1、動力電池技術研究隨著新能源技術的日益開展和國家對環境的逐漸重視,電 動汽車、機器人、混合動力車等行業對動力電池的需求越來越 高.電池技術也是需要開展的關鍵技術之一.本文對動力電池 是怎么工作、如何高效工作、未來開展方向以及應用領域等進 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.蓄電池是實現化學能和電能之間轉換的可逆 低壓直流電源,1859年由法國科學家加斯頓普蘭特創造如圖1所示.根據電池制作原理、種類、優缺點、價格等的不同,可以 將動力電池分為鉛酸蓄電池、銀氫電池、燃料電池、鋰電池等 幾種,各種電池種類、優缺點、價格等相關信息詳見表

2、1.一、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池是世界上產量最大的、應用最廣的電池產品, 多用于電動自行車和傳統動力汽車啟動電源.下面以鉛酸蓄電池為例,介紹蓄電池的結構如圖 2所 示、工作原理和工作特性.鉛酸蓄電池創造時間悠久,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,設計方案成熟,平安防護技術 到位,應用范圍廣,尤其在大功率方面性能更突生,維護方便 同時回收再使用技術日趨完善.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,反復充電 次數不高,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屢次循環使用后就需要更換電池.目前,比擬有

3、名的鉛酸動力電池供給商有 GN淞司、Hawker公司、Exide公司、Delphi公司、松下公 司、Electrosounce 公司等.1 .鉛酸蓄電池的工作原理電化學反響：充電和放電反響：將蓄電池 2端加上電壓 源,由于2端存在電勢差,所以電子從電壓源跑由來到蓄電池 的正極板,形成充電過程,當電壓源撤去后,蓄電池繼續保存 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,實現了電能 到動能等其他能的轉化.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、內阻Rn、容量Q

4、和充放電特性等.靜止電動勢Ej:在靜止狀態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.內阻Rn：包括極板、隔板、電解液、鉛質聯條、極樁等 電阻.判斷蓄電池充足的準那么：充電電壓 Uc、電解液密度 丫15c到達max,且2h不再增加；蓄電池劇烈放生大星氣 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 丫 15c隨時間變化的規律.放電特性公式：Uf=E-Ic XRn放電的3的階段如圖4所 示：開始放電： 2.112.0V;持續放電：2.01.85V,穩 定；迅速下降：1.851.75V.判斷放電終止的2個現象：電解液相對密度降低到最

5、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、鎮氫電池鎮氫電池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用相對廣泛的 電池,各大混合動力汽車由于銀氫電池能量密度.功率密度均高于鉛酸電池,循環使用壽命超過1 000次,最主要的是該電池由于制作過程中沒有包含重金屬,所以被稱為“綠色電池.該電池能夠實現快速充電、放電,一次充電過程徹底,用 戶均認為耐用性很高,所以現在很多的混合汽車系統都采用該 電池,使得該電池的商業化、規模化得到大大的提升.現在比擬熱門的混合動力汽車比方：豐田汽車公司的Prius ,以及本田汽車公司的 Civi

6、c , Insight等,他們的電池 系統主要采用該國的 PEVEO Sanyo,相對來說,我國電池技 術的開展沒有國外的好,很多的汽車廠商還在對混合動力汽車 進行研發,雖然研發的汽車都采用銀氫動力電池,但是由于該 電池存在制造本錢高,價格是鉛酸電池的數倍,對熱環境耐受 水平低,散熱水平要求高,所以國內的電池技術不太成熟,使 得國內汽車廠商,比方：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,它采用的方法是直接 將化學能轉化為電能,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的區別.利用電解質和 電極之間的氧化

7、反響來實現“發電功能,而不是蓄電池的“儲電功能.燃料電池具有高效率；不受卡假設效率限制、低排放；不排 放和固體粉塵、高能量密度等優點.按電解質的種類不同燃料 電池分為：酸性、城性、熔融鹽類或固體電解質.目前,在動力電池領域,質子交換膜燃料電池PEMFC正在向商業化邁進.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 司都已經開發由燃料電池車型并已經在公路上運行,普遍狀況 良好,其中豐田的氫燃料電池技術較為領先.國內主流車廠也 在開展氫燃料電池電動汽車.質子交換膜燃料電池生產商主要 有XXPlug Power公司、通用電氣公司、加拿大巴

8、拉德動力公 司；國內有中國科學院大連化學物理研究所、新源動力股份有 限公司、上海神力科技、佛山云浮公司等.四、鋰電池與銀氫電池Ni-MH相比擬,鋰離子電池是負極以碳素 材料為主.正極以含鋰的化合物的二次電池,也是一種“綠 色電池.對于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個鎮氫電池.在制作過程中,由于負 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 鉆鋰LiCoO2、鎂酸鋰LiNiO2 、亞鎰酸鋰LiMnO2、 磷酸鐵鋰LiFePO4等化合物,所以與同容量的銀氫電池相 比,它的體積更小,質量更輕,使用循環壽命更長,充電、放 電速度更高.由于鋰電池存在諸多的

9、優點,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中,如日本豐田汽車 公司、比亞迪汽車公司、韓國現代汽車公司、奇瑞汽車公司、 法國Courreges公司、吉利汽車公司、 XX福特汽車公司等. 該電池與銀氫電池Ni-MH相比,制作本錢更高,價格更 貴,需要繼續進行研發,希望能夠采用新材料使得鋰電池的價 格有所下降,而得到長遠的開展.幾種可充電電池作比擬,由于鋰電池容積比最高,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空間 中,提供更優質的供能系統,所以相比起來,鋰離子電池目前 是他們最好的選擇,國內外很多汽車制造商和

10、電池制造商都在 該技術的研發上投入了巨大的人力、財力、物力,想在該技術 的開展上掌握先進的理論和方法.1 .鋰電池的優點汽車不同于電動車,它要求電池續航次數多,使用時間 長,鉛酸電池循環 300次即需要更換,電池的耐受水平低,而 鋰電池循環壽命能夠到達 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78年更換一次,綜合起來考慮,最后還是鋰電池的性價比最高,不僅節省人們換電池 的時間,而且使得系統穩定性增強.與其他的可充電電池相比,鋰電池的平安性更高,由于一

11、些電池在強烈的碰撞和高溫下,會發生爆炸,不僅使消費者錢 財遭到損失,而且對他們的平安造成了很大的威脅,而鋰電池 由于制作材料以及平安性設計,即使發生嚴重碰撞或者在高溫 (350500C)下,也不會發生爆炸,深受消費者青睞.混合動力汽車與一般汽車相比,就是由于電池充電耗時 長,充一次電跑的距離短,而汽油車加油快,跑的遠.與同容 量的鉛酸電池相比,鋰電池還有一個優點,就是充、放電非常 快速,如果采用專用充電器,一般 40min就能夠把電池充滿 電,更節省消費者的時間,能夠到達“充電 40min,跑到 500km'的功能.大容量,能量密度高.容量是同能質量鉛酸 電池的34倍.可充電電池經常存

12、在放電不完整的問題,比 如：鎮氫、鎮鎘電池,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擬高.“綠色電池,由于制作原理、材料的不同,鋰電池內不 包含有毒有害物質,是一款“綠色電池,能夠實現生產以及 使用過程中全程“綠色.2 .鋰電池的分類和結構鋰離子電池殼體有液體鋁殼、鋼殼、軟包裝等,它的電解 質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局部組成如圖5所示.產品制作過程使用的材料一般會決定產品的價格和性能等 參數,如何在提升減低鋰離子電池性能的同時,

13、能夠它的價 格,成為了研發的重點和難點,這個過程中最重要、最消耗的 局部即正極局部,研究制作由來正極材料,是目前鋰離子電池 開展的關鍵.目前鋰離子電池主要選取鋰鉆、鋰銀、鋰鎰等氧化物和磷 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,目前的開展比擬成熟.只要能 夠到達使得電子吸附好,脫離比擬容易,能夠使得充放電速度 快,同時脫離的比擬干凈,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.基于上述的考慮,一般采用焦 炭和石墨作為鋰電池的負極材料,該應用已經被證實效果很 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

14、液來實現,它一般有電解 質、鋰鹽有機物和添加劑 3局部組成.電池的內阻力大小,界面結構的成型化等問題是由隔膜來 決定,他能夠對電池的容量大小,循環次數等起到決定性作 用,所以隔膜的選擇對電池的綜合性能至關重要.3 .鋰電池的工作原理根據圖6能夠非常清楚的看由鋰電池的工作原理.鋰電池 一共分為4局部：鋰金屬化合物構成的正極,石墨構成的負 極,以及中間的電解質和隔膜.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原理與電能的結合.充電過程 是鋰金屬化合物在電能作用下將鋰離子別離由來,鋰離子游過 電解質和隔膜,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

15、補充電荷.放電過 程是石墨中吸附的鋰離子被電離由來,電子游過電解質和隔 膜,與正極的金屬化合物經過化學反響合成鋰金屬化合物.以 石墨/磷酸鐵鋰電池為例,充放電化學反響式如下：4 .磷酸鐵鋰的優缺點通常我們說得最多的動力鯉電池主要有磷酸鐵鋰電池、鎰 酸鋰電池、鈉酸鋰電池以及三元鋰電池三元銀鉆鎰,他們 的性能比照方表2所示.磷酸鐵鋰電池主要應用于客車,三元電池在乘用車、專用 車領域滲透率高見圖 7 o目前磷酸鐵鋰電池、三元電池是 主要的動力電池見表 3 o由于磷酸鐵鋰作為電池一局部存在穩定性高,即內部晶體結構不發生變化；整個制作和使用過 程中環保無毒無害；采用磷酸源和鋰源以及鐵源為原材料,價 格廉

16、價；耐高溫高壓,穩定性好,使得平安系數高等優點,越 來越多的電池供給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平安性的考慮,也會在選擇 電池參數的時候選擇該材料見圖8、9.磷酸鐵鋰有很多優點,但是并沒有馬上投入到大規模的使 用中去,原因在于制作過程中,需要限制導電碳材料、金屬微 粒中的磷酸鐵鋰顆粒比率,實現良好的導電性,這個問題難點 在于比率隨著時間、容量等不停發生變化,使得大規模的制作 由現問題.第2個問題是只能到達1.31.5V的振實密度使得 該產品難以小型化.第 3個問題是工作電壓低,一般為 3.2V.五、三元鋰電池開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