隨著新能源技術(shù)的日益發(fā)展和國家對環(huán)境的逐漸重視，電動汽車、機器人、混合動力車等行業(yè)對動力電池的需求越來越高。電池技術(shù)也是需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對動力電池是怎么工作、如何高效工作、未來發(fā)展方向以及應(yīng)用領(lǐng)域等進行介紹，并對主流鋰電池進行重點介紹。

 

　　動力電池即為工具提供動力來源的電源，一般我們將蓄電池稱為動力電池。蓄電池是實現(xiàn)化學(xué)能和電能之間轉(zhuǎn)換的可逆低壓直流電源，1859年由法國科學(xué)家加斯頓·普蘭特發(fā)明。

 

　　根據(jù)電池制作原理、種類、優(yōu)缺點、價格等的不同，可以將動力電池分為鉛酸蓄電池、鎳氫電池、燃料電池、鋰電池等幾種，各種電池種類、優(yōu)缺點、價格等相關(guān)信息詳見表1。

 

項目

鉛酸電池

鎳氫電池

鋰電池

燃料電池（PEMFC）

技術(shù)指標

 （能量密度）

體積比能量/（Wh/L）

65～80

320～350

350～400

－

重量比能量/（Wh/kg）

25～35

60～65

180～200

1 000

使用溫度/℃

-30～60

-20～55

-20～55

室溫～100

安全性

一般

一般

-

好

使用壽命/次數(shù)

300～400

500～800

1 000

＞8 000h

有無污染

有

無

無

無

優(yōu)缺點

優(yōu)點

1、技術(shù)成熟，用戶認知度高

 2、價格低廉，原材料易得，入門要求低

 3、應(yīng)用范圍廣

 4、回收技術(shù)相對成熟

 5、安全性高，電性能穩(wěn)定

1、相對鋰電池便宜

 2、使用壽命長

 3、鈍化后易恢復(fù)

 4、無污染

1、電池容量較大

 2、體積和質(zhì)量小

 

 

1、高效率

 2、低排放

 3、高能量密度

缺點

1、壽命較短，循環(huán)500次

 2、電池容量較為有限

 3、體積和重量大

 4、生產(chǎn)及廢氣污染環(huán)境

1、易鈍化，帶載能力下降

 2、內(nèi)阻增大效應(yīng)較明顯

 3、性能較鋰電池差，屬于中檔電池

1、成本較高

 2、操作不當，有爆炸危險

 3、易受過度充電、深放電、短路等損害

1、材料費及加工費高

2、CO會賭化陽極觸媒

價格/〔元/（W·h）〕

0.7～1

3.5～4.0

2.2～2.8

2.8～5.5

 

一、鉛酸蓄電池

　　鉛酸蓄電池是世界上產(chǎn)量最大的、應(yīng)用最廣的電池產(chǎn)品，多用于電動自行車和傳統(tǒng)動力汽車啟動電源。

 

　　下面以鉛酸蓄電池為例，介紹蓄電池的結(jié)構(gòu)、工作原理和工作特性。

 

 

　　鉛酸蓄電池發(fā)明時間悠久，是使用時間最長的電池，鉛酸蓄電池采用的原材料來源廣泛，設(shè)計方案成熟，安全防護技術(shù)到位，應(yīng)用范圍廣，尤其在大功率方面性能更突出，維護方便同時回收再使用技術(shù)日趨完善。但是由于自身重，造成攜帶不方便，采用的原材料不是新型原材料，能量集成低，反復(fù)充電次數(shù)不高，同時在過度充電和放電后會造成電池的性能變差。如果一個電動汽車上使用鉛酸電池，那么300多次循環(huán)使用后就需要更換電池。目前，比較有名的鉛酸動力電池供應(yīng)商有GNB公司、Hawker公司、Exide公司、DeIphi公司、松下公司、Electrosounce公司等。

 

1. 鉛酸蓄電池的工作原理

　　電化學(xué)反應(yīng)：充電和放電反應(yīng)：將蓄電池2端加上電壓源，因為2端存在電勢差，所以電子從電壓源跑出來到蓄電池的正極板，形成充電過程，當電壓源撤去后，蓄電池繼續(xù)保留電能。一旦蓄電池與外電路的負荷接通，蓄電池2端的形成一個回路，電子發(fā)生流動，電流從蓄電池的負極板通過外電路的負荷流向電池的正極板，使得正極板的電位降低，實現(xiàn)了電能到動能等其他能的轉(zhuǎn)化。

 

放電過程：H2SO4  ↓，H2O↑，電解液的密度ρ↓；（充電時ρ↑?？赏ㄟ^電解液的密度ρ測量來判斷蓄電池的放電程度。）

 

 

　　理論上極板上PbO2和Pb全部變成PbSO4為止，放電結(jié)束，實際上電解液不能滲透到極板活性物質(zhì)最內(nèi)層，即使蓄電池?zé)o電提供，極板上的活性物質(zhì)只能一部分變成硫酸鉛。所以極板要盡可能薄，面積大。

 

　　充電過程：充電過程與放電過程相反

 

 

2. 鉛酸蓄電池的工作特性

　　鉛酸蓄電池的工作特性主要包括靜止電動勢Ej、內(nèi)阻Rn、容量Q和充放電特性等。靜止電動勢Ej：在靜止狀態(tài)下（是指不充電不放電的情況），蓄電池正、負極板的電位差（即開路電壓）。

 

　　內(nèi)阻Rn：包括極板、隔板、電解液、鉛質(zhì)聯(lián)條、極樁等電阻。

 

　　容量Q：指在放電容許的范圍內(nèi)蓄電池輸出的電量（I·t）。電池容量一般以Ah(安培小時)計算，1Ah=3600C，電池容量C的計算式為C=∫t0It1dt （在t0到t1時間內(nèi)對電流I積分）/容量C=放電電流（恒流）I×放電時間（小時)T；另一種是以瓦(W)計算。

 

　　T（溫度）↓→Rn↑  溫度降低后，電解液的粘度增加，內(nèi)阻增大，導(dǎo)致蓄電池容量降低。

 

 

　　充電特性：是指在恒流充電過程中，電池的端電壓Uc、電動勢E和電解液相對密度γ15℃隨時間變化的規(guī)律。

 

　　充電特性公式：Uc=E+Ic×Rn

充電的5個階段（如圖3所示）: 初期:1.95～2.1V； 2.1～2.4V:不穩(wěn)定上升；2.4～2.7V:沸騰；2.7V:充電終了； 2.7V后:切斷電源，Uc→Ej。(當電壓到2.3～2.4V時， PbSO4幾乎反應(yīng)PbO2為和Pb，繼續(xù)充電，2H2O→2H2+O2產(chǎn)生氣泡，沸騰。)

 

　　判斷蓄電池充足的準則:①充電電壓Uc、電解液密度γ15℃達到max，且2h不再增加；②蓄電池激烈放出大星氣泡，電解液沸騰。

放電特性:是指在恒流放電過程中，電池的端電壓Uf、電動勢E和電解液相對密度γ15℃隨時間變化的規(guī)律。放電特性公式：Uf=E-Ic×Rn

 

　　放電的3的階段：開始放電：2.11～2.0V；持續(xù)放電：2.0～1.85V，穩(wěn)定；迅速下降：1.85～1.75V。

 

 

　　判斷放電終止的2個現(xiàn)象:電解液相對密度降低到最小許可值（約1.11）；單格電池的端電壓降至放電終止電壓值1.75V。

 

二、鎳氫電池

　　鎳氫電池（Ni-MH）屬于堿性電池，且不存在重金屬污染問題，稱為“綠色”電池，是目前電池體系中應(yīng)用相對廣泛的電池，各大混合動力汽車因為鎳氫電池能量密度．功率密度均高于鉛酸電池，循環(huán)使用壽命超過1 000次，最主要的是該電池因為制作過程中沒有包含重金屬，所以被稱為“綠色”電池。該電池能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電、放電，一次充電過程徹底，用戶均認為耐用性很高，所以現(xiàn)在很多的混合汽車系統(tǒng)都采用該電池，使得該電池的商業(yè)化、規(guī)?；玫酱蟠蟮奶岣?。

 

　　現(xiàn)在比較熱門的混合動力汽車比如：豐田汽車公司的Prius，以及本田汽車公司的Civic，Insight等，他們的電池系統(tǒng)主要采用該國的PEVE和 Sanyo，相對來說，我國電池技術(shù)的發(fā)展沒有國外的好，很多的汽車廠商還在對混合動力汽車進行研發(fā)，雖然研發(fā)的汽車都采用鎳氫動力電池，但是因為該電池存在制造成本高，價格是鉛酸電池的數(shù)倍，對熱環(huán)境耐受能力低，散熱能力要求高，所以國內(nèi)的電池技術(shù)不太成熟，使得國內(nèi)汽車廠商，比如：奇瑞汽車公司、上海通用汽車公司面對該組件時都是采購國外的。

 

三、燃料電池

　　燃料電池也是一種綠色的能源技術(shù)，它采用的方法是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，從外觀上看，它的工作原理類似于蓄電池，但是實際工作原理與蓄電池有本質(zhì)的區(qū)別。利用電解質(zhì)和電極之間的氧化反應(yīng)來實現(xiàn)“發(fā)電”功能，而不是蓄電池的“儲電”功能。

 

　　燃料電池具有高效率；不受卡若效率限制、低排放；不排放污染汽車和固體粉塵、高能量密度等優(yōu)點。按電解質(zhì)的種類不同燃料電池分為：酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。目前，在動力電池領(lǐng)域，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）正在向商業(yè)化邁進。新能源車方面通用汽車公司、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司、豐田汽車公司、本田汽車公司、奔馳汽車公司等大公司都已經(jīng)開發(fā)出燃料電池車型并已經(jīng)在公路上運行，普遍狀況良好，其中豐田的氫燃料電池技術(shù)較為領(lǐng)先。國內(nèi)主流車廠也在發(fā)展氫燃料電池電動汽車。質(zhì)子交換膜燃料電池生產(chǎn)商主要有美國Plug power公司、通用電氣公司、加拿大巴拉德動力公司；國內(nèi)有中科院大連化物所、新源動力公司、上海神力公司、佛山云浮公司等。

 

四、鋰電池

　　相比較與鎳氫電池（Ni-MH），鋰離子電池是負極以碳素材料為主，也是一種“綠色”電池。正極以含鋰的化合物的二次電池。相同容量的電池來說，一個鋰離子電池工作時候的電壓、能量相當于3個鎳氫電池。在制作過程中，因為負極采用石油焦碳、純石墨和層狀混合碳等材料，正極采用氧化鈷鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、亞錳酸鋰（LiMnO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4） 等化合物，所以與同容量的鎳氫電池相比，它的體積更小，質(zhì)量更輕，使用循環(huán)壽命更長，充電、放電速度更高。因為鋰電池存在諸多的優(yōu)點，所以很多汽車制造商都在積極將鋰電池投入到混合汽車研發(fā)中，如日本豐田汽車公司、比亞迪汽車公司、韓國現(xiàn)代汽車公司、奇瑞汽車公司、法國Courreges公司、吉利汽車公司、美國福特汽車公司等。該電池與鎳氫電池（Ni-MH）相比，制作成本更高，價格更貴，需要繼續(xù)進行研發(fā)，希望能夠采用新材料使得鋰電池的價格有所下降，而得到長遠的發(fā)展。

 

　　幾種可充電電池做比較，因為鋰電池容積比最高，即容量一樣的情況下，體積最小；體積一樣情況下，容量最大，同時鋰電池的功率大。更多的汽車制造商愿意在有限的車內(nèi)空間中，提供更優(yōu)質(zhì)的供能系統(tǒng)，所以相比起來，鋰離子電池目前是他們最好的選擇，國內(nèi)外很多汽車制造商和電池制造商都在該技術(shù)的研發(fā)上投入了巨大的人力、財力、物力，想在該技術(shù)的發(fā)展上掌握先進的理論和方法。

 

1. 鋰電池的優(yōu)點

　　汽車不同于電動車，它要求電池續(xù)航次數(shù)多，使用時間長，鉛酸電池循環(huán)300次即需要更換，電池的耐受能力低，而鋰電池循環(huán)壽命能夠達到2 000次以上。同時充電5h使用來說，鉛酸電池更換6次，而鋰電池只需要更換1次。用戶一般1年半更換一次電動車電池，如果這種情況放在汽車上，用戶是接受不了的。采用鋰電池只需要7～8年更換一次，綜合起來考慮，最后還是鋰電池的性價比最高，不僅節(jié)省人們換電池的時間，而且使得系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

 

　　與其他的可充電電池相比，鋰電池的安全性更高，因為一些電池在強烈的碰撞和高溫下，會發(fā)生爆炸，不僅使消費者錢財遭到損失，而且對他們的安全造成了很大的威脅，而鋰電池因為制作材料以及安全性設(shè)計，即使發(fā)生嚴重碰撞或者在高溫（350～500℃）下，也不會發(fā)生爆炸，深受消費者青睞。

 

　　混合動力汽車與一般汽車相比，就是因為電池充電耗時長，充一次電跑的距離短，而汽油汽車加油快，跑的遠。與同容量的鉛酸電池相比，鋰電池還有一個優(yōu)點，就是充、放電非?？焖?，如果采用專用充電器，一般40min就能夠把電池充滿電，更節(jié)省消費者的時間，能夠達到“充電40min，跑到500km”的功能。大容量，能量密度高。容量是同能質(zhì)量鉛酸電池的3～4倍。可充電電池經(jīng)常存在放電不完整的問題，比如：鎳氫、鎳鎘電池，每次充電完畢后，放電時候總是留一點電在電池里，對之前的充電過程形成記憶。而每次鋰電池充電放電，不存在放電不完整的情況，每次充電和放電都是完整的，使得電池容量利用率比較高。

 

　　“綠色”電池，因為制作原理、材料的不同，鋰電池內(nèi)不包含有毒有害物質(zhì)，是一款“綠色”電池，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)以及使用過程中全程“綠色”。

 

2.鋰電池的分類和結(jié)構(gòu)

　　鋰離子電池殼體有液體鋁殼、鋼殼、軟包裝等，它的電解質(zhì)分為膠體和固體聚合物2種。

 

　　鋰離子電池由正負極、隔膜和電解液4部分組成。

 

 

 

　　產(chǎn)品制作過程使用的材料一般會決定產(chǎn)品的價格和性能等參數(shù)，如何在提高減低鋰離子電池性能的同時，能夠減低它的價格，成為了研發(fā)的重難點，這個過程中最重要、最耗費的部分即正極部分，研究制作出來正極材料，是目前鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。

 

　　目前鋰離子電池主要選取鋰鈷、鋰鎳、鋰錳等氧化物和磷酸鐵鋰作為正極材料，選取石墨、鈦酸鋰等作為負極材料。

 

　　負極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。只要能夠達到使得鋰電子吸附好，脫離比較容易，能夠使得充放電速度快，同時脫離的比較干凈，使得容量與標稱值一致，還需要與中間的電解液有很好的相容性?；谏鲜龅目紤]，一般采用焦炭和石墨作為鋰電池的負極材料，該應(yīng)用已經(jīng)被證實效果很好。

 

　　電子在電池正負極之間的移動主要依靠電解液，鋰離子電池的高電壓和高性能主要通過電解液來實現(xiàn)，它一般有電解質(zhì)、鋰鹽有機物和添加劑3部分組成。

 

　　電池的內(nèi)阻力大小，界面結(jié)構(gòu)的成型化等問題是由隔膜來決定，他能夠?qū)﹄姵氐娜萘看笮?，循環(huán)次數(shù)等起到?jīng)Q定性作用，所以隔膜的選擇對電池的綜合性能至關(guān)重要。

 

3.鋰電池的工作原理

　　根據(jù)圖6能夠非常清楚的看出鋰電池的工作原理。鋰電池一共分為4部分：鋰金屬化合物構(gòu)成的正極，石墨構(gòu)成的負極，以及中間的電解質(zhì)和隔膜。工作分為充電和放電2個過程，整個工作過程就是采用化學(xué)原理與電能的結(jié)合。充電過程是鋰金屬化合物在電能作用下將鋰電子分離出來，鋰電子游過電解質(zhì)和隔膜，吸附在石墨微孔上，造成了負極電荷量增大，為了解決這個問題，外電路中的電子跑過來補充電荷。放電過程是石墨中吸附的鋰電子被電離出來，鋰電子游過電解質(zhì)和隔膜，與正極的金屬化合物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)合成鋰金屬化合物。以石墨/磷酸鐵鋰電池為例，充放電化學(xué)反應(yīng)式如下：

 

正極反應(yīng)式：LiFePO4≒xLi+＋Li1-xFePO4＋xe- （電子）

負極反應(yīng)式：6C＋xLi+＋xe-≒LixC6

總的反應(yīng)式：LiFePO4＋6C≒li1-xFePO4＋LixC6

 

　　其中，從左向右的過程為充電，而從右向左的過程為放電。

 

　　磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用于客車，三元電池在乘用車、專用車領(lǐng)域滲透率高（見圖7）。目前磷酸鐵鋰電池、三元電池是主要的動力電池（見表3）。因為磷酸鐵鋰作為電池一部分存在穩(wěn)定性高，即內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化；整個制作和使用過程中環(huán)保無毒無害；采用磷酸源和鋰源以及鐵源為原材料，價格便宜；耐高溫高壓，穩(wěn)定性好，使得安全系數(shù)高等優(yōu)點，越來越多的電池供應(yīng)商采用磷酸鐵鋰作為動力電池中的正極材料。很多的汽車制造商基于價格和安全性的考慮。

 

 

　　磷酸鐵鋰有很多優(yōu)點，但是并沒有立刻投入到大規(guī)模的使用中去，原因在于制作過程中，需要控制導(dǎo)電碳材料、金屬微粒中的磷酸鐵鋰顆粒比率，實現(xiàn)良好的導(dǎo)電性，這個問題難點在于比率隨著時間、容量等不停發(fā)生變化，使得大規(guī)模的制作出現(xiàn)問題。第2個問題是只能達到1.3～1.5V的振實密度使得該產(chǎn)品難以小型化。第3個問題是工作電壓低，一般為3.2V。

 

五、三元鋰電池發(fā)展前景

　　三元電池能量密度高，綜合性能較好，在乘用車和專用車中的滲透率已接近50%。

三元電池性能提升空間大，有望成未來主流。對于現(xiàn)有三元鋰電池體系的改進可以達到2020 年動力電池模塊能量密度300Wh/kg 的目標。隨著未來乘用車成為新能源車的主要增長動力，三元電池有望逐步取代磷酸鐵鋰電池成為未來主流。

 

六、結(jié)語

　　當下，動力電池技術(shù)的發(fā)展取得了不少的進步。在環(huán)境污染日益加劇的今天，需要研制出來“綠色”電池，不僅對大眾生活環(huán)境好，同時能夠帶動整個電池行業(yè)的發(fā)展。目前新型的“綠色”電池研制已經(jīng)有很大的發(fā)展，比如，動力汽車、即新能源汽車的發(fā)展，新型的動力電池作為其關(guān)鍵部件，不僅帶動了新能源汽車的發(fā)展，也必定會對電池行業(yè)的發(fā)展帶來春天。