第一节 产品定义、性能及应用特点
 

1、产品定义

 

电动汽车动力电池一般由电池盖、正极、隔膜、负极、有机电解液、电池壳等几部分构成。动力电池分为：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、纳硫电池、锂离子电池、锌空气电池、飞轮电池、氢燃料电池等。

 

2、产品性能

 

动力电池具有以下特点：

 

1）高能量(EV)和高功率(HEV)；

 

2）高能量密度。美国汽车电池联合会(USABC)制定的电动汽车电池中长期目标，质量比能量要达到80~100Wh／kg(中期)和200Wh／kg(长期)；

 

3）高倍率部分荷电状态下(HRPSOC)的Ñ­环使用(HEV)；

 

4）工作温度范围宽(-30~65℃)；

 

5）使用寿命长，要求5~10年；

 

6）安全可靠。

 

3、应用特点

 

动力电池的应用范围较为广阔，主要应用领域有：

 

1）大型电动车辆：公交车、电动汽车、景点游览车及混合动力车等；

 

2）轻型电动车：电动自行车、高尔夫球车、小型平板电瓶车、铲车、清洁车、电动轮椅等；

 

3）电动工具：电钻、电锯、割草机等；

 

4）遥控汽车、船、飞机等玩具；

 

5）太阳能及风力发电的储能设备；

 

6）UPS及应急灯、警示灯及矿灯(安全性最好)；

 

7）替代照相机中3V的一次性锂电池及9V的镍镉或镍氢可充电电池（尺寸完全相同）；

 

8）小型医疗仪器设备及便携式仪器等。

 

 

根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同，国内外动力电池的研发历史大致如下：

 

1、铅蓄电池

 

主要是阀控式铅蓄电池(VRLAB)。其优点是大电流放电性能良好、价格低廉、资源丰富、电池回收率高。在电动自行车、电动摩托车上广泛应用；缺点是质量比能量低，主要Ô¬材料铅有污染。新开发的双极耳卷绕式VRLAB已¾通过HEV试用，其能量密度比平板涂膏式铅蓄电池有明显提高。

 

2、碱性蓄电池

 

如Cd-Ni电池，MH-Ni电池。Cd-Ni电池由于镉的污染，欧盟各国已禁止用于动力电池；MH-Ni电池价格明显高于铅蓄电池，目前是HEV的主要动力电池。日本松下能源公司已为HEV提供了1000万只以上的MH-Ni电池。由于价格问题，MH-Ni电池应用于电动自行车上缺乏市场竞争力。

 

3、代电池

 

Li-ion电池(LiB)和聚合物Li-ion电池(PLiB)，其能量密度高于VRLA电池和MH-Ni电池，质量比能量达到200Wh／kg(PLiB)，单体电池电压高(3.6V)，若解决安全问题，将是最具竞争力的动力电池。

 

4、质子交换膜燃料电池(PEMFC)和直接甲醇燃料电池(DMFC)

 

其特点是无污染，以H2和O2或甲醇作为燃料，直接转化为电能作为车载动力。而铅蓄电池、MH-Ni电池和Li-ion电池均属于电能的转换和储能装置，电池本身并不能发出电能，必须对电池进行充电，将电能转换成化学能，在使用时再将化学能转变为电能作为车载动力。所以这类电池目前仍然要消耗由矿物燃料发出的电能。

 

燃料电池是车载动力最¾济、最环保的解决方案，但是要实现商业化还有许多问题需要解决，如价格昂贵(采用贵金属铂、铑作为催化剂)、氢的储存运输和电池寿命的问题。

 

2002年，美国又推出“FreedomCar&VehicleTechnology”计划，其中HEV用动力电池的比功率为625W／kg。要实现这些目标仍要做出很大努力。

 

目前，世界各国主要以锂离子动力电池研究为发展方向。我国在这方面的技术水平还比不上发达国家，但是已经加大了投资力度去研究锂离子动力电池。略……

 

 

目前，我国动力电池正处于快速发展阶段，技术水平和发达国家相比还存在一定的差距。但是，在动力电池的技术研究及应用方面也取得了很大的成绩。

 

近年来，我国克服了一系列技术难题来研究动力电池，现在，对动力铅蓄电池、镍-金属氢化物(MH-Ni)动力电池等研究比较成熟，也成功应用于电动汽车、自行车、摩托车等。其中，国内电动自行车铅蓄电池分为两类：AGM-VRLA电池和GeL-VRLA电池。AGM-VRLA电池是市场的主流，约占95％以上，Gel-VRLA电池的市场份额不足5％。

 

十五”规划早期，我国已经开始支持锂电池的开发项目。我国锂电池技术基础较好，虽然在产业规模和技术水平上与日本有点差距，但领先于其他国家。近5年来，我国在逐步加强研发大功率的车用锂电池技术。目前，我国对磷酸铁锂做为正极材料生产锂离子动力电池的研究处于发展阶段，由于锂电池拥有矿广阔的发展前景，因此国家非常重视锂离子动力电池的开发、研究。

 

 

目前，锂电池成为世界各国关注的焦点。以此为例来阐述其工作原理及工艺流程。

 

1、工作原理

 

1）充电过程

 

如下图所示，一个电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

 

正极上发生的反应为：LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+Xli++Xe(电子)

 

负极上发生的反应：6C+XLi++Xe=====LixC6

 

聚合物锂离子电池原理

 

2）电池放电过程

 

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

 

2、工艺流程

 

聚合物锂离子电池工艺流程图

 

 

目前，从市场需求、能源发展及环保角度看，未来世界各国都会加大对动力电池的研究，尤其是锂电池，使其技术性能更高，应用的范围更广。

 

根据现在的技术状况和需求结构，我国将加大对锂电池研究的投入。未来技术的研究趋势主要是：研制开发高功率型和高能量型锂离子动力蓄电池及蓄电池系统，开展产品的优化设计、规模生产工艺、一致性控制与成本控制技术，重点对动力蓄电池系统的可靠性、耐久性和环境适应性进行试验考核。同时要研究锂离子动力蓄电池管理系统技术。例如SOC估算方法与动态估算精度研究，故障诊断模式研究，管理模块软硬件开发，系统可靠性、电磁兼容性优化设计与试验考核等。此外，研究锂离子动力蓄电池正负极材料产业化关键技术。主要包括：材料的安全性，材料掺杂改性和表面修饰技术，材料制备工艺技术，规模生产及成本控制技术研究。研究锂离子动力蓄电池隔膜产业化关键技术。主要包括：隔膜抗拉强度、耐氧化性能和质量稳定性的提升，隔膜制备工艺技术，规模生产及成本控制技术研究。略……

 

 

1、产品技术问题

 

电动汽车动力电池产品本身还有许多技术难题未能攻克。主要包括：蓄电量小，充电后续驶里程短，目前电动汽车动力电池一次充电后行驶的最长距离为380km左右；充电时间长，一般充电时间需4~8h，使用极为不便；单位装备质量的电荷量太小，使电动汽车整车装备质量大，从而影响加速性能和最大车速的提高，无法与燃油汽车相抗衡；使用寿命短，普通电池充、放电次数仅300~400次，即使是性能较好的电池的充放电次数也不过700~900次，按每年充放电200次计算，一个动力电池的寿命仅为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。

 

2、产品价格问题

 

电动汽车动力电池的价格水平居高不下，这也是导致电动汽车动力电池市场整体发展缓慢的重要原因之一。目前电动汽车动力电池的成本占电动汽车整车成本的一大部分，而且后期维护也比较困难，综合计算电池价格约100美元／kwh，有的高达350美元／kwh，成本太高，消费者难以承受。略……

 

 

目前行业内各家企业基本达成了共识，电动汽车动力电池行业内，整体产品体系的实用开发的重点和目标可分为近期、中期和远期。近期以改进型铅酸和Cd-Ni电池为主，中期以MH-Ni电池和Na-S电池为主，远期以锂离子电池和燃料电池为主。

 

现在国内电动汽车动力电池的研发还较少，生产技术还不成熟，没有系统的理论基础，生产设备和工艺的开发也还处于初级阶段。所以未来电动汽车动力电池行业的工作重点之一是将致力于进一步提高应用于电动汽车动力电池的技术水平，以便尽快达到和超越世界领先水平。

 

 

由于新行业初建不久，只有为数不多的公司投资于这个新兴的行业。由于初创期行业的创立投资和产品的研究、开发费用较高，而大众对其尚缺乏了解，产品市场需求狭小，销售收入较低，因此许多创业公司财务上可能会出现亏损。同时，较高的产品成本和价格与较小的市场需求还使行业内的企业面临很大的投资风险。

 

虽然投入风险较大，但是电动汽车动力电池行业的前景还是比较乐观的。电动汽车安全、舒适、方便、技术成熟、零排放、噪声低等优点符合国家政策，相对于燃料汽车具有优势，产业化和商业化市场前景广阔，与之配套的电动汽车动力电池的市场前景也比较好。预计在行业发展的过程中，随着行业生产技术的提高、生产成本的降低和市场需求的扩大，电动汽车动力电池行业将在未来数年内逐步由高风险、低收益的初创期转向高风险、高收益的成长期。略……