电动汽车动力电池技术现状分析_崔征

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几个城市中正在进行示范项目。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技 术性挑战，如燃料电池组的一体化，提高商业化电动汽车燃料处理器和 辅助部件汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力， 并已取得了显著的进步。在我国，国家科技部将研发燃料电池客车和 燃料电池轿车列为“十五”和“十一五”计划“863”重大科技项目，已取得 一系列重大科技成果，但是在多年科研实践中，也暴露出一些技术、经 济问题。
增加的附录 1，对初中物理实验教学提出了最低要求。学生必做实
验 20 个。实验类型主要是两类：其中基本测量类实验 10 个，探究性实 验 9 个，练习性实验 1 个。知识点涉及到：力热、电磁、光。
附录 2：是在原实验稿附录基础上的修改，即“《标准》中部分行为动 词界定”，改为“行为动词说明”，而其内容也简化了，只包含三部分，即 类型、水平和行为动词举例，而在实验稿中还有“各水平的含义”条目， 见表 4、表 5。
附录 3：附录 3 是新增加的 3 个科学探究实例。两个探究实例（什么 情况下磁可以生电、探究凸透镜成像的规律）是课堂内的探究，呈现出 的是部分探究的环节；一个探究实例（比较材料的保温性能）是课外的 探究，也是完整的科学探究过程。3 个例子回答了老师们在实际教学中 怎样进行探究式教学，即依课程内容和教学实际进行部分探究或完全 科学探究实例。
0.引言 动力电池作为电动汽车的能量来源，堪称电动汽车的心脏，也是影 响电动汽车发展的关键因素和核心技术。动力电池可以分为蓄电池和 燃料电池两大类。其中，蓄电池用于纯电动汽车（Electric Vehicle，EV）、 混合动力电动汽车（Hybrid Electric Vehicle，HEV）及可外接充电式混合 动力电动汽车（Plug-in Hybrid Electric Vehicle，PHEV），而燃料电池专 用于燃料电池电动汽车。 1.蓄电池与燃料电池 1.1 蓄电池 蓄电池在纯电动汽车中是驱动系统唯一动力源。目前，主要有镍 镉、镍氢、钠硫和锂离子电池等。 （1）镍镉(Ni-Cd)电池优点是比功率大，比能量高，可快速充电，使用 寿命长，抗电流冲击能力强，工作温度范围宽(-40℃～85℃)，在较大的 放电电流范围内电压变化较小等，成为电动汽车很具吸引力的电源。 但缺点是生产成本高，约为铅酸电池的 2～4 倍，单体额定电压只有 1.2V，重金属镉具有致癌性等。 （2）镍氢(Ni-MH)电池与 Ni-Cd 电池有许多相同的特性，但由于无 镉，因此不存在重金属污染问题，被称为“绿色电池”，但是主要问题是 生产成本较高，批量生产的成本约为铅酸电池的 4 倍，且电池单体额定 电压只有 1.2V。 （3）钠硫(Na-S)电池有很高的比功率和比能量，但其工作温度高， 再加上钠的活化性和腐蚀性，因此在结构设计上必须保证坚固和安全。 （4）锂离子(Li-ion)电池具有单体额定电压高、比能量和能量密度高 以及使用寿命长等优点，其单位重量储能为铅酸电池的 3 倍，锂聚合物 电池为铅酸电池 4 倍。但是缺点是由于含有的锂离子活跃在金属层表 面，在空气中容易出现自燃、爆炸等情况，危险性更高。虽然目前锂离 子电池仍处于开发阶段，但在诸如 Nissan FEV、Nissan Prairic Joy 和 Nissan Altra 等电动汽车上都采用锂离子电池。此外，锂资源较为丰富，价 格也不很贵，可以说锂离子电池是蓄电池中目前最被市场看好的动力 电池。 1.2 燃料电池 燃料电池是燃料与氧化剂通过电极反应将其化学能直接转化为电 能的装置。燃料电池不需要充电，只要外部不断地供给燃料和氧化剂， 就能连续稳定地发电。电动汽车用燃料电池的燃料为氢和甲醇，氧化 剂为空气中的氧气。燃料电池具有比能量高、使用寿命长、维护工作量 少以及能连续大功率供电等优点。另外，燃料电池电动汽车可达到与 燃油汽车相同的续驶里程。 根据电解质的不同，燃料电池可分为碱性燃料电池、磷酸燃料电 池、质子交换膜燃料电池、溶融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池 五类。质子交换膜燃料电池在电动汽车中的应用较多，其主要优点为： 能量转换率高，可达 60～70％；排放生成物是水及水蒸汽，没有任何污 染；工作时无机械振动、低噪声、低热辐射；燃料的主要来源氢，是未来 电动汽车动力电池领域极具竞争力的电池类型。 1.3 蓄电池与燃料电池特点对比 （1）蓄电池使用过程中有充放电循环，而燃料电池无充放电循环。 （2）蓄电池是二次电池，而燃料电池是一次电池。 （3）蓄电池无持续供给燃料，并在电池内有可逆反应发生，而燃料 电池中的反应物为持续供给。 （4）蓄电池的电解质一般为酸、碱、盐的水溶液或其他介质溶液，燃 料电池的电解质则可以为固体或熔盐等，如固体氧化物燃料电池的电 解质可以为固体氧化物。 （5）蓄电池使用温度一般为室温，而不同种类的燃料电池可在许多 特定的温度下运行（取决于电解质的工作温度）。 2.锂离子电池技术及市场 2.1 锂离子电池发展现状
目前和未来看好的动力电池路线有三条：改性锰酸锂、三元材料和 磷酸铁锂。
改性锰酸锂电池是目前较为成熟的动力电池，为主流的电动车厂 商采用。
表 1 各种锂离子电池正极材料性能对比
表 2 目前主流的 PHEV/EV 所采用锂动力电池情况
最受松下等日韩系电池大厂重视的是三元正极材料，合成容易、结 构稳定且安全性较好，但需含较高比重的昂贵钴元素，成本较高。
（1）燃料电池发动机的耐久性寿命短 一般仅 1000～1200 小时（国外达 2200 小时），燃料电池汽车行驶 4～5 万 km，功率即下降 40％，和传统内燃机可普遍行驶 50 万 km 以上 相比，差距很大。 （2）燃料电池发动机的制造成本居高不下 一般估计 3 万元/kW（国外成本约 3000 美元/kW），与传统内燃机仅 200～350 元/kW 相比，差距巨大。由于其中如质子交换膜、炭纸、铂金 属催化剂、高纯度石墨粉、氢回收泵、增压空气泵等关键部件均依靠进 口，所以与国外相比，并没有成本优势。 （3）燃料电池发动机对工作环境的适应性很差 国产可在 0～40℃气温下工作，低于 0℃有结冰问题，高于 40℃过 热不能正常工作；此外对空气中的粉尘、一氧化碳、硫化物等都十分敏 感，铂催化剂极易污染中毒失效。 （4）燃料电池汽车的使用成本过于高昂 高 纯 度 (99.999% ) 高 压 氢 售 价 约 80～100 元/kg。 按 1kg 氢 可 发 10kW·h 电能计算，仅燃料费即约为 10 元/kW·h，按燃料电池发动机工 作寿命 1000 小时计算，折旧费为 30 元/kW·h。所以总的动力成本达 40 元/kW·h。至少在目前，由燃料电池发动机提供 1kW·h 电能的成本远 高于各种动力电池，这从一个侧面反映了作为汽车动力源，燃料电池汽 车还有相当的距离。 4.结束语 我国是全球第二大锂电池生产国，产业规模庞大，产业基础较好， 近些年来对动力电池投入不断加大，动力电池开始进入产业化阶段，但 仍需要进一步突破安全性、续航能力等方面技术瓶颈。（1）重点开发具 有高比容量的新型正负极材料，提高电池的能量密度；（2）开展电池结 构设计与生产工艺研究，开展电池成组技术研究，提高电池寿命；（3）开 发高性能隔膜以及阻燃电解液，开展电池运行状态评估技术研究，研发 高效可靠的电池管理系统，提升电池安全可靠性；（4）开展电池关键材 料的低成本量产化技术研究，降低电池成本。 燃料电池虽然是理想的清洁能源，但是目前它的性价比太低，要达 到可以进入市场的性能价格比，可说是任重而道远，必须从基础材料和 基本理论上有重大突破，才可能进入汽车市场。
了解、知道、描述、说出、列举、说明、举例说明 认识
解释、理解、计算
技能性行为 目标动词
独立操作
会、会测量、会选用、会使用、会根据……估测、 会用……测量
体验性行为 目标动词
经历 认同 内化
尝试、观察、经历、探究、能 关心、关注、有……意识 养成
附录部分变化较大，在原来 1 个附录的基础上增加了两个，增加了 一个学生必做的实验项目；增加了一个科学探究实例。
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电动汽车动力电池技术现状分析
华北电力大学ຫໍສະໝຸດ Baidu崔 征
［摘 要］在当今低碳发展理念下，发展以电动汽车为代表的新能源汽车已成为新趋势。动力电池作为电动汽车的核心部件，其性能 指标和经济成本决定了电动汽车的产业化进程。本文介绍了当今国内外主流动力电池技术与发展，重点分析了我国锂离子电池及 燃料电池现状和问题，并提出对未来动力电池技术研发方向展望。 ［关键词］动力电池 电动汽车 研发
参考文献 ［1］卢世刚，刘莎.电动汽车用动力电池的主要发展方向［J］.新材料 应用，2005,4:49-52. ［2］刘振亚.中国电力与能源［M］.北京：中国电力出版社，2012.
（上接第 135 页） 表 5 全日制义务教育物理课程标准（2011 年版）
类型
水平
行为动词举例
认知性行为 目标动词
了解 认识 理解
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优势，基本是三分天下的格局。 2.2 我国锂离子电池技术目前的主要问题 国内目前选择的是美国的磷酸铁锂路线，锂电池整体水平落后于
美国、日本和中国台湾地区。例如日本电池平均能量密度要高出中国 水平的 30%～40%，充电次数也能达到中国的几倍。
（1）知识产权问题 磷酸铁锂的正级材料专利，是由美国德州大学 Goodenough 团队在 1996 年发现取得。加拿大 H-Q 和 Phostech 则取得德州大学的独家专利 和商业授权。目前陆续发展出了敷碳、金属氧化物包覆、纳米化等改性 和制备技术，藉此提高磷酸锂铁粉体的导电性，也派生出了更多的专 利。总体来看，专利问题是国内磷酸铁锂制造企业都难以避开的话题， 随着国内产业的发展壮大，未来遭受国外核心企业专利狙击的可能性 非常大。相关公司可能遭受的侵权诉讼是不得不列入考虑的风险因素 之一。 （2）制造一致性问题 由于在锂电池的制造工艺和设备上存在差距，使得国内锂电池的 生产工艺参差不齐，制造标准还达不到一致性。电动汽车所用的锂电 池都是串联或并联在一起，如果一致性问题解决不好，那么所生产的锂 电池也就无法大规模应用于电动汽车。目前国内外已经能实现量产的 合成方法均是高温固相法。其合成工艺对原料的纯度、配料的均匀度、 烧结的温度等都要求苛刻，对生产设备和生产环境的要求也很高，这些 因素均限制了量产的规模、性能、良品率和一致性，导致不同公司的产 品、同一公司不同批次的产品，甚至同一公司同批次的产品之间都存在 性能上的波动。 （3）成组后安全性和寿命问题 大功率充放电的大容量锂动力电池组，在苛刻的使用条件下更易 诱发电池某个部分发生偏差，从而引发安全问题。单体磷酸铁锂电池 寿命可超过 2000 次，但由上百块单体电池串并联后，整个电池组的寿 命可能只有 500 次。为确保电池性能良好，延长电池使用寿命，必须使 用电池管理系统（Battery Management System，BMS）对电池组进行合理 有效的管理和控制。目前国内号称动力电池组循环次数可达 2000 次 的基本都是宣传，实际性能要差很多。 （4）高能量和高功率兼容问题 锂动力电池虽然具有高能量密度，可使电动汽车匀速行驶更长的 时间；但却存在着起动时功率不够的问题，即启动加速较慢。在电化学 体系中只有超级电容器才能获得非常高的充放电倍率(1000C)，但其能 量密度只有锂电池的 1/20。若不考虑使用超级电容作为辅助，目前尚 无理想的高容量高功率动力电池出现。 （5）原材料筛选问题 现在用于锂电池生产的原材料不可能全部进口，主要还是取自国 内，但是国内的原材料要通过国际认证，生产出的锂电池才能被国际认 可，所以在原材料认证环节上目前还存在一些问题。 3.我国燃料电池现状情况及主要问题 近几年来，燃料电池技术已经取得了重大的进展。目前，燃料电池 轿车的样车正在进行试验，以燃料电池为动力的运输大客车在北美的
图 1 全球动力电池市场预计 磷酸铁锂不含贵重元素，原料资源丰富且价格低，无毒无污染。但 其合成工艺比较困难，因此售价目前还较高。美国目前主攻磷酸铁锂， 希望抢先一步占据磷酸铁锂的技术和专利高位。从目前的预测来看， 如果技术上没有重大突破，未来改性锰酸锂、三元材料、磷酸铁锂各具
作者简介：崔征（1982-），男，助理工程师，经济师，现就职于北京市电力公司，从事地区电网生产值班和应急管理工作。