电动汽车用先进电池的现状及发展

电动汽车用先进电池的现状及发展

前言

由氮氧化物生成的酸雨和CO2引发的全球变暖所造成的环境破坏以及如何使能源资源多样化已成为

现代社会亟待解决的课题。而CO2气体主要来自燃料燃烧排放气体，据估计，约20%的CO2气体来自汽车

排放。因此，环保的要求带动了电动汽车(EV)及电动汽车用电池的发展。1997年在东京举行的汽车展览和1998年在底特律举行的汽车展览均向人们展示了一些使用电池的技术。本文主要论述了EVs用先进电池的现状及其发展。

1 电动汽车业及所用电池的发展现状

1.1 美国

在美国，已有几个州要求汽车制造商发展和销售零排放汽车(ZEVs)。加利福尼亚航空资源委员会(CA RB)和7个主要汽车制造商(克莱斯勒、福特、通用、本田、马自达、尼桑和丰田) 在1996年签订协议，要求在这个州销售新的汽车和轻型卡车必须有2%为零排放，到2003年有10%为零排放。同样在马塞诸塞州和纽约及缅因州、马里兰州和新泽西州，也要求到1998年至少有2%汽车为零排放，到2003年有10%为零排放。因此，估计到1998年，美国将有2万辆EV s在路上行驶，而到2018年，EVs将超过700万辆。

由于ZEV法案的颁布和实施，美国几大主要汽车制造商已广泛深入地开展了EVs研究及开发。其中，

通用(GM)汽车公司一直是电动汽车行业的领导者，已开发了Saturn EVI两座铅酸电池电动汽车。1998年，GM-Ovonic公司与美国能源部合作，用MH/Ni电池取代铅酸电池，使电动车的一次充电行驶距离达到

160km，但价格为10000美元/只，是US ABC规定的2倍还多。GM公司希望能在2001年开始生产混合

电动车，在2004年开始生产燃料电池电动车，它们都将配备MH/Ni电池。福特汽车公司在1998年生产

的Ranger卡车，使用阀控式免维护908kg铅酸电池。公司将在1999年的Ranger EV模型中采用MH/N i

电池，并将使用Aero Vironment公司的快速充电技术为Ranger电动车的铅酸电池进行快速充电，使在

20min内再充电达80%。因为直到现在，Ranger行驶50km仍需4h充电时间。克莱斯勒公司在1998年的EPIC汽车上使用先进的铅酸电池。现克莱斯勒公司正与SAFT公司合作，为EPIC配备MH/Ni电池。据称，使用MH/Ni电池后，一次充电行驶距离从68km提高到90km。

1.2 日本

日本国际贸易与工业厅(MIZI)在东京发起一个大的工程-锂电池贮能及技术联合会(LIBES)，发展电

动车用二次电池。日本电动车协会于1991年10月制定了2000年电动汽车普及计划，到2000年日本电

动汽车将达到20万辆为1991年的200倍。因而也大大推动了EVs用电池的发展［4］。由于加州ZEV法

案及世界各国对环保的要求，日本的几大主要汽车制造商开发研制电动汽车的活动均较为活跃。在发展电动车和混合车技术中，丰田汽车公司较为积极。其最新的RAV4LV-EV汽车使用MH/Ni电池，一次

充电行驶距离为130km，最大速度为80km/h，所用电池是与松下公司共同开发的，在展览会上展出的

PEM-FC型电动车，使用燃料电池和MH/Ni电池。而另一汽车公司尼桑公司，1998年在日本市场销售电动车，并将在美国销售Altra-EV。电动车采用索尼公司的锂离子电池，一次充电行驶距离为124km，充电

5h后，最大速度为75km/h。尼桑北美公司的Altra-EV于1998年1月在Los Angeles汽车展览上亮相，

并第一次在美国对锂离子电池电动车进行大规模的路上测试。使用索尼公司锂离子电池的四人汽车一次

充电行驶里程为120km，最大速度为75km/h。Altra-EV所用锂离子电池比能量达90Wh/kg，是传统铅酸

电池的 3倍，比MH/Ni电池高约50%，且循环寿命长，可达1200次，使用寿命约为10年。尼桑公司相

信当大规模生产时，锂离子电池价格可与铅酸电池竞争。

1.3 欧洲

据估计，到2000年，德国电动汽车总数将达到564万辆，法国每年销售电动车将达到10万辆，其［6］

它国家将会达到40万辆。欧洲电动汽车联合体，欧洲电池研究与发展联合会(BRADE)主要研究MH/Ni 电池和锂离子电池。欧洲第一辆锂离子电池电动汽车于 1997年10月在法国Poiton-Charentes地区进行测试，标致106是其中的一种。所用锂离子电池由SAFT公司提供，比能量为100Wh/kg，一次充电行驶距离可达124km。

1.4 亚太地区

在亚太地区，随着人们经济能力的增强，汽车的销售量正逐步上升。据预测，在1999年和2000年，亚洲汽车销售将会分别增长15%。因此，在东南亚，尤其是在中国，电池工业也因汽车工业的发展而得

到快速发展。1997年到2002年，亚太地区电动车用电池数列于表1中。

表1 亚太地区电动车用电池万只

2 电动车用先进电池进展

可以说，现在 EVs 用电池市场是铅酸电池、氢镍电池和锂离子电池三分天下，但随着 ZEV 法案 的颁 布和 实施及电池技术的发展，氢镍和锂离子电池将会占据越来越重要的市场份额，并成为 EVs 用 主要电 池。以下即重点介绍电动车用氢镍和锂离子电池的进展。 2.1 氢镍电池

Ovonic 电池公司是世界上最重要的 MH/Ni 电池生产者，产品占全世界 EVs 用 MH/Ni 电池的 95%， 其 电池质量比能量超过 80Wh/kg ，体积比能量超过 2 00Wh/L 。USABC 于 1992 年同 Ovonic 电池公司签订了第 一个合同，开发用于 EV 的 MH/Ni 电池，以 满足中期目标。Ovonic 电动车用 MH/Ni 电池已在美国、欧洲 、亚洲等地区被广泛使用。其 MH/ Ni 电池已达到质量比能量 95Wh/kg 的目标，并很快会达到 120Wh/kg 的 目

标。Hyundai 汽车公司 的电动汽车使用其 MH/Ni 电池，一次充电行驶里程可达 390km 。

SAFT 公司也在进行 EVs 用 MH/N 电池的研制开发工作。1993 年，SAFT 与 US ABC 签定了 1780 万美 元 的开发 EVs 用 MH/Ni 电池的合同。其最新 MH/Ni 电池容量为 128Ah ，质量比能量为 65Wh/kg ，体 积比能量

为 130Wh/L 。

为了达到 USABC 长期目标，现 USABC 已与 Ovonic 和 SAFT 公司分别签订了 2 840 万美元和 3 180 万

美元的合同，进行 MH/Ni 电池研究 。

另外，除了上述公司以外，丰田/松下电池公司，开发了适用于“RAV4”的 MH/Ni 电池，电池 容量为 95Ah ，质量比能量为 63Wh/kg ，功率密度为 200W/kg 。开发的小型 EV 用电池组质量 比能量为 53Wh/kg ， 功率密度为 300W/kg 。而适用于 E-com 的 MH/Ni 电池，1 次充电行驶距离可 达 1 00km ，将在今春开始进 行试验。Honda 公司开发了 27kWh 级电池组，质量比能量为 57Wh/kg, 用于 EVPLUS 电动车。德国瓦尔塔公 司开发的 EV 用 MH/Ni 电池，质量比能量为 60Wh/kg ，功率密 度 为 165W/kg ，已在“WAVE”电动车上应用 ［10］ 。

2.2 锂离子电池

在第 9 届国际锂电池会议上，EV 和 HEV(混合型电动车)用锂离子电池是会议关注的热点之一，报道了 不少研究进展和结果。很多国家以政府的形式支持电动车用锂离子电池。

SAFT 美国公司作为 PNGV 一部分的锂离子电池研究正在各个方面向 USABC 的长期目标靠近，如 比能 量、功率密度、循环寿命等。目前，只是价格(3kWh 电池，$150/kWh)仍未达到目标 。SAFT 已经证实所研 制的锂离子电池，可进行 12 万次浅充放电循环，容量损失小于 20%，且 安全性好。在这一基础上，SAFT 美国公司的 R&D 中心与 US ABC 和 DOE 签订了一个 9 800 万美 元的 合同，进行 EVs 用锂离子电池的研究 。现已用 6Ah 和 12Ah 单电池组装成 0.3～0.5kWh 模块， 其 质量比能量 60Wh/kg(1C)，峰功率 1.2W/kg(5 0%DOD)。浅充放时循环寿命 5 万次(30%DOD )到 6.5 万次(1%DOD)。

日本已开发成功移动用 400Wh 级单电池和 3kWh 电池组模块，以及静态型 250Wh 单电池和 2kWh 级 电 池模块。

在法国政府和欧盟的支持下，电池研究单位和汽车制造厂合作研究电动车用锂离子电池， 1kWh 模块 由 6 个圆柱形的 40～50Ah 单体电池组合而成。现几组电池正装车试验，电池质量比 能量为 120Wh/kg ， 体积比能量为 200Wh/L ，充一次电行驶 200km 。此外，法国电力公司和 Bo llore Technologies 合作研究 聚合物电池，作为 EV 动力源。1993～1997 年为第 1 阶段，研制 出 40Ah 单电池，80%DOD 充放电循环，比 能量为 160Wh/kg ，可循环 600 次，并能在 80℃工作 。1998～2000 年为第 2 阶段，研制 2kWh 模块及电池 管理系统，单电池的指标：150Wh/kg(0.5 C) ，200W/kg(峰功率，80%DOD)，寿命 500 次；电池块指标： 比能量 120Wh/kg(0.5C)，比 功率 120W/kg ，寿命 500 次。

德国瓦尔塔公司对高能量密度型和高功率密度型电池作了研究，高能量密度型电池为方型， 容量为 60Ah ，质量比能量为 115Wh/kg ，功率密度 30W/kg ，循环 900 次(100%DOD)。高功率型 为圆柱形(HEVs 用) ，比能量 50Wh/kg ，比功率 480W/kg(10C)，循环寿命＞600 次(100%DOD )。

3 结语

据预测，到 2005 年电动车年销售量为 72 万辆，占总销售量的 1.2%；2010 年为 170 万 辆，占总销售 量的 2.6%。而到 2005 年，电动车市场各种电池所占份额为：MH/Ni 电池 64%； 锂离子电池 15%；铅酸电 池 11%；锂聚合物电池 2%；Na/NiCl 2 电池和锌/ 空气电池各占 1.5%。MH/Ni 电池将成为 EV 电池的主力军 。预计在 2006～2012 年期间，当锂离子电池进一步发展时，MH/Ni 的市场份额将缩小。锂离子市场 份额将会扩大 。

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