刘烨;郑燕萍;孙伟明;朱静
【摘 要】With the growing emphasis on saving energy and protecting environment, electric cars become the focus that the govern-ment and the vehicle companies pay attention to. Battery technology is a key technology that should be solved in the development of electric vehicles. This paper compares the working principle and characteristics of several major power batteryies, introduces gra-phene batteries and air batteries developed in nearly two years and looks forward to the future development prospects of various bat-teries.%随着节能环保日益受到重视，电动汽车已经成为政府和汽车企业关注的热点，其中电池技术是电动汽车发展中需要解决的关键技术之一。比较了几种主要动力电池的工作原理和特性，介绍了近两年新出现的石墨烯电池和空气电池，并展望了各种电池未来的发展。 【期刊名称】《机械制造与自动化》
【年(卷),期】2016(000)004
【总页数】3页(P56-58)
【关键词】电动汽车;动力电池;石墨烯电池;空气电池;发展综述
【作 者】刘烨;郑燕萍;孙伟明;朱静
【作者单位】南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京210037;南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京210037;南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京210037;南京林业大学 汽车与交通工程学院，江苏 南京210037
【正文语种】中 文
【中图分类】U463.63+3
能源短缺、大气污染和气候变化等问题是全球汽车产业共同面临的巨大挑战，交通能源转型势在必行。在实现能源转型、制定车用能源可持续发展战略的过程中，我国与世界主要发达国家都毫无例外地选择电动汽车作为本国汽车行业发展的主要方向之一。电动汽车采用电能取代石油等化工燃料作为动力，是未来交通的长远解决方案[1]。对于电动汽车而言，
其动力电池的主要性能指标有比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。为了保证电动汽车具有竞争力,就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池[2]。目前的动力电池主要有蓄电池和燃料电池，在蓄电池的选择上，有铅酸电池、镍基电池、锂离子电池、空气电池和钠电池等。本文将针对铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和空气电池这4种电动汽车电池进行介绍。 第1代电动汽车EV1由美国通用汽车公司在1996年制造，采用的是铅酸电池技术。通用汽车公司1999年研发第2代的电动汽车以镍氢电池为动力源，一次充电的行驶里程是前者的1.5倍，同样因无竞争力而退出市场。同期，日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合的第3代电动汽车，即混合动力车。2006年锂离子电池技术的迅速发展，特别是在安全性方面的大幅提高，使之逐步被应用于纯电动汽车和混合动力汽车，成为镍氢电池强劲的竞争者[3]。2014 年 12 月初，西班牙研发出石墨烯电池，也叫做“超级电池”，引起整个电池行业的关注。2015年，剑桥大学攻克了锂空气电池开发中的技术难关，使这项技术向前迈出了重要一步，预示着研究领域全新的发展。
2.1铅酸电池
ome 103
铅酸蓄电池(RLAB)的正极材料为PbO2，负极材料为Pb，电解液为稀硫酸溶液。其反应机理是：
经络油正极：PbSO4+2H2O→PbO2+3H++HSO4-+2e-；
负极：H++PbSO4+2e一→Pb+HSO4-；
总反应：2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H++2HSO4-[4]
铅酸电池因价格便宜，材料来源丰富，比功率较高，技术和制造工艺成熟等综合因素被广泛运用在动力电池上。但铅酸电池也存在一些不足，主要有以下几点：1) 比能量低，所占的质量和体积太大，一次充电行驶里程较短；2)使用寿命短，经常更换导致长期使用成本高；3)由于铅是重金属铅酸电池还存在污染问题[5]。所以，铅酸电池作为动力电池，其未来研究重点是解决比能量低以及高倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。
2.2 镍氢电池
镍氢电池以金属氢化物为负极活性材料，以Ni(OH)2为正极活性材料，以氢氧化钾水溶液为电解液。镍氢电池在充放电过程中的电化学反应如下：
正极：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-；
负极：M+xH2O+xe-→MHx+xOH-；
总反应：M+xNi(OH)2→MHx+xNiOOH[4]90。
相比铅酸电池，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。镍氢电池独特的优势包括：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[3]2。但镍系电池有记忆效应，且电池单体的电压较低，不易组成大容量电池组，为了达到一定的功率和电压等级需要大量的串联电池，随之带来的一致性问题会限制其应用[6]。并且，镍氢电池价格高，均匀性较差，特别是在高速率、深放电情况下，电池之间的容量和电压差较大，自放电率较高，性能水平和现实要求还有差距等问题，这些都影响镍氢电池在电动汽车上的广泛使用[7]。
2.3 锂离子电池
目前锂离子电池中已经投产的有液体锂离子电池(LiB)和聚合物锂离子电池(PLiB)2种。锂离子电池的正极材料有LiCoO2、LiNi02、LiMn02、LiFePO4等化合物，负极材料一般采用能
嵌入锂的石油焦碳、纯石墨和层状混合碳等材料 [4]75。以LiFePO4为例，锂离子电池的充放电的化学反应式为:
充电：LiFePO4→Lil-xFePO4+xLi++xe-；6C+xLi++xe-→LixC6；冷库蒸发器
放电：Li1-xFePO4+x Li++xe-→LiFePO4；LixC6→6C+xLi++xe- 。
锂离子电池在能量密度和充放电性能等方面均优于其他类型的电池，其工作电压高(3.6V～3.9V)、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长[6]，因此它几乎占据了动力电池整个市场的半壁江山。但锂离子电池技术已经沉寂了 20 年没有大的技术革新，最大的障碍在于锂离子电池功率密度有限，其大量能量无法快速接收或释放[8]，并且在安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应等方面也存在缺点[3]4。而磷酸铁锂电池由于热稳定性好、循环寿命较长和安全性好等优势，如今已经成为下一代动力电池最有力的竞争者。并且我国有丰富的锂矿，铁的价格也十分便宜，这就大大降低了磷酸铁锂电池的成本，使其在动力电池的选择上占有优势。
为了解决锂离子电池的缺点带来的问题，锂离子电池也尝试了多种正极材料的改进，比如
石墨烯。2004年,安德烈·海姆博士和康斯坦丁·诺沃肖洛夫博士2人共同发现石墨烯这种物质，它很薄,是超导体,透明度高,非常坚硬[9]，重要的是它的结构可以改变锂电池技术长期没有突破的障碍。2014 年 12 月，西班牙Graphenano 公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发出石墨烯电池[8]。这种电池的优势在于：储电量高，使用寿命长,供电持续时间长，充电速度快，质量轻，成本低。这些优势使研究者们对石墨烯产生了极大的兴趣。
目前石墨烯的研究总体上分2块：一是在传统锂电池上进行应用，着重的是改进、提升锂电池的性能，这类电池不会产生颠覆性的改变；二是依据石墨烯制造一个新体系的电池，这是一个崭新的系列，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。
2.4 空气电池
1) 锌空气电池
锌空气电池主要由空气电极、锌电极、电解液和隔膜组成，以空气中的氧气作为正极活性物质，金属锌作为负极活性物质，使用碱性电解液[8]1303。放电时电化学反应如下：
阳极：Zn+2OH-=ZnO+H2O+2e-；
阴极：0.5O2+H2O+2eˉ=2OHˉ；
车模门
陶瓷展架总反应：2Zn+O2=2ZnO。
锌空气电池原材料价廉、质量比能量较高、工作电压平稳、电池的生产过程对环境没有明显的影响[9]、无污染、不燃爆、可循环利用等优势，但是也存在诸多问题制约着它的发展，如：使用寿命不高，空气电极在催化剂选择上要兼顾效用和成本两方面的因素，锌电极的更换再生过程比较繁琐等。总的来说， 锌空气电池作为一种清洁能源，虽然有以上问题需要解决，但仍非常适宜用作电动汽车的动力电源，具有很大的开发潜能。
2) 锂空气电池
锂空气电池采用了电负性极低且最轻的金属锂负极与空气中氧为正极的组合设计,质量和电压优势最为突出[10]。它的化学反应原理十分简单，其放电时化学反应如下:
阳极:Li→Li++e-；
阴极:O2+2H2O+4e-→4OH-；
线切
总反应：4Li+O2+2H20→4LiOH。
和目前的可充电电池中盛行的锂离子技术相比，锂空气电池理论上有能量密度可能要高10倍的巨大优势，以至于全球的研究人员都在开展锂空气电池的研究。而锂空气电池至今都未普及的原因在于它存在致命缺陷，即固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。目前，适合长寿命高功率锂空气电池使用的电解质系统设计和高效空气电极的开发，是发展锂空气电池的两大重要课题[11]。
2015年11月，化学教授克莱尔格雷和她的团队攻克了锂空气电池开发中的技术难关，尤其是化学上的不稳定问题。研究人员使用了氢氧化锂而不是过氧化锂作为锂空气电池的制造原料，锂空气电池选用石墨烯制作电极，使得锂空气电池更稳定、更高效，可以充电2 000次以上，能源效率达到了93%左右。这种电池可大大拓展电动汽车的续航里程，并大幅改观电力存储的经济效益。不过，锂空气电池仍处于进一步研究阶段，目前锂空气电池的充电、放电水平依旧非常低，距锂空气电池技术成形、大规模实用阶段可能需要10年以上时间。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议