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动力电池的改革与变迁主流的新能源汽车电池种类定义

  新能源汽车的发展离不开电池的革新,大厂商也在不断地革新着电动汽车的电池质量和电容量的问题。目前市面上主流的新能源汽车动力电池种类大致归为铅酸电池、镍氢电池、钴酸锂离子电池、锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池(镍钴锰酸锂离子电池)等几大门类。

  铅酸电池(VRLA),是一种电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V,能放电到1.5V,能充电到2.4V;在应用中,经常用6个单格铅酸电池串联起来组成标称是12V的铅酸电池,还有24V、36V、48V等。铅酸电池作为比较成熟的技术,因其成本较低,而且能够高倍率放电,依然是唯一可供大批量生产的电动车用电池。但是铅酸电池的比能量、比功率和能量密度都很低,以此为动力源的电动车不可能拥有良好的车速及续航里程多用于低速车。

  镍镉电池(Nickel-cadmium battery,通常简称NiCd,读作nye-cad)是一种流行的蓄电池。这种电池以氢氧化镍(NiOH)及金属镉(Cd)作为产生电能的化学品。虽然性能好于铅酸电池,但含有重金属,使用遗弃后对环境会造成污染。镍镉电池可重复500次以上的充放电,经济耐用。其内部力小,既内阻很小,可快速充电,又可为负载提供大电流,而且放电时电压变化很小,是一种非常理想的直流供电电池。与其它类型的电池比较,镍镉电池可耐过充电或过放电。镍镉电池的放电电压根据其放电装置有所差异,每个单元电池(Cell)大约是1.2V,电池容量单位为Ah(安时)、mAh(毫安时),放电终止电压的极限值称为“放电终止电压”,镍镉电池的放电终止电压为1.0/cell(cell为每一单元电池)。自放电率低,镍镉电池在长时间放置的情况下,特性也不会劣化,充分充电后可完全恢复原来的特性,它可在-20℃+60℃的温度范围内使用。由于单元电池采用金属容器,坚固耐用;采用完全密封的方式,不会出现电解液泄漏现象,故无须补充电解液。

  镍氢电池是由氢离子和金属镍合成,电量储备比镍镉电池多30%,比镍镉电池更轻,使用寿命也更长,并且对环境无污染,但价格比镍镉电池要贵好多。镍氢动力电池刚刚进入成熟期,是目前混合动力汽车所用电池体系中唯一被实际验证并被商业化、规模化的电池体系,现有混合动力电池99%的市场份额为镍氢动力电池,商业化的代表是丰田普锐斯。目前全球主要的汽车动力电池厂商主要有日本的PEVE和 Sanyo,PEVE占据全球Hybrid动力车用镍氢电池85%的市场份额,目前主要的商业化的混合动力汽车如丰田的Prius、Alphard和 Estima,以及本田的Civic,INSIGHT等均采用PEVE的镍氢动力电池组。在我国,奇瑞A5、通用君悦等品牌轿车已经在示范运行,他们采用的也都是镍氢电池,不过电池主要向国外采购,国内镍氢电池在汽车上的运用仍处于研发匹配阶段。

  镍氢电池成本低、技术成熟、寿命长、耐用;能量密度低、体积大、电压低、有电池记忆效应。虽然性能优于铅酸电池,但是含有重金属,遗弃后对环境造成污染。

  磷酸铁锂电池,是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂离子电池使用的正极材料。作为充电电池,磷酸铁锂电池的容量高、输出电压高、良好的充放电循环性能、输出电压稳定、能大电流充放电、电化学稳定性能、使用中安全(不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸)、工作温度范围宽、无毒或少毒、对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错,特别在大放电率放电(5~10C放电)、放电电压平稳上、安全上(不燃烧、不爆炸)、寿命上(循环次数)、对环境无污染上,它是最好的,是目前最好的大电流输出动力电池。

  磷酸铁锂离子电池热稳定佳、安全、成本低、寿命长,能量密度低、怕低温。电池温度处于500-600℃时,其内部化学成分才开始分解,并且穿刺、短路、高温都不会燃烧或者爆炸,使用寿命也较长。但车辆续航里程一般,当温度低于-5℃时,充电效率低,不适合北方在冬天充电的需求。

  “锂电池”,是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池大致可分为两类:锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂,并且是可以充电的。锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。锂电池材料构成主要有:正极材料、负极材料、隔膜、电解液。

  在正极材料当中,最常用的材料有钴酸锂,锰酸锂,磷酸铁锂和三元材料(镍钴锰的聚合物)。正极材料占有较大比例(正负极材料的质量比为3: 1~4:1),因为正极材料的性能直接影响着锂离子电池的性能,其成本也直接决定电池成本高低。在负极材料当中,目前负极材料主要以天然石墨和人造石墨为主。正在探索的负极材料有氮化物、PAS、锡基氧化物、锡合金、纳米负极材料,以及其他的一些金属间化合物等。负极材料作为锂电池四大组成材料之一,在提高电池的容量以及循环性能方面起到了重要作用,处于锂电池产业中游的核心环节。

  市场化的隔膜材料主要是以聚乙烯(polyethylene,PE)、聚丙烯(polypropylene,PP)为主的聚烯烃(Polyolefin)类隔膜。锂电池的结构中,隔膜是关键的内层组件之一。隔膜的性能决定了电池的界面结构、内阻等,直接影响电池的容量、循环以及安全性能等特性,性能优异的隔膜对提高电池的综合性能具有重要的作用。三元锂离子电池能量密度高、循环寿命长、不惧低温;高温下稳定不足。能量密度可达最高,但高温性相对较差,关于续航里程有要求的纯电动汽车,其是主流方向,且适合北方天气,低温时电池更加稳定。

  燃料电池(Fuel Cell)是一种非燃烧过程的电化学能转换装置。将氢气(等燃料)和氧气的化学能连续不断地转换为电能。其工作原理是 H2 在阳极催化剂作用下被氧化成 H+和 e-,H+通过质子交换膜达到正极,与 O2 在阴极反应生成水,e-通过外电路达到阴极,连续不断的反应就产生了电流。燃料电池虽然带有“电池”二字,却不是传统意义上的储能设备,而是一种发电设备,这是燃料电池与传统电池最大的区别。

  燃料电池是理想的“内燃机替代者”。氢气是燃料电池主要燃料,从燃料安全性上看,氢气无毒无害,反应物为水,无毒无害,绿色清洁。氢气密度小,高压氢气泄漏燃烧时形成向上火炬,不向周围扩散。因此氢气安全性是高于天然气和石油等化石燃料。从性能上看,燃料电池能量转化效率为 50-70%,功率密度约 3 kW/L,柴油机功率密度约 1.3 kW/L,是理想的“内燃机替代者”。燃料电池的能量密度可达 500 Wh/kg,循环寿命 4000 次以上,性能优于锂电池。

  相关于传统的汽车行业来说,电动汽车是以电能为资源动力,把传统的汽车能源所用的动力进行了彻底的改变。传统汽车大多数用的都是化石燃料,但电动汽车重要能源是电能,这也是随着社会的发展进行的重大变革。电动汽车的核心是发展电动汽车的电池,电动电车的电池是现代行业的重要关键打破点。

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