或24V，而單個動力鋰離子電池的工作電壓是3.7V，因此必須由多個電池串聯(lián)而提高電壓，但由于電池難以做到完全均一的充放電，因此導(dǎo)致串聯(lián)的多個電池組內(nèi)的單個電池會出現(xiàn)充放電不平衡的狀況，電池會出現(xiàn)充電不足和過放電現(xiàn)象，而這種狀況會導(dǎo)致電池性能的急劇惡化，最終導(dǎo)致整組電池?zé)o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能。
四、磷酸鐵鋰電池
磷酸鐵鋰電池也是一種鋰電池，其比能量不到鈷酸鋰電池的一半，但是其安全性高，循環(huán)次數(shù)能達(dá)到2000次，放電穩(wěn)定，價格便宜，成為車用動力新的選擇。
比亞迪提出的“鐵電池”，業(yè)界人士認(rèn)為其為磷酸鐵鋰電池的可能性較大。
五、燃料電池
簡單地說，燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池，電就被奇妙地生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。
最有望用于汽車的是質(zhì)子交換膜燃料電池。它的工作原理是：將氫氣送到負(fù)極，經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中兩個電子被分離出來，這兩個電子在正極的吸引下，經(jīng)外部電路產(chǎn)生電流，失去電子的氫離子（質(zhì)子）可穿過質(zhì)子交換膜（即固體電解質(zhì)），在正極與氧原子和電子重新結(jié)合為水。由于氧可以從空氣中獲得，只要不斷給負(fù)極供應(yīng)氫，并及時把水（蒸汽）帶走，燃料電池就可以不斷地提供電能。
因為燃料電池直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，中間不經(jīng)過燃燒過程，因而不受卡諾循環(huán)的限制。目前燃料電池系統(tǒng)的燃料—電能轉(zhuǎn)換效率在45%～60%，而火力發(fā)電和核電的效率大約在30%～40%。
在發(fā)展新能源汽車上，鎳氫電池技術(shù)最成熟，未來3年內(nèi)仍將是新能源車的主流，之后鎳氫電池技術(shù)將和磷酸鐵鋰、氫燃料電池三分天下，5年后將逐漸被鋰電池及燃料電池所取代。
主要有非晶硅( a-Si )、微晶硅( μc-Si:H )和多晶硅( p-Si )薄膜等幾類。由于硅是一種間接帶隙材料，禁帶寬度為1.7 eV，在帶隙對應(yīng)的波長附近對光子僅有非常低的吸收系數(shù)，尤其是在800～1100nm的波長范圍，對光子的吸收長度達(dá)到10μm～3mm，遠(yuǎn)超出了薄膜太陽能電池中核心吸收層（硅薄膜）的厚度，在此光譜范圍對近紅外波段的光吸收系數(shù)不高，限制了其光電轉(zhuǎn)換效率，而且非晶硅光電轉(zhuǎn)換效率會隨著光照時間的延長而衰減，即所謂的光致衰退（S-W）效應(yīng)，光致穩(wěn)定性不好?？梢酝ㄟ^采用有不同帶隙的多結(jié)迭層，降低表面光反射，使用更薄的吸收層等方法進(jìn)行改進(jìn)。微晶硅薄膜材料具有過渡層結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換效率高，光致衰退效應(yīng)相對較弱，制備技術(shù)能與現(xiàn)有非晶硅薄膜電池兼容。但微晶硅薄膜太陽能電池帶隙較窄、吸收系數(shù)低，在材料制備中生長速率較低沉、積速率較慢的問題，不利于降低制造成本。多晶硅薄膜材料在長波段具有高的光敏性，可見光吸收系數(shù)較高，光照穩(wěn)定性較高。材料制備工藝相對簡單，無光致衰退效應(yīng)，但成本依然較高。
2.2 無機化合物太陽能電池
主要包括砷化鎵( GaAs )III-V 族化合物、硫化鎘（CdS）、碲化鎘（CdTe）及銅銦硒類薄膜電池等。III-V族化合物半導(dǎo)體光伏材料如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等，其禁帶寬度在1.0~1.5eV，與太陽光譜匹配較好，具有直接帶隙且太陽光吸收波段寬，在可見光范圍內(nèi)，GaAs等材料的光吸收系數(shù)遠(yuǎn)高于硅基材料，化合物半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化效率是非晶硅的兩倍以上，不過成本則是非晶硅的十倍。GaAs光伏材料組成元素的原子量較大，造成材料本身相對質(zhì)量大，由于Ga比較稀缺，As有毒，所以其發(fā)展受到了限制，還不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
CdTe薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，但CdTe材料存在自補償效應(yīng)，制備高電導(dǎo)率同質(zhì)結(jié)很困難，電池多為異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。CdS的結(jié)構(gòu)與CdTe相同，晶格常數(shù)差異小，是CdTe基電池最佳的窗口材料。典型CdTe電池結(jié)構(gòu)的主體是由厚約2 μm的p型( CdTe )層與0.1 μm的n型（CdS）層組成，光子吸收主要發(fā)生在CdTe層。CdS、CdTe薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率比非晶硅薄膜太陽能電池轉(zhuǎn)換效率高且性能穩(wěn)定，成本也較單晶硅電池低，雖然已實現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，但發(fā)展速度緩慢，主要原因是Cd有劇毒、Te為稀有元素。
CIGS 是由銅、銦、鎵以及硒所組成的多元化合物半導(dǎo)體光伏材料。該材料是由硒化銅銦（CIS）以及硒化銅鎵所組成的固溶體。CIGS屬于四面體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，黃銅礦晶體結(jié)構(gòu)，其能隙依據(jù)銦、鎵比例的不同可從1.0eV（硒化銅銦）變化至1.7eV（純硒化銅鎵）。CIGS屬于多晶薄膜的形式，其晶體結(jié)構(gòu)不同于硅晶體，是異質(zhì)界面系統(tǒng)，具有近似最佳的光學(xué)能隙，光吸收率高，其能隙還可以通過Ga和Al部分取代In，或S部分取代Se進(jìn)行調(diào)節(jié)，厚度為2～3μm，具有長期穩(wěn)定性好、無光誘導(dǎo)衰變、抗輻射能力強、成本低等特點。單結(jié)理論效率最高30%，目前所能達(dá)到不到20%。電池的基本結(jié)構(gòu)為基底上濺鍍一層約0.5~1.0μm的Mo背電極以利于空穴傳導(dǎo)，CIGS光吸收層約為1.5~2.0μm，往上是約0.05μm 厚的N型半導(dǎo)體CdS，兼具緩沖層的功能，幫助電子有效傳導(dǎo)，再往上有一層約0.1μm 厚的N型 i-ZnO 層，防止電池元件效能下降，再濺鍍A-ZnO作為透明導(dǎo)電層窗口。目前常用的真空蒸發(fā)法和濺射法制備易造成原材料的浪費，In為稀有元素，制備過程中材料性質(zhì)易變。
為了進(jìn)一步提高其光電轉(zhuǎn)換效率，構(gòu)筑多結(jié)太陽能電池結(jié)構(gòu)是一種最直接的方法。由于任何單一半導(dǎo)體材料只能將太陽光譜中一定范圍的光能有效地轉(zhuǎn)換成電能，從根本上制約了效率的提高。因此將具有不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料組合起來，分別吸收利用不同波長范圍的入射光，頂層電池的能帶最高。往下依次減少，這樣能量高的光子被上面能帶高的電池吸收，而能量低的光子則能透過上面的電池而被下面能帶低的電池吸收，從而有效地提高了太陽能電池的效率，由此產(chǎn)生了雙結(jié)、三結(jié)等多結(jié)疊層太陽能電池。目前主要有GaInP/Ga(In)As/Ge, Al-GaAs/GaAs,GaInP/GaAs和GaInP/GaInAs等類型。
2.3 有機太陽能電池
有機太陽能電池是以有機半導(dǎo)體作為實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的活性材料，與無機太陽能電池相比，它具有成本低、厚度薄、質(zhì)量輕、制造工藝簡單、可做成大面積柔性器件等優(yōu)點，其主要缺點是能量轉(zhuǎn)換效率較低，穩(wěn)定性差和強度低。有機太陽能電池主要有單層結(jié)構(gòu)的肖特基電池、雙層p-n異質(zhì)結(jié)電池以及P型和N型半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)的體相異質(zhì)結(jié)電池。但是現(xiàn)階段仍存在激子結(jié)合能大、電子遷移率低，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化效率低且壽命短等缺點，研究方向是提高材料的電導(dǎo)率、成膜技術(shù)、器件工藝制作水平和開發(fā)新的材料等。
2.4 敏化太陽能電池
以有機敏化分子作為吸光的主要材料，包括染料敏化和量子點敏化，目前染料敏化太陽能電池光電效率穩(wěn)定在13%以上，制作成本僅為硅太陽能電池的1/5~1/10，材料來源廣泛，成本低廉，對設(shè)備要求低，生產(chǎn)工藝簡單，適合大規(guī)模的生產(chǎn)應(yīng)用。量子點材料的量子限制效應(yīng)可以調(diào)節(jié)能級結(jié)構(gòu)，使其吸收光譜能夠匹配太陽光光譜；量子點吸收一個光子能夠產(chǎn)生多個光子；量子點電子態(tài)與光陽極導(dǎo)帶間的部分重合提供了電子的快速傳遞，阻礙了電子—空穴對的復(fù)合。它與染料敏化太陽能電池不同點在于采用不同的量子點來替代有機染料作為光吸收體，并且通過調(diào)整不同的量子點組成、尺寸及結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)太陽光全光譜吸收進(jìn)而產(chǎn)生更多的光生電子。
2.5 鈣鈦礦太陽能電池
鈣鈦礦太陽能電池是使用具有AMX3鈣鈦礦型晶體結(jié)構(gòu)類型材料作為光吸收層的一類電池，經(jīng)過幾年的發(fā)展，能量轉(zhuǎn)化效率飛速增長到了22.1%，逼近了單晶硅太陽能電池25%的最高轉(zhuǎn)化效率。由于具有更低的材料成本和制備成本，被視為可能替代硅的新一代太陽能電池?？煞譃閚-i-p和p-i-n兩種器件結(jié)構(gòu)，其中n-i-p結(jié)構(gòu)是指電子傳輸層/鈣鈦礦層/空穴傳輸層的器件結(jié)構(gòu)，而正好p-i-n結(jié)構(gòu)正好相反。柔性鈣鈦礦電池本身膜厚極小，在一定程度上具有較好的彎曲能力，還具備開路電壓高、適用溫度范圍寬、弱光性好、溫度穩(wěn)定性高等優(yōu)點，并對太陽光照角度不敏感，同時材料的制備溫度較低（<150℃），適合直接在柔性基底上進(jìn)行制備。
