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1、word电动汽车电池开展现状与前景摘要：随着世界能源短缺，全球环保意识的增强，电动汽车正在成为世界潮流。电动汽车目前开展最大的制约来源于其能量存储设备电池。本文介绍了目前电动汽车用电池的特点与开展现状，当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括燃料电池、化学蓄电池铅酸电池、镍金属电池、锂电池等、超级电容和太阳能电池，并对文中所述的四种电池的开展前景进展了分析总结。关键词：电动汽车电池；燃料电池；化学蓄电池；超级电容；太阳能电池电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车开展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量、能量密度、比功率、循环寿命和本钱等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争，关键就
2、是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。因为电动汽车与燃油汽车相比的三个主要制约因数：本钱高、续驶里程短和充电时间长,都与能量存储技术没有突破性进展直接相关。目前各国都在加紧研究各类先进的能量存储技术，开发各种高比能量、高比功率、长循环使用寿命、价格低廉的动力电池，此外，还要具有良好的工作环境温度、自放电性、使用安全性和无污染等。当前研究开发的电动汽车动力电池主要包括燃料电池、化学蓄电池先进铅酸电池、镍金属电池、锂电池等、超级电容和太阳能电池。下面分别将对各类电池的开展现状与前景进展介绍。1燃料电池燃料电池是一种使用燃料进展化学反响产生电能的装置，所用燃料包括纯氢气、甲醇、乙醇、天
3、然气以与现在运用最广泛的汽油。按电解质的种类不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池、质子交换膜燃料电池等。在燃料电池中，磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池可以冷起动和快起动，可以作为移动电源，满足特殊情况的使用要求，更加具有竞争力。最常见是以氢气为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格廉价，无化学危险，对环境无污染，发电后产生纯水和热，这是目前其它所有动力来源无法做到的。它以纯氢为燃料，以空气为氧化剂，不经历热机过程，不受热力循环限制，因此能量的转换效率高，是普通内燃机热效率的23倍。燃料电池以其高效、洁净、兼容可再生能源技术等特点，噪音低、启动迅
4、速、比功率大和输出功率可随时调整等特性，在未来交通、运输、通讯等领域展示了广阔的应用前景。将燃料电池作为汽车的动力，已被公认为是2l世纪的必然趋势。它是人们提出的后石油时代解决移动动力源的方案之一，是实现低碳减排目标的重要能源转换技术。与其他电动汽车如二次电池为动力的纯电动汽车与混合电动汽车比拟，燃料电池汽车具有续驶里程长、动力性能高等优点。但是燃料电池的寿命较短、本钱较高，另外氢源的获取也是个难题。电池汽车商业化必须解决这三大难题。初期的车用燃料电池技术仅限于满足汽车动力要求，基于商业化的预期，人们逐渐关注它的本钱、寿命等问题。美国联合技术公司与美国AC Transit 运输公司合作，在加州
5、奥克兰市成功地进展了燃料电池公交车示X运行。截止2010年6月底，其120 kW的燃料电池系统在没有更换任何部件条件下已经运行了7000h，远超过美国能源部制定的2015年的5000h 寿命目标。日本丰田公司十几年来也一直致力于燃料电池汽车的开发。在本钱控制方面，通过技术进步，贵金属Pt 的用量降低至原来的30% ；此外，开发了2010某某世博会示X运行的燃料电池汽车等，质子交换膜的本钱也有明显的下降，通过开展批量生产技术，使制造本钱也得到了大幅降低。近期其高层已在公开场合宣布，2015实现燃料电池汽车零售价格为5万美元/ 辆的目标。从全球来看，燃料电池汽车还处于实现商业化的推进阶段，需要解决
6、来自于寿命、本钱与氢源的三大挑战。由于美国UTC公司车用燃料电池运行7 000 h的标志性成果，使人们看到了燃料电池汽车商业化的曙光，寿命问题有希望在现有材料的根底上通过系统优化与控制策略的改良得以解决。材料的创新与改良是取得燃料电池长寿命的根本性变革，但需要相对长时间的努力。氢源是燃料电池应用相关的另一热点问题，近期重点研究化石能源廉价制氢技术或工业副产氢利用技术；远期需要开展可再生能源或核能制氢技术，使之与可持续开展的低碳经济接轨。氢燃料电池虽然已经有应用，但由于液氢的体积能量密度2.6 kW/L相对于汽油6 kW/L较低，需要更大的燃料缸，制氢的本钱偏高，电池膜等材料昂贵，因此氢燃料电池
7、的推广应用还需要时间。燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。 目前燃料电池研究与开发集中在4个方面：电解质膜、电极、燃料、系统结构。日美欧各厂家开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视前三个方面的材料研究与开发。第4方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前3个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池的开发研究以与商业化，是解决世界节能和环保的重要手段，受到了世界诸多国家的普遍重视。尽管目前固体氧化物燃料在应用中还存在一些问题，如电极材料、制
8、造本钱、操作温度过高等等问题，但瑕不掩瑜，加快固体氧化物燃料电池开展必然是世界能源开展的总趋势。2 .化学蓄电池纵观电动汽车的整个开展过程，出现过多种不同类型的汽车和电池，其中产生巨大影响并商业化使用直到现在的电动汽车电池主要有铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。下文将针对这3种重要的电动汽车电池的研究和应用情况进展介绍。2.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池以氧化铅为正极板，以海绵铅为负极板，硫酸水溶液作为电解液。充放电过程依靠极板上活性物质和电解液发生化学反响来实现。铅酸蓄电池是目前在汽车领域应用得最为广泛的电池，主要作为内燃机汽车内部各种电器和电子设备的电源。铅酸蓄电池在过去被广泛应用，具有成熟的技术
9、，可以大批量生产，生产本钱低，价格廉价。尽管新电池技术不断地产生，但铅酸蓄电池至今仍作为动力源应用于旅游观光车，电动叉车或者一些短距离行驶的公交车上。其中应用于电动汽车的新一代阀控式密封铅酸蓄电池不须维护，允许深度放电，可循环使用；然而它依旧有着铅酸蓄电池比能量和比功率低的致命弱点，根本原因是金属铅的密度大。它在轻度混合电动汽车中是有应用前景的，因其本钱低、技术成熟、性能可靠，但不适于重度混合汽车或纯电动汽车。2.2 镍氢电池镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成，相对铅酸电池，镍氢电池在能量体积密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。这项技术独特的优势包括
10、：更高的运行电压、比能量和比功率，较好的过度充放电耐受性和热性能。镍氢电池广泛应用受限的原因是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性的限制；此外，价格也是制约镍氢电池开展的主要因素，原材料如金属镍非常昂贵。基于镍氢电池的电动汽车电池技术已表现出局限性。镍氢电池虽比铅酸电池储存更多的能量，但过放电会造成永久性损伤，荷电状态必须被限制在一个较小的X围内，电池储存的大局部能量并没有被实际使用，另外，能否准确测量镍氢电池的荷电状态直接影响其使用寿命与充放电效率。对于镍氢电池的研究应该主要解决在实际应用中，在常温和低温的条件下，镍氢电池比功率严重下降的问题。镍氢电池存在的问题可以通过使用适宜的添加剂、导电
11、黏结剂和优化电池设计等方式予以解决，镍氢电池仍是近期和中期电动汽车使用的首选动力电池。2.3 锂离子电池锂离子电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属氧化物构成的阴极和电解液有机溶剂溶解的锂盐溶液。最常见的锂离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，以二氧化锰酸锂为阴极；轻巧结实，比能量大，单体电压约为3.7 V。锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染。锂离子电池可分为锂离子电池和锂聚合物电池2种。锂离子电池的阴极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，
12、阳极材料主要有石墨、钛酸锂等。要将锂离子电池大量应用于电动汽车仍然存在问题，主要是因为多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、循环寿命、本钱、工作温度和材料供给。目前，锂离子电池以小容量、低功率电池为主，大容量高功率的锂离子电池尚未大规模生产。此外针对电池组的电池管理系统中一些技术如均衡充电技术的不成熟也是锂离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一。锂离子电池技术的先进性和在新兴关键市场电动汽车领域的应用，已激发全球X围内的研发热潮，因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置。目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，它具有磷氧共价键结构，使氧原子不会被释放出来，
13、因而热稳定性和安全性较好，同时价格相对廉价。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。然而在锂离子电池中，磷酸锂电池的比能量、比功率以与运行电压相对较低，在大型纯电动汽车应用方面钴酸锂和锰酸锂电池等更具优势。图1 为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池锂离子电池和锂聚合物电池的比能量、比功率、安全性等根本性能。通过比拟可以发现，目前这几种电池技术仍然没有一种能够占据每个方面性能的优势地位。这说明目前在电动汽车应用领域出现这些不同种类电池共存情况的原因，也是各种电池技术在不同程度上存在的缺陷导致电动汽车的开展受到制约而未大规模产业化的原因。图1 电动汽车电池性能比拟由图1 可以看出
14、，在目前市场上的电池中，锂离子电池锂离子电池和锂聚合物电池除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。根据前述分析，以下是对电动汽车动力电池开展的展望：1、铅酸电池。铅酸电池虽廉价，并在叉车、观光车或者短途公共汽车上作为动力源应用，但新一代铅酸电池的比能量和循环次数仍存在严重的限制。未来使用铅酸电池来驱动在高速公路上行驶的电动汽车是不实际的，但价格优势使其在轻度混合或者短途行驶的电动汽车如观光车中仍占一席之地。2、镍氢电池。镍氢电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点；但由于需要大量使用镍和钴其本钱较高，镍钴的稀缺性会导致其大批生产和使用时价格反
15、而会上涨。目前，它仍然大量地应用于混合动力车，随着锂离子电池的大规模生产和本钱的降低，镍氢电池终将退出。镍氢电池是电动汽车过渡阶段使用的电池，但在近期和中期仍然是非常关键的动力电池之一。3、锂离子电池。目前市场上的电池中，锂离子电池锂离子电池和锂高聚合物电池的性能最好，同质量的锂离子电池其能量是铅酸电池的46 倍，是镍氢电池的23 倍。价格和大功率锂离子电池的安全性是它的最主要缺点。锂离子电池的主要原材料为锂，我国的锂矿资源丰富，已探明的锂总储量居世界第2；锂离子也存在于海水中，未来可利用太阳能从海水中提取。此外，锂离子电池具有循环使用的潜力，可解决对原材料的需求问题。最终锂离子电池的价格在大
16、规模商业化之后会下降。对于锂离子电池技术最大的挑战是继续扩大电池容量，同时保证安全性和循环次数不受影响，并降低本钱。此外，电动汽车电池的快速充放电能力对于它未来作为风电和太阳能等新能源发电的备用非常重要。3 太阳能电池3.1 概述将太阳能电池板安装在汽车上，太阳能电池板采集阳光，并产生电流。通过电流驱动电动机，最终驱动车辆行驶。太阳能电池驱动汽车有三种方式：直接驱动式、间接驱动式和混合驱动式。太阳能汽车主要由车身、太阳能电池板、电力系统、驱动系统、蓄电池、机械系统、底盘等局部组成。太阳能汽车的车身由于安装太阳能电池板的需要，其造型与普通汽车有较大的区别，其外表积也往往大于普通汽车的外表积。3.2特点 太阳光由于受到天气、季节、时间等不可抗因素影响，导致太阳能具有地域性、季节性和时域性等特点。同时太阳光的不稳定性、分散性
