電動車電池的開發(fā)現(xiàn)狀及展望

　　0 前言

　　據(jù)近期“世界電動車”報導(dǎo)， 預(yù)測到2007 年，全世界電動車年銷量可達(dá)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(shù)上已取得很大成就。預(yù)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(guān)注，尤其是在中心城市。美、歐等發(fā)達(dá)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(hù)問題， 把環(huán)境保護(hù)作為實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)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(jī)動車尾氣排放對大氣污染物中CO、HC、NOx 的分擔(dān)率分別為63. 4 % ，73. 5 %和46 % ， 非采暖期這一分擔(dān)率更高， 分別為80. 3 % ，79. 1 %和54. 8 %.上海市更為嚴(yán)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(wù)院有關(guān)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?xì)馄嚨耐茝V應(yīng)用和國家電動汽車重大科技產(chǎn)業(yè)化工程項(xiàng)目的實(shí)施。

　　表1 電動汽車銷售量預(yù)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(jī)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(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)， 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(yīng)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(jìn)入市場。本文將重點(diǎn)討論鉛蓄電池、MH2Ni 、鋰離子及鈉氯化鎳蓄電池的進(jìn)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(jìn)展

　　1. 1 鉛蓄電池

　　鉛蓄電池是目前唯一能大量生產(chǎn)供應(yīng)的電動車電池。從表2 可以看出，它的優(yōu)點(diǎn)是價格低，缺點(diǎn)是比能量低，一次充電行駛里程短（約100km） 。一項(xiàng)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(dāng)提高，使一次充電行程達(dá)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(yùn)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(jìn)鉛蓄電池聯(lián)合體（ALABC） ”制定了先進(jìn)鉛蓄電池的研制目標(biāo)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(xiàng)指標(biāo)中， 價格及比功率已為一般鉛蓄電池所具備， 因而改進(jìn)的主要力量集中在比能量，循環(huán)壽命及快充性能3 項(xiàng)指標(biāo)。

　?。?） 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(qiáng)板柵耐腐性及抗蠕變強(qiáng)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(qiáng)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(jié)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(yàn)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(jìn)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(jìn)負(fù)極膨脹劑以避免延長充放循環(huán)壽命后，負(fù)極活性物質(zhì)海綿狀鉛的硬化。

　　（3） 快速充電由于近期快速充電技術(shù)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(shí)驗(yàn)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(kuò)展應(yīng)用到整個電池組， 并且在車載情況下進(jìn)行試驗(yàn)。1998 年公布的ALABC 的報告表明，通過研究改進(jìn)， 閥控式鉛酸蓄電池的比能量有望提高到改進(jìn)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(guān)方面的研究改進(jìn)工作。假如上述研究改進(jìn)目標(biāo)能在鉛蓄電池的生產(chǎn)中實(shí)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(jì)劃期間， 國家科委和國家計(jì)委就把電動車用鉛蓄電池的研究和開發(fā)列為重點(diǎn)項(xiàng)目予以支持。許多從事電動車設(shè)計(jì)和研制的單位認(rèn)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(yīng)的優(yōu)勢， 被列入近期電動車產(chǎn)業(yè)化工程項(xiàng)目計(jì)劃中還是可行的。

　　表3 列出我國電動車用密封鉛蓄電池的近期研究發(fā)展目標(biāo)， 其中第一階段強(qiáng)調(diào)電池總體性能的提高， 第二階段把重點(diǎn)放在電池循環(huán)壽命及電池性能的均勻一致性的改進(jìn)上。

　　表3 我國電動車用密封鉛酸電池研制目標(biāo)

　　1991~1995 期間， 保定金風(fēng)帆蓄電池有限公司、輕工業(yè)化學(xué)電源研究所等單位參與電動車用密封鉛蓄電池的研制工作。其中風(fēng)帆電池廠采用正負(fù)極涂膏平板電極， 輕工業(yè)化學(xué)電源研究所則正極采用其具有專利權(quán)的橢圓形管式極板， 負(fù)極仍為涂膏平板電極。試制結(jié)果表明， 我國的電動車用鉛蓄電池除循環(huán)壽命外其余各項(xiàng)均能達(dá)到第一階段研制目標(biāo)。

　　目前風(fēng)帆公司及鎮(zhèn)江蓄電池廠的密封鉛蓄電池已在我國改裝車上試用， 其中在面包車上采用20只12V·150A·h 電池， 最高車速80km/ h ， 充電一次行駛100km; 小轎車使用10 只12V ·150A·h 電池組，車速可達(dá)80km/ h ，充電一次行駛100km.存在的最大問題是均勻性差， 個別電池累計(jì)行車?yán)锍滩蛔? 000km就需更換。