电动车电池的开发现状及展望

　　0 前言

　　据近期“世界电动车”报导， 预测到2007 年，全世界电动车年销量可达百万辆以上（见表1），约占全球汽车总销量的1. 5 %.虽然这样小的份额不足以说明电动车已商品化， 但也说明经过几十年，尤其是近10 年的全球性努力，电动车在技术上已取得很大成就。预测电动车销售的主要依据仍然是人们对环境污染的关注，尤其是在中心城市。美、欧等发达国家的一些中心城市都在限制燃油汽车的使用。我国政府也越来越重视环境保护问题， 把环境保护作为实施可持续发展战略的一项重要内容。我国环境监测数据表明， 汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一。北京市机动车尾气排放对大气污染物中CO、HC、NOx 的分担率分别为63. 4 % ，73. 5 %和46 % ， 非采暖期这一分担率更高， 分别为80. 3 % ，79. 1 %和54. 8 %.上海市更为严重，分别为86 %、96 %和56 %;广州、天津、重庆等许多大中型城市具有类似情况。因此， 最近国务院有关部委组织召开了一次“清洁汽车行动”的大会， 以推动我国燃油汽车的清洁化、新型燃气汽车的推广应用和国家电动汽车重大科技产业化工程项目的实施。

　　表1 电动汽车销售量预测（千辆）

　　目前， 各种类型的电动汽车包括以蓄电池驱动的BEV，以内燃机与电池混合驱动的HEV及以燃料电池驱动的FCEV都面临着与改进的燃油汽车及采用各种替代燃料的低污染汽车的市场竞争。电动车必须在性能、价格上进一步改进， 才能指望在市场竞争中站住脚。

　　各种主要电动车用蓄电池的对比见表2。目前能大量生产供应的只有铅蓄电池和镉镍蓄电池， 由于镉镍电池性能价格比不如铅蓄电池而且存在镉污染，性能优良的MH2Ni 电池有可能很快进入市场。本文将重点讨论铅蓄电池、MH2Ni 、锂离子及钠氯化镍蓄电池的进展情况。质子交换膜燃料电池（ PEMFC）是唯一可以在性能上与燃油汽车竞争的电池， 本文将介绍其最近发展情况。

　　表2 各种主要电动车用蓄电池对比

　　1 电动车电池的研制进展

　　1. 1 铅蓄电池

　　铅蓄电池是目前唯一能大量生产供应的电动车电池。从表2 可以看出，它的优点是价格低，缺点是比能量低，一次充电行驶里程短（约100km） 。一项对北美私人汽车日行程的调查表明， 日行程在160km以下的占90 % ， 其余10 %日行程超过240km甚至更高。因此有人提出若能将铅蓄电池比能量适当提高，使一次充电行程达到160km，同时开展快速充电的研究， 就有可能使价格低廉的铅蓄电池满足大多数城市中心区短途运输及交通用电动车的要求。为此， 1992 年由国际铅锌组织联合世界铅蓄电池制造厂商成立的“先进铅蓄电池联合体（ALABC） ”制定了先进铅蓄电池的研制目标为：

　　比能量50W·hkg- 1 （一次充电行程160km）

　　比功率150Wkg- 1

　　价格《 150 美元/ kW·h

　　循环寿命》 500 次

　　快充性能：

　　50 % 5min

　　80 % 15min

　　上述5 项指标中， 价格及比功率已为一般铅蓄电池所具备， 因而改进的主要力量集中在比能量，循环寿命及快充性能3 项指标。

　　（1） 比能量提高比能量主要从减轻板栅重量及提高正极活性物质利用率着手。研究表明， 提高铅钙合金中锡的含量可以增强板栅耐腐性及抗蠕变强度， 从而可以减轻板栅重量（Sn 含量0. 5 %~1 %） 。在正极活性物质中添加吸酸能力强的添加剂（如发泡聚丙烯） 可以提高正极活性物质利用率约10 %.

　　（2） 循环寿命研究结果表明有4 种方法可提高铅蓄电池的循环寿命： （i） 板栅合金采用锡含量高的铅钙合金， 可以克服因板栅蠕变而造成的早期失效。（ii） 为了防止极板膨胀， 采用加大极板法向压力，试验证明将法向压力从8kpa 增至40kpa ，可使循环寿命由200 次提高到700 次。为此需改进隔膜材料以免在受压情况下松散。（iii） 采用合理的充电制度，尤其要精确掌握充电后期的充电量及充电速率，以保证充足电。（iv） 改进负极膨胀剂以避免延长充放循环寿命后，负极活性物质海绵状铅的硬化。

　　（3） 快速充电由于近期快速充电技术的发展，使传统的铅蓄电池快速充电性能不好的概念已有所改变。实验证明， 多数阀控式铅酸蓄电池可以承受快速充电制度（50 % soc ， 5min ; 80 % soc ， 15min） 。而且，合理的快速充电制度及方法，对延长电池寿命不但无害而且有利。国外已将快速充电方法由单组电池扩展应用到整个电池组， 并且在车载情况下进行试验。1998 年公布的ALABC 的报告表明，通过研究改进， 阀控式铅酸蓄电池的比能量有望提高到改进前的2 倍， 循环寿命有可能提高到原有的10 倍， 而充电时间缩短一个数量级。目前ALABC 正在大力支持各有关方面的研究改进工作。假如上述研究改进目标能在铅蓄电池的生产中实现， 则铅蓄电池将在近期电动车的产业化过程中发挥重要作用。

　　我国在“八五”计划期间， 国家科委和国家计委就把电动车用铅蓄电池的研究和开发列为重点项目予以支持。许多从事电动车设计和研制的单位认为， 虽然铅蓄电池比能量低， 但在我国期望将公交车、出租车放在电动车使用的首要地位的情况下，铅蓄电池以其价格低廉， 能够大量生产供应的优势， 被列入近期电动车产业化工程项目计划中还是可行的。

　　表3 列出我国电动车用密封铅蓄电池的近期研究发展目标， 其中第一阶段强调电池总体性能的提高， 第二阶段把重点放在电池循环寿命及电池性能的均匀一致性的改进上。

　　表3 我国电动车用密封铅酸电池研制目标

　　1991~1995 期间， 保定金风帆蓄电池有限公司、轻工业化学电源研究所等单位参与电动车用密封铅蓄电池的研制工作。其中风帆电池厂采用正负极涂膏平板电极， 轻工业化学电源研究所则正极采用其具有专利权的椭圆形管式极板， 负极仍为涂膏平板电极。试制结果表明， 我国的电动车用铅蓄电池除循环寿命外其余各项均能达到第一阶段研制目标。

　　目前风帆公司及镇江蓄电池厂的密封铅蓄电池已在我国改装车上试用， 其中在面包车上采用20只12V·150A·h 电池， 最高车速80km/ h ， 充电一次行驶100km; 小轿车使用10 只12V ·150A·h 电池组，车速可达80km/ h ，充电一次行驶100km.存在的最大问题是均匀性差， 个别电池累计行车里程不足1 000km就需更换。