動力電池技術研究

隨著新能源技術的日益發展和國家對環境的逐漸重視，電動汽車、機器人、混合動力車等行業對動力電池的需求越來越高。電池技術也是需要發展的關鍵技術之一。本文對動力電池是怎麼工作、如何高效工作、未來發展方向以及應用領域等進行介紹，並對主流鋰電池進行重點介紹。

動力電池即為工具提供動力來源的電源，一般我們將蓄電池稱為動力電池。蓄電池是實現化學能和電能之間轉換的可逆低壓直流電源，1859年由法國科學家加斯頓·普蘭特發明（如圖1所示）。

圖1 動力電池發展歷史

根據電池製作原理、種類、優缺點、價格等的不同，可以將動力電池分為鉛酸蓄電池、鎳氫電池、燃料電池、鋰電池等幾種，各種電池種類、優缺點、價格等相關信息詳見表1。

表1 電池種類、優缺點、價格等相關信息

一、鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是世界上產量最大的、應用最廣的電池產品，多用於電動自行車和傳統動力汽車啟動電源。

下面以鉛酸蓄電池為例，介紹蓄電池的結構（如圖2所示）、工作原理和工作特性。

圖２　　鉛酸蓄電池的結構

鉛酸蓄電池發明時間悠久，是使用時間最長的電池，鉛酸蓄電池採用的原材料來源廣泛，設計方案成熟，安全防護技術到位，應用範圍廣，尤其在大功率方面性能更突出，維護方便同時回收再使用技術日趨完善。但是由於自身重，造成攜帶不方便，採用的原材料不是新型原材料，能量集成低，反覆充電次數不高，同時在過度充電和放電後會造成電池的性能變差。如果一個電動汽車上使用鉛酸電池，那麼300多次循環使用後就需要更換電池。目前，比較有名的鉛酸動力電池供應商有GNB公司、Hawker公司、Exide公司、DeIphi公司、松下公司、Electrosounce公司等。

1. 鉛酸蓄電池的工作原理

電化學反應：充電和放電反應：將蓄電池2端加上電壓源，因為2端存在電勢差，所以電子從電壓源跑出來到蓄電池的正極板，形成充電過程，當電壓源撤去後，蓄電池繼續保留電能。一旦蓄電池與外電路的負荷接通，蓄電池2端的形成一個迴路，電子發生流動，電流從蓄電池的負極板通過外電路的負荷流向電池的正極板，使得正極板的電位降低，實現了電能到動能等其他能的轉化。

放電過程：H2SO4 ↓，H2O↑，電解液的密度ρ↓；（充電時ρ↑。可通過電解液的密度ρ測量來判斷蓄電池的放電程度。）

理論上極板上PbO2和Pb全部變成PbSO4為止，放電結束，實際上電解液不能滲透到極板活性物質最內層，即使蓄電池無電提供，極板上的活性物質只能一部分變成硫酸鉛。所以極板要儘可能薄，面積大。

充電過程：充電過程與放電過程相反

2. 鉛酸蓄電池的工作特性

鉛酸蓄電池的工作特性主要包括靜止電動勢Ej、內阻Rn、容量Q和充放電特性等。靜止電動勢Ej：在靜止狀態下（是指不充電不放電的情況），蓄電池正、負極板的電位差（即開路電壓）。

內阻Rn：包括極板、隔板、電解液、鉛質聯條、極樁等電阻。

容量Q：指在放電容許的範圍內蓄電池輸出的電量（I·t）。電池容量一般以Ah(安培小時)計算，1Ah=3600C，電池容量C的計算式為C=∫t0It1dt （在t0到t1時間內對電流I積分）/容量C=放電電流（恆流）I×放電時間（小時)T；另一種是以瓦(W)計算。

T（溫度）↓→Rn↑ 溫度降低後，電解液的粘度增加，內阻增大，導致蓄電池容量降低。

充電特性：是指在恆流充電過程中，電池的端電壓Uc、電動勢E和電解液相對密度γ15℃隨時間變化的規律。

充電特性公式：Uc=E+Ic×Rn

充電的5個階段（如圖3所示）: 初期:1.95～2.1V； 2.1～2.4V:不穩定上升；2.4～2.7V:沸騰；2.7V:充電終了； 2.7V後:切斷電源，Uc→Ej。(當電壓到2.3～2.4V時， PbSO4幾乎反應PbO2為和Pb，繼續充電，2H2O→2H2+O2產生氣泡，沸騰。)

圖3蓄電池充電特性

判斷蓄電池充足的準則:①充電電壓Uc、電解液密度γ15℃達到max，且2h不再增加；②蓄電池激烈放出大星氣泡，電解液沸騰。

放電特性:是指在恆流放電過程中，電池的端電壓Uf、電動勢E和電解液相對密度γ15℃隨時間變化的規律。放電特性公式：Uf=E-Ic×Rn

放電的3的階段（如圖4所示）：開始放電：2.11～2.0V；持續放電：2.0～1.85V，穩定；迅速下降：1.85～1.75V。

圖4　蓄電池放電特性

判斷放電終止的2個現象:電解液相對密度降低到最小許可值（約1.11）；單格電池的端電壓降至放電終止電壓值1.75V。

二、鎳氫電池

鎳氫電池（Ni-MH）屬於鹼性電池，且不存在重金屬汙染問題，稱為“綠色”電池，是目前電池體系中應用相對廣泛的電池，各大混合動力汽車因為鎳氫電池能量密度．功率密度均高於鉛酸電池，循環使用壽命超過1 000次，最主要的是該電池因為製作過程中沒有包含重金屬，所以被稱為“綠色”電池。該電池能夠實現快速充電、放電，一次充電過程徹底，用戶均認為耐用性很高，所以現在很多的混合汽車系統都採用該電池，使得該電池的商業化、規模化得到大大的提高。

現在比較熱門的混合動力汽車比如：豐田汽車公司的Prius，以及本田汽車公司的Civic，Insight等，他們的電池系統主要採用該國的PEVE和 Sanyo，相對來說，我國電池技術的發展沒有國外的好，很多的汽車廠商還在對混合動力汽車進行研發，雖然研發的汽車都採用鎳氫動力電池，但是因為該電池存在製造成本高，價格是鉛酸電池的數倍，對熱環境耐受能力低，散熱能力要求高，所以國內的電池技術不太成熟，使得國內汽車廠商，比如：奇瑞汽車公司、上海通用汽車公司面對該組件時都是採購國外的。

三、燃料電池

燃料電池也是一種綠色的能源技術，它採用的方法是直接將化學能轉化為電能，從外觀上看，它的工作原理類似於蓄電池，但是實際工作原理與蓄電池有本質的區別。利用電解質和電極之間的氧化反應來實現“發電”功能，而不是蓄電池的“儲電”功能。

燃料電池具有高效率；不受卡若效率限制、低排放；不排放汙染汽車和固體粉塵、高能量密度等優點。按電解質的種類不同燃料電池分為：酸性、鹼性、熔融鹽類或固體電解質。目前，在動力電池領域，質子交換膜燃料電池（PEMFC）正在向商業化邁進。新能源車方面通用汽車公司、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司、豐田汽車公司、本田汽車公司、奔馳汽車公司等大公司都已經開發出燃料電池車型並已經在公路上運行，普遍狀況良好，其中豐田的氫燃料電池技術較為領先。國內主流車廠也在發展氫燃料電池電動汽車。質子交換膜燃料電池生產商主要有美國Plug power公司、通用電氣公司、加拿大巴拉德動力公司；國內有中科院大連化物所、新源動力公司、上海神力公司、佛山雲浮公司等。

四、鋰電池

相比較與鎳氫電池（Ni-MH），鋰離子電池是負極以碳素材料為主，也是一種“綠色”電池。正極以含鋰的化合物的二次電池。相同容量的電池來說，一個鋰離子電池工作時候的電壓、能量相當於3個鎳氫電池。在製作過程中，因為負極採用石油焦碳、純石墨和層狀混合碳等材料，正極採用氧化鈷鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、亞錳酸鋰（LiMnO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4） 等化合物，所以與同容量的鎳氫電池相比，它的體積更小，質量更輕，使用循環壽命更長，充電、放電速度更高。因為鋰電池存在諸多的優點，所以很多汽車製造商都在積極將鋰電池投入到混合汽車研發中，如日本豐田汽車公司、比亞迪汽車公司、韓國現代汽車公司、奇瑞汽車公司、法國Courreges公司、吉利汽車公司、美國福特汽車公司等。該電池與鎳氫電池（Ni-MH）相比，製作成本更高，價格更貴，需要繼續進行研發，希望能夠採用新材料使得鋰電池的價格有所下降，而得到長遠的發展。

幾種可充電電池做比較，因為鋰電池容積比最高，即容量一樣的情況下，體積最小；體積一樣情況下，容量最大，同時鋰電池的功率大。更多的汽車製造商願意在有限的車內空間中，提供更優質的供能系統，所以相比起來，鋰離子電池目前是他們最好的選擇，國內外很多汽車製造商和電池製造商都在該技術的研發上投入了巨大的人力、財力、物力，想在該技術的發展上掌握先進的理論和方法。

1. 鋰電池的優點

汽車不同於電動車，它要求電池續航次數多，使用時間長，鉛酸電池循環300次即需要更換，電池的耐受能力低，而鋰電池循環壽命能夠達到2 000次以上。同時充電5h使用來說，鉛酸電池更換6次，而鋰電池只需要更換1次。用戶一般1年半更換一次電動車電池，如果這種情況放在汽車上，用戶是接受不了的。採用鋰電池只需要7～8年更換一次，綜合起來考慮，最後還是鋰電池的性價比最高，不僅節省人們換電池的時間，而且使得系統穩定性增強。

與其他的可充電電池相比，鋰電池的安全性更高，因為一些電池在強烈的碰撞和高溫下，會發生爆炸，不僅使消費者錢財遭到損失，而且對他們的安全造成了很大的威脅，而鋰電池因為製作材料以及安全性設計，即使發生嚴重碰撞或者在高溫（350～500℃）下，也不會發生爆炸，深受消費者青睞。

混合動力汽車與一般汽車相比，就是因為電池充電耗時長，充一次電跑的距離短，而汽油汽車加油快，跑的遠。與同容量的鉛酸電池相比，鋰電池還有一個優點，就是充、放電非常快速，如果採用專用充電器，一般40min就能夠把電池充滿電，更節省消費者的時間，能夠達到“充電40min，跑到500km”的功能。大容量，能量密度高。容量是同能質量鉛酸電池的3～4倍。可充電電池經常存在放電不完整的問題，比如：鎳氫、鎳鎘電池，每次充電完畢後，放電時候總是留一點電在電池裡，對之前的充電過程形成記憶。而每次鋰電池充電放電，不存在放電不完整的情況，每次充電和放電都是完整的，使得電池容量利用率比較高。

“綠色”電池，因為製作原理、材料的不同，鋰電池內不包含有毒有害物質，是一款“綠色”電池，能夠實現生產以及使用過程中全程“綠色”。

2.鋰電池的分類和結構

鋰離子電池殼體有液體鋁殼、鋼殼、軟包裝等，它的電解質分為膠體和固體聚合物2種。

鋰離子電池由正負極、隔膜和電解液4部分組成（如圖5所示）。

圖5 鋰離子電池結構圖

產品製作過程使用的材料一般會決定產品的價格和性能等參數，如何在提高減低鋰離子電池性能的同時，能夠減低它的價格，成為了研發的重難點，這個過程中最重要、最耗費的部分即正極部分，研究製作出來正極材料，是目前鋰離子電池發展的關鍵。

目前鋰離子電池主要選取鋰鈷、鋰鎳、鋰錳等氧化物和磷酸鐵鋰作為正極材料，選取石墨、鈦酸鋰等作為負極材料。

負極材料一般選用碳材料，目前的發展比較成熟。只要能夠達到使得鋰電子吸附好，脫離比較容易，能夠使得充放電速度快，同時脫離的比較乾淨，使得容量與標稱值一致，還需要與中間的電解液有很好的相容性。基於上述的考慮，一般採用焦炭和石墨作為鋰電池的負極材料，該應用已經被證實效果很好。

電子在電池正負極之間的移動主要依靠電解液，鋰離子電池的高電壓和高性能主要通過電解液來實現，它一般有電解質、鋰鹽有機物和添加劑3部分組成。

電池的內阻力大小，界面結構的成型化等問題是由隔膜來決定，他能夠對電池的容量大小，循環次數等起到決定性作用，所以隔膜的選擇對電池的綜合性能至關重要。

3.鋰電池的工作原理

根據圖6能夠非常清楚的看出鋰電池的工作原理。鋰電池一共分為4部分：鋰金屬化合物構成的正極，石墨構成的負極，以及中間的電解質和隔膜。工作分為充電和放電2個過程，整個工作過程就是採用化學原理與電能的結合。充電過程是鋰金屬化合物在電能作用下將鋰電子分離出來，鋰電子游過電解質和隔膜，吸附在石墨微孔上，造成了負極電荷量增大，為了解決這個問題，外電路中的電子跑過來補充電荷。放電過程是石墨中吸附的鋰電子被電離出來，鋰電子游過電解質和隔膜，與正極的金屬化合物經過化學反應合成鋰金屬化合物。以石墨/磷酸鐵鋰電池為例，充放電化學反應式如下：

正極反應式：LiFePO4≒xLi+＋Li1-xFePO4＋xe- （電子）

負極反應式：6C＋xLi+＋xe-≒LixC6

總的反應式：LiFePO4＋6C≒li1-xFePO4＋LixC6

其中，從左向右的過程為充電，而從右向左的過程為放電。

圖6 鋰電池工作原理圖

4. 磷酸鐵鋰的優缺點

通常我們說得最多的動力鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池（三元鎳鈷錳），他們的性能對比如表2所示。

表2　主要的動力鋰電池及性能

磷酸鐵鋰電池主要應用於客車，三元電池在乘用車、專用車領域滲透率高（見圖7）。目前磷酸鐵鋰電池、三元電池是主要的動力電池（見表3）。因為磷酸鐵鋰作為電池一部分存在穩定性高，即內部晶體結構不發生變化；整個製作和使用過程中環保無毒無害；採用磷酸源和鋰源以及鐵源為原材料，價格便宜；耐高溫高壓，穩定性好，使得安全係數高等優點，越來越多的電池供應商採用磷酸鐵鋰作為動力電池中的正極材料。很多的汽車製造商基於價格和安全性的考慮，也會在選擇電池參數的時候選擇該材料（見圖8、9）。

圖7 2015年動力電池按材料體系產量分佈

表3 2015 年中國車企和電池企業配套情況

圖8 2015 年電池廠商市場份額

圖9 2016 年上半年電池廠商市場份額

磷酸鐵鋰有很多優點，但是並沒有立刻投入到大規模的使用中去，原因在於製作過程中，需要控制導電碳材料、金屬微粒中的磷酸鐵鋰顆粒比率，實現良好的導電性，這個問題難點在於比率隨著時間、容量等不停發生變化，使得大規模的製作出現問題。第2個問題是隻能達到1.3～1.5V的振實密度使得該產品難以小型化。第3個問題是工作電壓低，一般為3.2V。

五、三元鋰電池發展前景

三元電池能量密度高，綜合性能較好，在乘用車和專用車中的滲透率已接近50%。

三元電池性能提升空間大，有望成未來主流。對於現有三元鋰電池體系的改進可以達到2020 年動力電池模塊能量密度300Wh/kg 的目標。隨著未來乘用車成為新能源車的主要增長動力，三元電池有望逐步取代磷酸鐵鋰電池成為未來主流。

六、結語

當下，動力電池技術的發展取得了不少的進步。在環境汙染日益加劇的今天，需要研製出來“綠色”電池，不僅對大眾生活環境好，同時能夠帶動整個電池行業的發展。目前新型的“綠色”電池研製已經有很大的發展，比如，動力汽車、即新能源汽車的發展，新型的動力電池作為其關鍵部件，不僅帶動了新能源汽車的發展，也必定會對電池行業的發展帶來春天。

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