电动汽车电池的现状及发展趋势(2)

镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成，其性能指标及在电动汽车的应用情况如表2

[23]

指出对于镍氢电池的研究应该主要解决在实际应用中，在常温和低温的条件下，镍氢电池比功率严重下降的问题，提出可以提高金属氢化物电极表面催化剂的活性来进一步提高镍氢电池的高速充放电功率和容量。文献[25]分析镍氢电池存在的问题可以通过使用合适的添加剂、导电黏结剂和优化电池设计等方式予以解决，指出镍氢电池仍是近期和中期电动车使用的首选动力电池。

2006年我国生产镍氢电池13亿只，出口9.13亿只，创汇6.06×108USD，超过日本成为世界上镍氢电池第一生产大国。车用电池生产商以春兰动力电池为代表，已掌握电池最新封装技术，各项性能指标达到国际标准，已成为“十城千辆”新能源汽车的主要动力供应商。其研制的混合动力客车用动力镍氢电池组及管理系统已在“北京实施混合动力公共汽车示范项目”中应用[26]。“十城千辆”推广计划的整车制造厂家一汽、二汽和株洲客车等均采用春兰集团的镍氢电池。 2.3 锂离子电池

锂离子电池的传统结构包括石墨阳极、锂离子金属氧化物构成的阴极和电解液(有机溶剂溶解的锂盐溶液)。最常见的锂离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酯和碳酸二甲酯溶解六氟磷酸锂溶液为电解液，以二氧化锰酸锂为阴极；轻巧结实，比能量大，单体电压约为3.7 V[27]。

表3为锂离子电池的性能指标及其在电动汽车的应用情况[28-29]。可以看出，相较镍氢电池，锂离子电池具有相对较高的工作电压和较大的比能量，是镍氢电池的3倍。锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染；电池单个性能指标的数值范围跨度大，这是因为锂离子电池有较多的电极组合，它们在性能上存在一定的差异。

表3 锂离子电池的性能指标及其在电动汽车的应用情况 Tab. 3 Performance indices of lithium-ion batteries and

its applications to EVs

比能量/ (W·h/kg)

能量体积密度/(W·h/L)

比功率/ (W/kg)

循环次数

单体电压/ V

所示。相对铅酸电池，

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。这项技术独特的优势包括：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。

表2 镍氢电池的性能指标及其在电动汽车的应用情况

Tab. 2 Performance indices of NiMH battery and

its applications to EVs

比能量/ (W·h/kg) 30~110

能量体积密度/ (W·h/L) 140~490

比功率/ (W/kg) 250~1 200

循环次数 500~1 500

单体电压/ V 1.2 电动汽车类型

电动汽车电池组电动汽车电池组电动汽车电池组单体容量/(A·h)

单体质量/kg

单体电压/V

混合动力车(如混

90 2.2 1.2

合动力公共汽车)注：电动汽车电池组模块数据为春兰(集团)公司电动车用镍氢电池QNFG90，容量标定为3小时率。

镍氢电池广泛应用受限的原因是其在低温时容量减小和高温时充电耐受性的限制；此外，价格也是制约镍氢电池发展的主要因素，原材料如金属镍非常昂贵。文献[9]指出基于镍氢电池的电动汽车电池技术已表现出局限性。镍氢电池虽比铅酸电池储存更多的能量，但过放电会造成永久性损伤，荷电状态(state of charge，SOC)必须被限制在一个较小的范围内，电池储存的大部分能量并没有被实际使用，如丰田Prius只能使用电池20%的能量。另外，否能准确测量镍氢电池的荷电状态直接影响其使用寿命及充放电效率。文献[24]建立了一种基于状态空间的镍氢电池的荷电状态递推算法。文献[23]

100~250 250~360 250~340 400~2 000 3.7 电动汽车电池组电动汽车电池组电动汽车电池

单体容量/(A·h)单体质量/kg组单体电压/V

电动汽车类型

纯电动车(如私家车、

400 14.4 3.2

纯电动公共汽车)注：电动汽车电池组单体数据为文献[16]公布的中航锂电有限公司生产的SE400AHA，容量标定为3小时率。

4 宋永华等：电动汽车电池的现状及发展趋势 Vol. 35 No. 4

锂离子电池可分为锂离子电池和锂聚合物电池2种。锂离子电池的阴极材料主要有锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，阳极材料主要有石墨、钛酸锂等

[30]

3 电动汽车电池性能分析比较

3.1 基本性能

图1为铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)的比能量、比功率、安全性等基本性能[17]。通过比较可以发现，目前这几种电池技术仍然没有一种能够占据每个方面性能的优势地位。这说明目前在电动汽车应用领域出现这些不同种类电池共存情况的原因，也是各种电池技术在不同程度上存在的缺陷导致电动汽车的发展受到制约而未大规模产业化的原因。

。不同阴极材料的锂离子

电池部分性能比较如表4所示。

表4 不同阴极材料的锂离子电池性能比较

Tab. 4 Performance comparisons of lithium-ion batteries

with different cathode materials

阴极材料

理论容量/ 实际容量/ 工作电压/ (mA·h/g)

(mA·h/g)

安全性能

成本高居中低低

LiCoO2 274 140~155 3.7 一般 LiNiO2 274 190~210 2.5~4.2 差 LiMn2O4 148 90~120 3~4

好

LiFePO4 170 120~160 3.2 很好

再循环能力

比能量

5 4 3 2 1

比功率

文献[27]指出要将锂离子电池大量应用于电动汽车仍然存在问题，主要是因为多种性能的限制，包括锂离子电池的安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。锂离子电池目前以小容量、低功率电池为主，大容量高功率的锂离子电池尚未大规模生产，因此针对电池组的电池管理系统中一些不成熟的技术(如均衡充电技术)是锂离子电池尚未在电动汽车中广泛应用的重要原因之一

[31]

安全性

工作温度

单位能量价格

电量保持

单位功率价格

循环寿命铅酸蓄电池；锂离子电池；

单体电压镍氢电池；锂聚合物电池。

。

锂离子电池技术的先进性和在新兴关键市场(电动汽车领域)的应用，已激发全球范围内的研发热潮，因此锂离子电池势必将在电动汽车和新能源领域占据重要位置[17,27,32]。目前在电动汽车中，应用较多的锂离子电池是磷酸铁锂电池，它具有磷氧共价键结构，使氧原子不会被释放出来，因而热稳定性和安全性较好，同时价格相对便宜。这些因素使磷酸铁锂电池成为小型电动汽车和PHEV动力电池首选。然而在锂离子电池中，磷酸锂电池的比能量、比功率以及运行电压相对较低，在大型纯电动车应用方面钴酸锂和锰酸锂电池等更具优势[20]。

我国锂离子电池产量增长快速，2008年总产值约200亿元，产量约为9000t，质量基本达国际水平。国内锂离子电池关键材料的产业化，为锂离子动力电池的发展创造了有利条件和万向集团等

[16]

[33]

图1 电动汽车电池性能比较[17]

Fig. 1 Performance comparison among different

kinds of EV batteries[17]

由图1可以看出，在目前市场上的电池中，锂离子电池(锂离子电池和锂聚合物电池)除在价格和安全性方面处于劣势以外，其他方面均处于绝对领先地位，有进一步研发和大规模应用的前景。 3.2 部分商业化电动汽车电池组性能

表5为国内外主要电动汽车厂商官方公布的电池组相关数据。这些数据显示近期在电池技术方面的发展使电动汽车更有实力与传统汽车在性能、实用性和价格方面相竞争。

目前主要的汽车公司均采用镍氢电池和各种基于锂离子技术的电池。电池组容量为3~60 kW·h甚至更多。由表5还可以看出，混合动力车具有其他动力源，因此电池容量较小；而纯电动车不管是行驶里程还是加速性能完全依赖于电池，对于同等大小的汽车，纯电动车会需要一个更大容量和功率的电池组。

此外，文献[34]指出在中国电池成组技术的缺陷导致循环寿命缩短也是制约电动汽车发展的瓶颈之一。如单体循环寿命为800~1000次的锂离子电池，成组应用到公交车上后，循环寿命只有

。主要的车用锂

离子动力电池生产商有中航锂电，中信国安盟固利

。北京作为“十城千辆”的代表城

市，2009年开始推广新能源汽车，2011年北京有50辆北汽福田的“迷迪”纯电动出租车开始在延庆试运行。汽车采用北京汽车新能源电池科技有限公司所生产的锂离子动力电池，电池容量25 kW·h，理论续航里程150 km。

第35卷第4期电网技术

表5 部分商业化电动汽车电池组性能比较

Tab. 5 Performance comparisons of several EV battery packs on the market

车辆名称通用EV1 雪弗莱Volt 丰田Prius 日产Leaf 比亚迪 E6

汽车类型纯电动车混合动力车混合动力车纯电动车纯电动车

电池类型容量/(kW·h)续航里程/km

64.0 23.4 160.0 295.0

电池质量/kg 220 V充电时间/h 快充时间/min

— 3 — 7~8 4~6

— — — 15~20 15

185 — 300 —

发布年度 1996 2010 2010 2010 2011

铅酸电池 16.5 90.0~120.0 1 400 锂离子电池 16.0 锂离子电池 5.2 锂离子电池 24.0 锂离子电池 63.3

注：—为暂未正式公开官方数据。

400~600次，甚至更低。

的锂总储量居世界第2；锂离子也存在于海水中，未来可利用太阳能从海水中提取。此外，锂离子电池具有循环使用的潜力，可解决对原材料的需求问题[36]。最终锂离子电池的价格在大规模商业化之后会下降。实际上，国内外越来越多的汽车厂家选择锂离子电池作为电动汽车的动力电池，锂离子电池技术方面的研究也在不断地取得突破。我国的电动汽车科技发展“十二五”专项规划中指出将推动以锂离子动力电池为重点的车用动力电池产业发展，使之具有国际竞争能力。文献[29]介绍近期在钒基磷酸盐锂电池技术上取得了进展，此种锂离子电池将比目前广泛应用的磷酸铁锂电池具有更高的功率和更好的车辆应用性能。对于锂离子电池技术最大的挑战是继续扩大电池容量，同时保证安全性和循环次数不受影响，并降低成本。此外，电动汽车电池的快速充放电能力对于它未来作为风电和太阳能等新能源发电的备用非常重要。文献[37]介绍了一种快速导电离子表面技术，能够在10~20 s内使充满的磷酸铁锂电池完成放电。