電動車電池的開發(fā)現(xiàn)狀及展望

　　摘要無污染的電動車已成為各國政府和企業(yè)關注的焦點， 電動車電池是電動車開發(fā)中需要解決的關鍵技術之一。文章介紹了鉛蓄電池、MH2Ni 電池、鋰離子電池、鈉2氯化鎳電池及燃料電池在電動車上應用的近期發(fā)展情況。對各種電動車的未來發(fā)展也做了簡要的討論并對我國電動車的開發(fā)提出了建議。

　　0 前言

　　據(jù)近期"世界電動車"報導， 預測到2007 年，全世界電動車年銷量可達百萬輛以上（見表1），約占全球汽車總銷量的1. 5 %.雖然這樣小的份額不足以說明電動車已商品化， 但也說明經(jīng)過幾十年，尤其是近10 年的全球性努力，電動車在技術上已取得很大成就。預測電動車銷售的主要依據(jù)仍然是人們對環(huán)境污染的關注，尤其是在中心城市。美、歐等發(fā)達國家的一些中心城市都在限制燃油汽車的使用。我國政府也越來越重視環(huán)境保護問題， 把環(huán)境保護作為實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項重要內(nèi)容。我國環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)表明， 汽車尾氣排放是城市大氣污染的主要來源之一。北京市機動車尾氣排放對大氣污染物中CO、HC、NOx 的分擔率分別為63. 4 % ,73. 5 %和46 % , 非采暖期這一分擔率更高， 分別為80. 3 % ,79. 1 %和54. 8 %.上海市更為嚴重，分別為86 %、96 %和56 %;廣州、天津、重慶等許多大中型城市具有類似情況。因此， 最近國務院有關部委組織召開了一次"清潔汽車行動"的大會， 以推動我國燃油汽車的清潔化、新型燃氣汽車的推廣應用和國家電動汽車重大科技產(chǎn)業(yè)化工程項目的實施。

表1 電動汽車銷售量預測（千輛）

　　目前， 各種類型的電動汽車包括以蓄電池驅(qū)動的BEV,以內(nèi)燃機與電池混合驅(qū)動的HEV及以燃料電池驅(qū)動的FCEV都面臨著與改進的燃油汽車及采用各種替代燃料的低污染汽車的市場競爭。電動車必須在性能、價格上進一步改進， 才能指望在市場競爭中站住腳。

　　各種主要電動車用蓄電池的對比見表2。目前能大量生產(chǎn)供應的只有鉛蓄電池和鎘鎳蓄電池， 由于鎘鎳電池性能價格比不如鉛蓄電池而且存在鎘污染，性能優(yōu)良的MH2Ni 電池有可能很快進入市場。本文將重點討論鉛蓄電池、MH2Ni 、鋰離子及鈉氯化鎳蓄電池的進展情況。質(zhì)子交換膜燃料電池（ PEMFC）是唯一可以在性能上與燃油汽車競爭的電池， 本文將介紹其最近發(fā)展情況。

表2 各種主要電動車用蓄電池對比

　　1 電動車電池的研制進展

　　1. 1 鉛蓄電池

　　鉛蓄電池是目前唯一能大量生產(chǎn)供應的電動車電池。從表2 可以看出，它的優(yōu)點是價格低，缺點是比能量低，一次充電行駛里程短（約100km） .一項對北美私人汽車日行程的調(diào)查表明， 日行程在160km以下的占90 % , 其余10 %日行程超過240km甚至更高。因此有人提出若能將鉛蓄電池比能量適當提高，使一次充電行程達到160km,同時開展快速充電的研究， 就有可能使價格低廉的鉛蓄電池滿足大多數(shù)城市中心區(qū)短途運輸及交通用電動車的要求。為此， 1992 年由國際鉛鋅組織聯(lián)合世界鉛蓄電池制造廠商成立的"先進鉛蓄電池聯(lián)合體（ALABC） "制定了先進鉛蓄電池的研制目標為：

　　比能量50W·hkg- 1 （一次充電行程160km）

　　比功率150Wkg- 1

　　價格< 150 美元/ kW·h

　　循環(huán)壽命> 500 次

　　快充性能：

　　50 % 5min

　　80 % 15min

　　上述5 項指標中， 價格及比功率已為一般鉛蓄電池所具備， 因而改進的主要力量集中在比能量，循環(huán)壽命及快充性能3 項指標。

　?。?） 比能量提高比能量主要從減輕板柵重量及提高正極活性物質(zhì)利用率著手。研究表明， 提高鉛鈣合金中錫的含量可以增強板柵耐腐性及抗蠕變強度， 從而可以減輕板柵重量（Sn 含量0. 5 %~1 %） .在正極活性物質(zhì)中添加吸酸能力強的添加劑（如發(fā)泡聚丙烯） 可以提高正極活性物質(zhì)利用率約10 %.

　?。?） 循環(huán)壽命研究結果表明有4 種方法可提高鉛蓄電池的循環(huán)壽命： （i） 板柵合金采用錫含量高的鉛鈣合金， 可以克服因板柵蠕變而造成的早期失效。（ii） 為了防止極板膨脹， 采用加大極板法向壓力，試驗證明將法向壓力從8kpa 增至40kpa ,可使循環(huán)壽命由200 次提高到700 次。為此需改進隔膜材料以免在受壓情況下松散。（iii） 采用合理的充電制度，尤其要精確掌握充電后期的充電量及充電速率，以保證充足電。（iv） 改進負極膨脹劑以避免延長充放循環(huán)壽命后，負極活性物質(zhì)海綿狀鉛的硬化。

　?。?） 快速充電由于近期快速充電技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)的鉛蓄電池快速充電性能不好的概念已有所改變。實驗證明， 多數(shù)閥控式鉛酸蓄電池可以承受快速充電制度（50 % soc , 5min ; 80 % soc , 15min） .而且，合理的快速充電制度及方法，對延長電池壽命不但無害而且有利。國外已將快速充電方法由單組電池擴展應用到整個電池組， 并且在車載情況下進行試驗。1998 年公布的ALABC 的報告表明，通過研究改進， 閥控式鉛酸蓄電池的比能量有望提高到改進前的2 倍， 循環(huán)壽命有可能提高到原有的10 倍， 而充電時間縮短一個數(shù)量級。目前ALABC 正在大力支持各有關方面的研究改進工作。假如上述研究改進目標能在鉛蓄電池的生產(chǎn)中實現(xiàn)， 則鉛蓄電池將在近期電動車的產(chǎn)業(yè)化過程中發(fā)揮重要作用。

　　我國在"八五"計劃期間， 國家科委和國家計委就把電動車用鉛蓄電池的研究和開發(fā)列為重點項目予以支持。許多從事電動車設計和研制的單位認為， 雖然鉛蓄電池比能量低， 但在我國期望將公交車、出租車放在電動車使用的首要地位的情況下，鉛蓄電池以其價格低廉， 能夠大量生產(chǎn)供應的優(yōu)勢， 被列入近期電動車產(chǎn)業(yè)化工程項目計劃中還是可行的。