电动汽车电池的发展展望

刘江彩 ， 陈 巍 ， 陈 冬 ， 杨辉静

（河北化工医药职业技术学院，河北 石家庄 050000）

由于全球气候变暖和全球能源危机紧迫，电动汽车越来越受到人们的普遍欢迎。电动汽车采用电能取代了传统的化石燃料来作为动力来源，为绿色交通提供了可选、有效的解决方案。当前，对于电动汽车的研究热点，仍聚焦于电动汽车的电机系统、电池技术以及充电等方面。其中，电动汽车的电池技术仍然被视为当前新能源汽车技术突破的重要难关。从储能上来看，电动汽车储能技术主要是电化学储能技术，这种技术能够通过钠、硫、铝离子等作为电池的实际储能[1]。这些技术从实际应用反馈上来看，仍然存在一定的不安全性，而这些不足也对电动汽车的发展造成了一定的影响。在当前能源紧缺、各国重视科技创新的大背景下，电动汽车的电池技术研究及发展，已经引起了世界各国的高度重视，各国纷纷投入大量的人力、物力、财力，以便推动本国新能源汽车领域的发展。比如，锂离子电池在应用过程中经过不断的测试试验，其安全性也得到大力提升，这便为电动汽车的发展，尤其是商业化的发展提供了非常重要的基础保障。

1 电动汽车电池的发展概述

1.1 电池的发展

世界上第一辆以电池作为驱动能源的车辆，是在19世纪诞生的，但是由于在当时那个年代缺少成熟的电池配套，所以，在19世纪末电动汽车的电池发展仍然非常缓慢。而这一时期传统的燃油汽车凭借其内燃机的优良机械性能和动力占据了汽车发展的主要市场。在20世纪末，电动汽车第二次出现在市面上，此时，是以锂离子电池为主要的动力来源，而锂离子电池充电的行驶里程也比第一代电动汽车的行驶里程增加了1.5倍[2]。此时，日本丰田公司通过利用锂离子电池技术开发了内燃机和电机混合的第3代电动汽车，这也是当前被人们称之为混合动力汽车的HEV。混合动力汽车，顾名思义是对于汽车而言，拥有多个动力来源，从而根据汽车的实际运行情况，来选择合适动力来源的机动车辆，锂离子电池在电动汽车技术领域中也比较受大家的关注。从十几年前开始，人们对于锂离子电池就已经进行了一定程度的关注和研究，尤其是在锂离子电池的安全性上，得到了很大的性能提升，这使得当下较多的纯电动汽车和混合动力汽车都能广泛地使用锂离子电池，锂离子电池凭着独特的优势已经成为当下比较热门的电池类型[3]。

2008年，全球金融危机爆发，国际油价在高位上震荡。这些外部和内部的经济压力，对能源价格造成了巨大的影响，所以这一年全球汽车产业正式进入了能源转型的关键时期。在这个时期，世界各国都对电动汽车的发展予以关注，各个国家的政府职能部门也在战略上更加倾向于交通能源转型，由此出台了较多相关的优惠政策，而电动汽车产业正是在这样的背景下进入了快速发展的新阶段[4]。

从电动汽车发展的整体情况上看，发展进程中出现过多种不同类型的汽车和不同类型的电池，电动汽车在其应用过程中，也产生了巨大商业化的使用价值。综合来看，电动汽车电池主要有铅酸蓄电池、镍氢电池和锂离子电池3种类型。

1.2 电池包的发展

对于新能源汽车电池包而言，电池包对整个电动汽车的运行和安全性都有着重要影响。同时，电池包也属于电动汽车运行过程中的一个重要动力基础。从目前行业对于电池系统整体设计情况来看，电池包主要分为两大类型，一种类型是集成电池箱的结构，这种结构的电池包，能够根据新能源电车的自身结构进行量体裁衣，进行适应性设计，即两者可以形成一个整体，从而形成集成化的模式，更好地实现电池包和电车整体结构空间最优化的设计配置[5]。此外，该结构还能够将电池的各项监测性能和电池的管理界面设置在整个电动汽车操作的空间中。另外一种类型的电池包则是与整车以一种具有良好兼容的结构呈现出来的，这类电池包没有过多考虑在电车空间中安置的问题，而是直接对新能源电动汽车的某些结构部件直接转换设计，使其成为电池。目前，这两种电池包市面上应用广泛。

2 电动汽车电池的发展现状

2.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池早在19世纪初就已经被发明出来，如图1所示，这种电池的基本结构有三个部分，即作为正极板的氧化铅、作为负极板的海绵铅以及作为电解液的硫酸水。铅酸蓄电池的充放电过程，主要是正负极板与电解液的电化学反应过程，如充电过程是负极板的铅原子经由电化反应生成铅离子，而正极板的铅离子则转化为二价的铅离子，并以硫酸铅的形式固化在正极板上。从目前的发展现状来看，铅酸蓄电池在当今的汽车行业发展进程中，主要在内燃机汽车的电气设备上和一些常见的电子设备上广泛应用，具备比较成熟的生产制造技术，生产成本比较低。随着社会的不断发展，产生了一些新的技术，这些新的技术也在市场中得到了不断的演变和应用。不过，铅酸蓄电池在当今社会中依然有很大的用武之地，尤其是在旅游观光等特殊车辆的使用过程中，铅酸蓄电池依然是主要的动力源，并且在一些短距离行驶的公交车里面也经常得到大量的应用[6]。现如今，电动汽车应用的密封铅酸蓄电池，对其的维护减少了很多，可以对铅酸电池进行深度的充放电，使用的循环效率相对也比较高。由于铅酸蓄电池自身所储存的能量与功率相比，仍然存在一定的弱点，主要原因是由于铅酸蓄电池内部金属铅具有较大的密度。虽然说功率的密度可以通过利用电极的表面处理进行一定的增大，但这样会加大对电池的损坏程度，从而缩短电池的使用寿命。此外，电池的充放电形式也会对电池的寿命造成严重的损伤，长期以来，电池在充电过程中所产生的气体也会导致活性物出现一定的脱落，而这种损坏和脱落势必会影响电池自身的使用寿命。与此同时，如果电池在充电的过程中没有达到预期充满的状态，电池也会发生化学反应，从而对电池自身的孔隙度造成很大的降低，导致了活性物质的进入受到一定的限制。

图1 铅酸蓄电池

2.2 镍氢电池

镍氢电池在目前的电动汽车应用领域中，仍然占有一定的比例。这种电池主要是通过镍基和碱性溶液所构成的。在镍氢电池、镍锌电池和镍铬电池这3大品种中，镍氢电池是在电动汽车中应用最为广泛的，因为自身具有比较高的能量，并且对环境友好，产生的污染物比较少。而镍锌电池由于产生能量的速度比较快，在某种程度上让电池的自身寿命受到了很大的影响，但是从如今电气行业的发展来看，仍然有一些办法可以解决这些缺点。比如说，可以利用第三电极充电的形式来解决。镍氢电池则是由氢氧化镍和其他多种成分合金所组合形成的，其中由氢氧化镍作为电池的阳极，钒、锰、镍这些金属共同构成电池的阴极。这种电池和铅酸电池相比较的话，其能量的储存量可以提高到3倍，并且电池的比功率也比铅酸电池大。镍氢电池这项技术优势明显，在电动汽车运行过程中电压比较高，其高能量和比功率也具有十分明显的优势[7]。

2.3 锂离子电池

随着电池技术的革新，锂离子电池在电池行业中也得到了一定程度的发展，这种电池的结构中有石墨阳极、锂离子、金属氧化物以及电解液等，如图2所示。锂离子电池的阳极是碳，而电池的阴极通常是二氧化锰，锂电池的电解液通常是由硫酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液所构成的。这种电池自身的质量不大，使用轻便且比较结实，而且电池所储存的能量比较高，一个单体电池甚至可以存储3.7伏。锂电池由于自身的体积比较小、质量轻、寿命长以及电池在进行自放电功率比较高的情况下也不会产生一定的记忆效应等优势，因此也具有十分广泛的应用前景[8]。

图2 锂离子电池组

3 电动汽车电池未来发展展望

3.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池目前仍然是市场中应用最为广泛的一种电动汽车电池，由于自身的价格低，一般作为火车、摩托车、叉车、短途汽车等的主要动力来源。然而，市面上所使用的铅酸蓄电池，从能量比上和循环次数上来看，相对于其他的电池来说，还存在一定的弱势。这对电池的实际使用效率，以及实际使用范围都产生了一定的影响[9]。从未来的发展趋势来看，铅酸蓄电池在高速公路以及长途运输中应当是最不符合时下各项要求的，也是不经济的。但是，由于铅酸电池自身的成本较低，这就使得它依旧能够在未来短途电动汽车和混合电动汽车中得到一定程度的应用。相关的研究表明，在美国已经研制出了一种超级电池，实际上指的是超级电容器和铅酸蓄电池联合使用的，这种电池的比功率相对比较高，寿命也比较长。

3.2 镍氢电池

镍氢电池相对于铅酸蓄电池而言，具有比较高的能量比和功率比，然而由于电池组成上存在着大量的镍和钴，这就使得电池的成本会相应地增加，由于镍、钴本来也是比较稀缺的元素，所以也会导致在电池的生产和使用上出现价格上涨现象。从现今的电池发展技术来看，镍氢电池在混合动力汽车中得到一定程度的应用，而随着锂离子电池技术的不断发展，由于锂离子成本的降低，所以镍氢电池也会在原来的市场上受到一定的挤压。因此，笔者认为镍氢电池目前在电动汽车发展过程中仍然属于过渡阶段的电池产品，但在近期和中期的电池发展市场上，仍然是非常关键的动力来源。

3.3 锂离子电池

从当下锂离子电池在市场中的应用数据来看，锂离子电池目前的应用迅速扩大。不仅仅是在电动汽车中，现在很多电瓶车也使用锂离子电池，其电池的能量是铅酸蓄电池的5倍多，是镍氢电池储存能量的3倍左右，因此锂离子电池的储能优势是有目共睹的。相对于优势而言，锂离子电池的价格、功率大小，以及锂离子电池使用的安全性，是影响其快速发展的主要劣势因素[10]。在当下不少的电池安全事故中，有很大一部分是由于锂离子电池所产生的安全事故。但是从锂离子电池的主要原料来看，锂是我国储存量非常丰富的矿产资源之一，我国已探明的锂矿总量已位居全世界第二。此外，有研究表明，锂也大量存在于海水中，随着科学技术的发展，人类可以从海水中提炼出锂离子，所以，从一定程度上看，这对于锂离子电池技术的未来发展起着非常重要的作用，可以进一步降低锂离子电池的价格。

4 结束语

综上所述，电动汽车的电池是当前汽车行业最为重要的储能装置之一。汽车要想达到一定的行驶周期、达到一定的续航里程、达到一定的加速动力水平，就需要对电池不断进行研究和发展。毋庸置疑，电池将会对未来电动汽车的发展起到主要的引领和助推作用，因此对电动汽车的电池开展系统研究具有十分重要的战略意义。