解析制约电动汽车发展的关键因素——动力蓄电池

解析制约电动汽车发展的关键因素——动力蓄电池

目前，制约电动汽车发展的关键因素是动力电池的不尽人意。

电动汽车电池的主要性能指标是比能量、比功率和使用寿命。电动汽车要想与内燃机汽车竞争，关键是开发高比能量、高比功率、长使用寿命和低成本的电池。（比能量是电子术语，单位质量的电极材料参与电极反应所释放的电能大小称为电池的比能量。）

把化学能转换成电能的装置叫化学电池，一般简称为电池。放电后，可通过充电使内部活性物质再生——把电能储存为化学能；当需要放电时，再把化学能转换成电能。这种电池称为蓄电池（），又称二次电池。

1. 电池

（1）铅酸电池

工作原理：充电时，它利用外界电能使内部活性物质再生，将电能储存为化学能，需要放电时再将化学能转换成电能输出。它采用填充有海绵状铅的铅基板栅（也称格体）作为负极，填充有二氧化铅的铅基板栅作为正极，以密度为1.26-1.33g/mlg/ml的稀硫酸为电解液。电池放电时，金属铅为负极，发生氧化反应生成硫酸铅；二氧化铅为正极，发生还原反应生成硫酸铅。用直流电给电池充电时，两电极分别生成单质铅和二氧化铅。撤去电源后，又恢复到放电前的状态，形成化学电池。

应用：

备用电源

①电信、太阳能系统、电子开关系统等。

②通讯设备（基站、PBX、CATV、WLL、ONU、STB、无绳电话等）

③备用电源（UPS、ECR、计算机备用系统等）

④ 应急设备（应急灯、手电筒、火灾警报器、防盗警报器、防火阀等）

主电源

①通讯设备（收发器）

②电控机车（收集车、自动运输车、电动轮椅、清洁机器人、电动汽车等）

③ 机械工具启动器（割草机、绿篱机、无绳电钻、电动螺丝刀、电动雪橇等）

④工业设备/仪器

⑤ 照相机（闪光灯、VTR/VCR、影视灯等）

⑥其他便携设备等。

铅酸蓄电池已有一百多年的历史，广泛用于内燃机汽车的启动电源。

（2）阀控铅酸蓄电池

该种电池虽然也是铅酸电池，但是比原来的铅酸电池有很多优点，很受用户的欢迎，特别是需要将电池配套设备一起安装（或在车间内安装）的用户，如UPS、电信设备、移动通讯设备、电脑、摩托车等。其基本特点是在使用过程中无须加酸或加水进行维护。该电池为密封结构，不会漏酸或排出酸雾。在电池盖上安装有单向排气阀（也叫安全阀），此阀的作用是当电池内部的气体量超过一定值（通常用气压来表示）时，也就是当电池内部的气压升到一定值时，排气阀自动打开，排出气体，之后又自动关闭阀门，不让空气进入电池。

密封铅酸电池的难点在于充电时水的电解。当充电达到一定电压（一般在2.30V/cell以上）时，电池正极放出氧气，负极放出氢气。放出的气体一方面带出酸雾，污染环境。另一方面电解液中含水量下降，必须定期加水维护。与传统铅酸电池相比，阀控铅酸电池有以下优点：

（1）采用多元优质板栅合金，提高气体释放过电位。即普通电池板栅合金在2.30V/cell（25℃）以上才会释放气体。采用优质多元合金后，在2.35V/cell（25℃）以上才会释放气体，相对减少了气体释放量。

（2）让负极有剩余容量，即比正极多10%的容量。在充电后期，正极放出的氧与负极接触，发生反应再生水，即O2+2Pb→2PbO+→H2O+，这样负极受氧的作用处于欠充电状态，也就没有氢气的产生。这种正极的氧被负极的铅吸收，进一步反应生成水的过程，称为阴极吸收。

（3）为了使正极释放出的氧气能尽快流向负极，必须采用新型的超细玻璃纤维隔板，这种隔板不同于普通铅酸电池所用的微孔橡胶隔板。它的孔隙率由橡胶隔板的50%提高到90%以上，这样氧气就很容易流向负极，然后与水发生反应。另外，超细玻璃纤维隔板有吸收硫酸电解液的作用，所以即使电池被翻倒，电解液也不会溢出。

（4）采用密封阀控滤酸结构，杜绝酸雾逸出，达到安全环保的目的。

这也是免维护VRLA电池名称的由来，但是免维护不代表不用维护，相反，为了延长VRLA电池的使用寿命，还有很多维护工作等着我们去做。

用途：与铅酸电池类似。

测试仪器：SCP 100数字电池测试仪、Mit SBT-100电动车电池测试仪

（3）镍（nie4）氢蓄电池

镍氢电池属于碱性电池，循环寿命长，无记忆效应，但价格较贵。

应用：从电信设备和电动汽车的UPS系统到电动自行车、照明设备甚至美容工具的电源。

工作原理：镍氢电池正极活性物质为NiOOH（放电时）和Ni(OH)2（充电时），负极活性物质为H2（放电时）和H2O（充电时）。电解液为30%氢氧化钾溶液。充电时，氢气从负极析出并储存在容器中，正极由氢氧化镍变为氢氧化镍（NiOOH）和H2O；放电时，负极处氢气被消耗，正极由氢氧化镍变为氢氧化镍。

目前，国外生产电动汽车用镍氢电池的主要公司有丰田和松下的合资公司，单体电池有80A·h、130A·h两种规格，比能量为75～80W·h/kg，循环寿命大于600次。我国已开发出55A·h、100A·h单体电池，比能量为65W·h/kg，镍氢电池功率密度大于800W/kg。

（4）锂离子电池

应用：

便携式电子产品

①音乐播放器、视频播放器

② 笔记本电脑、平板电脑、PDA

③手机

④数码相机、单反相机

电动汽车

①电动直行自行车、电动助力自行车

②新型混合动力汽车（客车）、新能源汽车（作为动力源）

③通用汽车（轿车、乘用车、商用车、厢式货车等）

大电源

①大型船舶（货船、邮轮、军舰等）

② 飞机（大型民航客机、公务机、直升机、战斗机等）

③ 航空航天推进（航天飞机、卫星、火箭、导弹等）

④装甲动力（坦克、装甲车辆、大型民用挖掘机、大型起重机等）

二次充电及储能领域

①电动玩具

②风光储能电源

③电动工具（电钻、电磨等）

④手电筒

⑤电动航模（模型飞机、模型船、模型汽车等）

工作原理：电池充电时，在电池正极上有锂离子产生，产生的锂离子通过电解液向负极移动。负极的碳具有层状结构，具有很多微孔，到达负极的锂离子嵌入碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，电池放电时（即使用电池的过程），嵌入负极碳层的锂离子被释放出来，向正极移动，返回正极的锂离子越多，放电容量越高。

锂离子二次电池作为一种新型高电压、高能量密度的可充电电池，具有独特的物理和电化学性能，在民用和国防应用方面有着广泛的前景。其突出的特点是：重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。目前人类只开发利用了其理论电量的20%~30%，发展前景十分光明。同时它是一种真正的绿色环保电池，不会污染环境，是目前可以应用于电动汽车的电池。

检测设备：Mit GRX-电动车电池模块工作站

（5）镍镉电池

镍镉电池是最早在手机等设备中使用的电池类型，具有大电流放电特性好、抗过充放电能力强、维护简单等特点。

应用：

①大型袋式、开口式镍镉蓄电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、航空发动机等作启动或应急电源。

②圆柱形密封镍镉电池主要应用于电动工具、剃须刀等便携式电器。

③小型纽扣式镍镉电池，主要用于无绳电话、电动玩具等，电流较小，放电率较低。

工作原理：负极处的镉（Cd）和氢氧化钠（NaOH）中的氢氧离子（OH-）结合生成氢氧化镉，氢氧化镉附着在阳极上并释放出电子。电子沿着导线传播到阴极，与阴极的二氧化镍和氢氧化钠溶液中的水发生反应，生成氢氧化镍和氢氧离子。氢氧化镍会附着在阳极上，而氢氧离子会回到氢氧化钠溶液中，因此氢氧化钠溶液的浓度不会随着时间的推移而降低。

由于废弃的镍镉电池对环境造成污染，该系列电池将逐步被性能更优良的镍氢电池所取代。

（6）钠硫电池

钠硫电池是以钠金属为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质膜的二次电池。在一定的工作程度下，钠离子穿过电解质膜与硫之间的可逆反应形成能量的释放和储存。钠硫蓄电池这种占地面积约一间房间大小的新型电池，有望像水库蓄水一样，轻松地为庞大的电网储存电能，从而改变电力向家庭和企业的输送方式。

工作原理：常规的二次电池如铅酸电池、镍镉电池都是由固体电极和液体电解质组成，而钠硫电池则相反，是由熔融的液体电极和固体电解质组成。构成负极的活性物质是熔融的金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐。由于硫是绝缘体，所以硫一般填充在导电的多孔碳或石墨毡中。固体电解质和隔膜是传导钠离子的陶瓷材料，叫Al2O3。外壳一般是不锈钢等金属材料。钠和硫会通过化学反应储存电能，当电网需要更多的电能时，就会把化学能转化为电能释放出来。钠硫电池的“蓄洪”性能非常优异。 即使输入电流突然超过额定功率5-10倍，它也能从容承受，并以稳定的功率释放到电网——这对于大型城市电网的平稳运行尤其有用。

应用：电网供电。

钠硫电池是电力公司正在试验的几种储能技术之一。传统的储能形式是抽水蓄能。美国电力储存协会负责人布拉德·罗伯茨说，自 1990 年代以来，日本公司已经安装了足够的钠硫电池，可以为大约 15.5 万户家庭提供照明。这座宽 15 英尺、高 30 英尺的钠硫电池满足了查尔斯顿北部 2600 名客户 10% 的电力需求。这块电池造价约为 250 万美元，在电力需求低、价格低的夜间由电网充电，并在白天电力需求达到峰值时提供电力。

电池减轻了电网的压力，特别是在最热的夏季，并且更具吸引力的目标是从快速发展的风力发电场中提取更多能源，从而解决风力发电不稳定的问题。

（7）镍锌电池

镍锌（NiZn）电池是一种可以替代镍氢电池的新型电池，标称电压为1.6V，常见型号为AA和AAA，与镍氢、镍镉电池相比，具有电压高、放电电流强等特点，在数码相机、手电筒、电动玩具等领域有着无可比拟的优势。

AA尺寸的镍锌电池容量只有1000焦耳左右，但其放电能量却达到了8300焦耳以上。与最好的镍氢电池（、）相比，差别并不大，（、）放电能量约为9000焦耳。镍锌电池的放电电流很强，在电动汽车上已经得到应用，一节AA镍锌电池在2A放电电流下，可以释放出7200焦耳以上的能量。镍锌电池更环保，镍和锌都是可回收、易回收的金属。

工作原理：锌镍电池由锌、氧化镍、质量浓度为25%～30%的氢氧化钾溶液、隔膜组成。锌镍电池的电池反应机理：

2Ni(OH)2+Zn(OH)2＝+Zn+2H2O

正极由氢氧化镍、镍粉及添加剂组成；负极由氧化锌、锌粉及添加剂组成。充电时，阳极反应为

阴极反应为

。

应用：数码相机、手电筒、电动玩具、电动汽车。

（8）锌空气电池

锌空气电池又称锌氧电池，是金属空气电池的一种，采用活性炭吸收空气中的氧气或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性溶液为电解液。锌空气电池比能量理论值为1350W·h/kg，目前比能量已达到230Wh/kg，几乎是铅酸电池的8倍。可见锌空气电池还有很大的发展空间。

工作准则：

阳极：Zn + 2OH– → ZnO + H2O + 2e–

阴极：O2 + 2H2O + 4e– → 4OH–

摘要：2Zn + O2 → 2ZnO

通常此反应产生的电压为1.4伏，但放电电流与放电深度可使电压产生变化，空气必须能不间断地进入正极，在正极外壳上开有小孔，让氧气不断进入，电池才能产生化学反应。

应用：汽车电源、风能和太阳能储能电池、军事应用。

2.新概念电池

1.飞轮电池

众所周知，飞轮以一定的角速度旋转时，具有一定的动能，飞轮电池就是将这种动能转化为电能，高科技飞轮就像普通电池一样，用于储存电能。

工作原理：飞轮储能电池系统由飞轮、电动机、发电机和电力电子转换器三个核心部分组成。电力电子转换器从外部输入电能，驱动电动机转动，电动机带动飞轮转动，飞轮储存动能（机​​械能）。当外界负载需要能量时，飞轮带动发电机转动，将动能转化为电能，再通过电力电子转换器转换成负载所需的各种频率、电压等级的电能，满足不同的需求。由于输入与输出相互独立，因此在设计时往往将电动机与发电机用一台电动机实现，输入与输出转换器也合二为一，可以大大减小系统的体积和重量。

应用：

（1）太空。包括人造卫星、宇宙飞船、空间站等，飞轮电池一次充电可提供同等重量化学电池两倍的电量，同等负载使用时间是化学电池的3到10倍。同时由于其转动速度可测可控，可随时检查电量。NASA在空间站上安装了48块飞轮电池，合计可提供150KW以上的电力，估计比化学电池可省200万美元左右。

（2）交通运输。包括火车和汽车。这类车辆由内燃机和电动机组合驱动。飞轮电池充电快、放电完全，非常适合用于混合能源汽车。飞轮电池在正常行驶和制动过程中充电，飞轮电池在加速或爬坡时为车辆提供电力，确保车辆以稳定、最佳的速度运行。这样可以减少燃料消耗、空气和噪音污染、减少发动机维护，延长发动机寿命。德克萨斯大学奥斯汀分校开发了一种用于汽车的飞轮电池，当车辆需要时，电池可以提供150KW·h的能量，可以将满载车辆加速到100Km/h。在火车方面，开发了一种长1.5m、宽0.75m的飞轮电池，可以提供3MW的电力，并储存30%的制动能量。

（3）不间断电源。飞轮电池能提供高度可靠和稳定的电源，可提供电力的时间从几秒到几分钟不等，这段时间足以保证工厂的开关电源。德国GmbH公司制造了一种使用飞轮电池的UPS，可以在5s内提供或吸收5MW的电力。

（4）军用车辆。美国国防部预测，未来的作战车辆在通讯、武器和防护系统方面将需要大量电能。飞轮电池由于具有快速充放电、独立稳定的能量输出、重量轻、能保持车辆在最佳状态下运行、降低车辆噪音（在作战中非常重要）和提高车辆加速性能等优点，已成为美国军方考虑的主要储能装置。

2.胶体电池

胶体铅酸电池是对采用液态电解质的普通铅酸电池的改进。胶体电解质取代硫酸电解质，在安全性、储存容量、放电性能和使用寿命等方面均优于普通电池。胶体电解质是在电解质中添加胶凝剂，使硫酸电解质凝固成胶体状物质。通常胶体电解质中还添加胶体稳定剂和容量延长剂。有些胶体配方还添加延迟胶体凝固的剂和缓凝剂，以利于胶体的填充。

工作原理：国内电动自行车用的胶体铅酸电池，是采用真空灌注法，将硅胶和硫酸溶液灌注在电池正负极板之间的电池。胶体铅酸电池在使用初期，由于正负极板都被胶体包围，所以不能使氧气循环，正极板上产生的氧气不能扩散到负极板上，不能被负极板上的活性铅还原，只能通过排气阀排出，与富液式电池一致。

胶体铅酸电池使用一段时间后，胶体开始干燥收缩，并产生裂纹，氧气通过裂纹直接到负极板进行氧气循环，排气阀不再频繁打开，胶体铅酸电池接近密封运行，失水量极少。因此电动自行车电池的主要失效机理是失水，使用胶体铅酸电池可以达到很好的效果。胶体电解液是在电解液中加入胶凝剂，使硫酸电解液凝固成胶体物质，通常胶体电解液中还加入胶体稳定剂和增容剂，有的胶体配方还加入延缓剂以延缓胶体的凝固和缓凝剂以利于胶体的灌装。

应用：1.通讯系统：交换机、微波站、移动基站、数据中心、无线电和广播电台。2.发电厂和输变电系统。3.太阳能和风能发电系统。4.信号系统和应急照明系统。5.EPS和UPS系统。

3.微核电池

微核电池（一分钱大小）体积小，只有一分钱厚度，电力强劲，使用安全，可以用来给手机充电，让你的手机不用充电就能用5000年。

工作原理：原理利用微米和纳米级系统开发出一种超微电源装置，该装置通过放射性物质的衰变释放带电粒子，从而获得持续电流。

应用：航空、深海设备、心脏起搏器和人工心脏。

4.钒电池

钒电池全称是全钒液流电池（VRB），是一种活性物质处于循环液态的氧化还原电池。

工作原理：钒电池通过在两种不同类型的钒离子之间交换电子，将储存在电解质中的能量转化为电能，这两种钒离子之间由膜隔开。电解质是硫酸和钒的混合物，酸性与传统铅酸电池一样。由于这种电化学反应是可逆的，因此钒电池可以充电和放电。在充电和放电过程中，随着两种钒离子浓度的变化，电能和化学能可以相互转换。钒电池由两个电解液罐和多层电池单元组成。电解液罐用于容纳两种不同的电解液。每个电池单元由两个“半电池”组成，中间有膜和用于收集电流的电极。两个不同的“半电池”包含具有不同钒离子形式的电解质。每个电解液罐都配有一个泵，用于将电解液输送到封闭管道中的每个“半电池”。当带电的电解液流过多层电池单元时，电子会流向外部电路，这就是放电过程。 当电子从电池外部输送到内部时，会发生逆过程，即给电池单元中的电解液充电，然后被泵回电解液池。在 VRB 中，电解液在多个电池单元之间流动，电压由每个单元的电压串联而成。标称电压为 1.2V。电流密度由电池单元中集电器的表面积决定，但电流的供应取决于电池单元之间电解液的流动，而不是电池层本身。

用途：可作为大厦、机场、程控交换站的备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置；可为潜艇、远洋舰船提供电源，用于电网调峰等。

5.质子交换膜燃料电池

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种原理上相当于水电解“逆”装置的燃料电池，其单电池由阳极、阴极和质子交换膜组成，阳极是氢燃料被氧化的场所，阴极是氧化剂被还原的场所，两个电极上都含有加速电极电化学反应的催化剂，质子交换膜起电解质的作用。

工作原理：燃料电池的工作过程其实就是水电解的逆过程。PEMFC技术是目前国际上能将空气中的氢气和氧气结合生成洁净水并释放电能的最成熟的技术： （1）氢气通过管道或导风板到达阳极，在阳极催化剂作用下，氢分子解离为带正电的氢离子（即质子），并放出带负电的电子。 （2）氢离子经过电解液（质子交换膜）到达阴极；电子通过外电路到达阴极。电子在外电路形成电流，通过适当的连接，便可输出电能给负载。 （3）在电池的另一端，氧气（或空气）通过管道或导风板到达阴极；在阴极催化剂作用下，氧气与氢离子和电子发生反应生成水。

燃料电池种类繁多，它们之间的区别就在于所采用的电解质不同。质子交换膜燃料电池采用质子交换膜作为电解质，其特点是工作温度低（约70-800C），启动速度快，特别适合用作动力电池。电池内化学反应温度一般不超过80度，所以又被称为“冷燃烧”。

应用：

（1）用作便携式电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，适用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等，满足野外供电、应急供电及高可靠性、高稳定性供电的需要。最小的PEMFC电源功率只有几瓦，如手机电池。据报道，PEMFC手机电池连续待机时间可达1000小时，一次加油通话时间可达100小时（摩托罗拉）。适用于便携式电脑等便携式电子设备的PEMFC电源功率范围大致为几十瓦到几百瓦（东芝）。军用背包通讯电源功率约几百瓦。卫星通讯车使用的车载PEMFC电源功率一般为几千瓦。

（2）可以用作摩托车，摩托车，汽车，火车和船舶的电源，以满足PEMFC的环境要求，其启动速度很低，并且是较小的电源。全世界的汽车集团在当前的开发情况下对电动汽车和替代燃料汽车进行大量投资。 比目前的汽油发动机高得多，达到1.4kW/kg或1.6kW/升。 PEMFC系统的电源范围是电动自行车，摩托车和摩托车的电源，分别是300-500W，500W-2KW和2-10kW，PEMFC电力系统的功率是轻型车辆的功率。与Stirl引擎和闭环柴油发动机相比，它具有高效率，低噪声和低红外辐射的优势，这对于提高了美国，澳大利亚，澳大利亚，澳大利亚，澳大利亚，其他国家和其他国家 /地区的 pers pan a ins pers pains pers cans pers s pers s pers s sects pers的均均具有重要意义。

（3）它可以用作分散的电站。

与集中的电源模式相比，分散的电源模式具有许多优势：①可以节省电力网线和分配调度控制系统；②有利于热量和电源的促进性（因为PEMFC发电站是噪音的战争和自然灾害；通过天然气和煤气改革，可以使用现有的天然气，煤气供应系统和其他基础设施为PEMFC提供燃料，并通过生物氢化生产和太阳能产生水解方法，因此可以形成循环系统的系统，这是一个非常适合的系统。 C非常经济且环境友好。

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