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新能源电动汽车电池技术探讨

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《今日电子》2017年第Z1期

摘要:电动汽车是最具发展潜力的新能源汽车,以电力为驱动,有着噪声低、低排放、效率高等特点,应用前景广阔。本文围绕新能源电动汽车对其电池技术进行了讨论。

关键词:电动汽车;比能量;可靠性;锂离子电池

0引言

由于传统内燃机汽车所造成的环境和能源问题愈加突出,汽车行业发展受阻。目前我国科研机构和汽车制造企业都加大了对新能源电动汽车的研发力度,以期解决现存电动汽车电池技术难题。

1新能源电动车电池技术

根据能源供给类型的不同,电动汽车可分为纯电动车、混合电动车和燃料电池电动车,且这三种电动车电池技术均面临着技术难题,较难量产推广。电池技术是影响新能源电动车推广和广泛应用的重要因素,所以迫切需要解决电池的容量和能源补充问题。

2新能源电动车电池技术对比

(1)铅酸蓄电池。铅酸蓄电池是由浸入稀硫酸电解液的正极板(PbO2)和负极板(Pb)组成。充放电反应方程式:Pb+PbO2+2H2SO42PbSO4+2H2O。该种电池的性能指标中的比能量和比功率均较低,电池的循环使用寿命也较短,充电所需时间较长,这些特点致使其在电动车领域的推广受到很大制约。同时,该种电池技术较为成熟,可以大批量生产,其造价也低,所以这种电池也具有一定的应用空间,目前是被用于行驶里程短,重点要求较低的场合,例如目前已投入使用的电动观光车、电动叉车、短途电动公交车等。

(2)镍氢电池(NiMH)。由镉镍电池发展而来的镍氢电池是由电解液(KOH)、碱式氧化镍(NiOOH)组成的正极和吸氢合金(MH)组成的负极构成。充放电反应方程:NiOOH+MH⇋M+Ni(OH)2。镍氢电池充电时间短、容量大、放电深度大,更有着耐过充和过度放电等优点,但是由于金属镍价格较昂贵对其在在电动车领域的推广和应用。镍氢电池与锂离子电池相比,能量密度较弱但可靠性高、成本低。在不久的将来镍氢电池会成为混合动力电动车的主流电池。

(3)燃料电池(FuelCell,FC)。燃料电池由正极、负极(不包含活性物质)和电解质隔膜组成。目前研究以氢燃料电池为主,充放电反应方程:2H2+O2→2H2O。作为被汽车制造商重点投资的燃料电池,仅须补充燃料与空气即可,并不需要充电储能的过程。氢燃料电池不仅供电效率高、功率密度高,也有着无污染和可循环利用的优点。但是其造价太高、启动时间过长,制造和存储代价高且氢燃料电池加氢站的建设有着很大的难度。就目前来说,燃料电池电动车只是处于研发阶段,尚存在较多技术难题,在短期内很难进行大规模的推广。基于燃料电池绿色环保的作用,燃料电池未来肯定会成为解决能源危机的动力电池,有着较为广泛的前景。

(4)锂离子电池。锂离子电池主要包括正极(锂离子金属氧化物LiMO2构成)、负极(焦炭或石墨C构成)和有机溶液(溶有锂盐)。充放电反应方程:LiMO2+nC⇋Li1-xMO2+LixCn。锂离子电池的性能要优于前两种电池性能,有着体积小、寿命长和自放率低的优点,锂离子电池并不存在传统蓄电池出现的“记忆效应”,该电池无污染,所以该种电池一直被看好,是最具有实用价值的电动车电池。但锂离子电池在快速放电性能、价格、过放电保护方面有着不足之处。而大容量、高功率的锂离子电池在安全方面有着一定能够隐患,使其大规模推广受到限制,现在主要被用于容量较小、功率较低的电动汽车的应用中。目前各国汽车生产商都在重点研究锂离子电池技术,主要围绕如何降低电池成本,实现快速便捷放电,确保大容量的电池安全性为研究重点。

3锂离子电池技术

(1)锂离子电池材料技术。该种电池正负极材料体系很丰富。用于动力电池的NCM三元层状正极材料,其中LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的应用比较成熟,而拥有较高容量的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2已被批量应用。近几年铝掺杂的锂镍钴氧电池将被用于驱动电动汽车,与锰酸锂混合也可用于制造车用动力电池。磷酸铁锂电池生产已满足客车和专用车辆的应用。用于负极的材料石墨、硬/软碳和合金负极材料,其中石墨应用最为广泛,无定形硬碳或软碳与石墨混合已经逐渐被应用。钛酸锂负极材料倍率性和循环性佳,但比能量低、成本高,适用于大电流充电。将纳米硅或硅氧化物作为负极材料已有小批量应用,但还需研究出解决因锂嵌入硅后造成的体积膨胀导致使电池循环寿命减少问题的方法。锂离子电池电解液中六氟磷酸锂及其它新型锂盐、溶剂提纯、电解液配制、功能添加剂技术不断进步,而如何提高电池工作电压,如何改善电池高低温性能是现在研究方向,目前安全型离子液体电解液以及固体电解质均在研制中。聚烯烃微孔膜是现如今锂离子电池隔膜销售中的主要产品,而耐高温、高电压隔膜将会是未来的主要发展方向。

(2)单体电池技术。单体电池形状主要有圆柱、方形金属壳(铝/钢)和方形软包散装,而车用电池组容量大、电池数量多、管理系统复杂。目前圆柱电池技术并不能满足车用电池需求;方形电池电芯制作方式较多(正极包膜叠片、卷绕+叠片、叠片+卷绕等),制作出的电池容量大,适用于软极片电池(磷酸铁锂和三元材料的电池)。叠片式电池在各材料体系中均适用,可靠性高,与卷饶电池相比寿命较长,例如日产Leaf纯电动汽车、Volt插电式混合动力汽车电池均采用叠片式。软包电池电芯的制作则与方形金属壳电池类似。总体来看,我国单体电池生产正在由半自动向着全自动大规模制造迈进。

(3)电池系统技术。我国动力电池系统产品存在功能简单、数据采集可靠性较弱,SOE估算精度、热管理、均衡、安全管理等有待提升,而核心元器件则差距大。电池系统应从结构设计优化与材料选型两个方面入手结构抗振、抗冲击以及轻量化集成优化设计进行研究,并从故障诊断预测、热安全监测预警和防控三个方面进行关键技术的开展。

4结语

综上所述,对于新能源电动汽车来说镍氢电池性能要优于铅酸蓄电池,燃料电池和锂离子电池比与镍氢电池相比性能性能更佳,但都有着各自难以突破的技术难题。基于锂离子电池各项性能和目前技术研究程度,不久的将来锂离子电池会被广泛应用于纯电动汽车。

参考文献:

[1]文晓明.电动汽车电池技术研究与展望[J].汽车零部件,2015.

[2]黄学杰.电动汽车动力电池技术研究进展[J].科技导报,2016.

作者:姬超 单位:山东中实易通集团有限公司

今日电子杂志责任编辑:张雨    阅读:人次