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第一節(jié) 產(chǎn)品定義、性能及應(yīng)用特點(diǎn)
 

1、產(chǎn)品定義

 

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池一般由電池蓋、正極、隔膜、負(fù)極、有機(jī)電解液、電池殼等幾部分構(gòu)成。動(dòng)力電池分為：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、納硫電池、鋰離子電池、鋅空氣電池、飛輪電池、氫燃料電池等。

 

2、產(chǎn)品性能

 

動(dòng)力電池具有以下特點(diǎn)：

 

1）高能量(EV)和高功率(HEV)；

 

2）高能量密度。美國(guó)汽車(chē)電池聯(lián)合會(huì)(USABC)制定的電動(dòng)汽車(chē)電池中長(zhǎng)期目標(biāo)，質(zhì)量比能量要達(dá)到80~100Wh／kg(中期)和200Wh／kg(長(zhǎng)期)；

 

3）高倍率部分荷電狀態(tài)下(HRPSOC)的Ñ­環(huán)使用(HEV)；

 

4）工作溫度范圍寬(-30~65℃)；

 

5）使用壽命長(zhǎng)，要求5~10年；

 

6）安全可靠。

 

3、應(yīng)用特點(diǎn)

 

動(dòng)力電池的應(yīng)用范圍較為廣闊，主要應(yīng)用領(lǐng)域有：

 

1）大型電動(dòng)車(chē)輛：公交車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、景點(diǎn)游覽車(chē)及混合動(dòng)力車(chē)等；

 

2）輕型電動(dòng)車(chē)：電動(dòng)自行車(chē)、高爾夫球車(chē)、小型平板電瓶車(chē)、鏟車(chē)、清潔車(chē)、電動(dòng)輪椅等；

 

3）電動(dòng)工具：電鉆、電鋸、割草機(jī)等；

 

4）遙控汽車(chē)、船、飛機(jī)等玩具；

 

5）太陽(yáng)能及風(fēng)力發(fā)電的儲(chǔ)能設(shè)備；

 

6）UPS及應(yīng)急燈、警示燈及礦燈(安全性最好)；

 

7）替代照相機(jī)中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池（尺寸完全相同）；

 

8）小型醫(yī)療儀器設(shè)備及便攜式儀器等。

 

 

根據(jù)動(dòng)力電池的使用特點(diǎn)、要求、應(yīng)用領(lǐng)域不同，國(guó)內(nèi)外動(dòng)力電池的研發(fā)歷史大致如下：

 

1、鉛蓄電池

 

主要是閥控式鉛蓄電池(VRLAB)。其優(yōu)點(diǎn)是大電流放電性能良好、價(jià)格低廉、資源豐富、電池回收率高。在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)上廣泛應(yīng)用；缺點(diǎn)是質(zhì)量比能量低，主要Ô¬材料鉛有污染。新開(kāi)發(fā)的雙極耳卷繞式VRLAB已¾通過(guò)HEV試用，其能量密度比平板涂膏式鉛蓄電池有明顯提高。

 

2、堿性蓄電池

 

如Cd-Ni電池，MH-Ni電池。Cd-Ni電池由于鎘的污染，歐盟各國(guó)已禁止用于動(dòng)力電池；MH-Ni電池價(jià)格明顯高于鉛蓄電池，目前是HEV的主要?jiǎng)恿﹄姵亍Ｈ毡舅上履茉垂疽褳镠EV提供了1000萬(wàn)只以上的MH-Ni電池。由于價(jià)格問(wèn)題，MH-Ni電池應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)上缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

 

3、代電池

 

Li-ion電池(LiB)和聚合物L(fēng)i-ion電池(PLiB)，其能量密度高于VRLA電池和MH-Ni電池，質(zhì)量比能量達(dá)到200Wh／kg(PLiB)，單體電池電壓高(3.6V)，若解決安全問(wèn)題，將是最具競(jìng)爭(zhēng)力的動(dòng)力電池。

 

4、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)和直接甲醇燃料電池(DMFC)

 

其特點(diǎn)是無(wú)污染，以H2和O2或甲醇作為燃料，直接轉(zhuǎn)化為電能作為車(chē)載動(dòng)力。而鉛蓄電池、MH-Ni電池和Li-ion電池均屬于電能的轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能裝置，電池本身并不能發(fā)出電能，必須對(duì)電池進(jìn)行充電，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能，在使用時(shí)再將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茏鳛檐?chē)載動(dòng)力。所以這類(lèi)電池目前仍然要消耗由礦物燃料發(fā)出的電能。

 

燃料電池是車(chē)載動(dòng)力最¾濟(jì)、最環(huán)保的解決方案，但是要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化還有許多問(wèn)題需要解決，如價(jià)格昂貴(采用貴金屬鉑、銠作為催化劑)、氫的儲(chǔ)存運(yùn)輸和電池壽命的問(wèn)題。

 

2002年，美國(guó)又推出“FreedomCar&VehicleTechnology”計(jì)劃，其中HEV用動(dòng)力電池的比功率為625W／kg。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)仍要做出很大努力。

 

目前，世界各國(guó)主要以鋰離子動(dòng)力電池研究為發(fā)展方向。我國(guó)在這方面的技術(shù)水平還比不上發(fā)達(dá)國(guó)家，但是已經(jīng)加大了投資力度去研究鋰離子動(dòng)力電池。略……

 

 

目前，我國(guó)動(dòng)力電池正處于快速發(fā)展階段，技術(shù)水平和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在一定的差距。但是，在動(dòng)力電池的技術(shù)研究及應(yīng)用方面也取得了很大的成績(jī)。

 

近年來(lái)，我國(guó)克服了一系列技術(shù)難題來(lái)研究動(dòng)力電池，現(xiàn)在，對(duì)動(dòng)力鉛蓄電池、鎳-金屬氫化物(MH-Ni)動(dòng)力電池等研究比較成熟，也成功應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、自行車(chē)、摩托車(chē)等。其中，國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車(chē)鉛蓄電池分為兩類(lèi)：AGM-VRLA電池和GeL-VRLA電池。AGM-VRLA電池是市場(chǎng)的主流，約占95％以上，Gel-VRLA電池的市場(chǎng)份額不足5％。

 

十五”規(guī)劃早期，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始支持鋰電池的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。我國(guó)鋰電池技術(shù)基礎(chǔ)較好，雖然在產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)水平上與日本有點(diǎn)差距，但領(lǐng)先于其他國(guó)家。近5年來(lái)，我國(guó)在逐步加強(qiáng)研發(fā)大功率的車(chē)用鋰電池技術(shù)。目前，我國(guó)對(duì)磷酸鐵鋰做為正極材料生產(chǎn)鋰離子動(dòng)力電池的研究處于發(fā)展階段，由于鋰電池?fù)碛械V廣闊的發(fā)展前景，因此國(guó)家非常重視鋰離子動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)、研究。

 

 

目前，鋰電池成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。以此為例來(lái)闡述其工作原理及工藝流程。

 

1、工作原理

 

1）充電過(guò)程

 

如下圖所示，一個(gè)電源給電池充電,此時(shí)正極上的電子e從通過(guò)外部電路跑到負(fù)極上,正鋰離子Li+從正極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)負(fù)極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

 

正極上發(fā)生的反應(yīng)為：LiCoO2=充電=Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)

 

負(fù)極上發(fā)生的反應(yīng)：6C+XLi++Xe=====LixC6

 

聚合物鋰離子電池原理

 

2）電池放電過(guò)程

 

放電有恒流放電和恒阻放電，恒流放電其實(shí)是在外電路加一個(gè)可以隨電壓變化而變化的可變電阻，恒阻放電的實(shí)質(zhì)都是在電池正負(fù)極加一個(gè)電阻讓電子通過(guò)。由此可知，只要負(fù)極上的電子不能從負(fù)極跑到正極，電池就不會(huì)電池就不會(huì)放電。電子和Li+都是同時(shí)行動(dòng)的，方向相同但路不同，放電時(shí)，電子從負(fù)極經(jīng)過(guò)電子導(dǎo)體跑到正極，鋰離子Li+從負(fù)極“跳進(jìn)”電解液里，“爬過(guò)”隔膜上彎彎曲曲的小洞，“游泳”到達(dá)正極，與早就跑過(guò)來(lái)的電子結(jié)合在一起。

 

2、工藝流程

 

聚合物鋰離子電池工藝流程圖

 

 

目前，從市場(chǎng)需求、能源發(fā)展及環(huán)保角度看，未來(lái)世界各國(guó)都會(huì)加大對(duì)動(dòng)力電池的研究，尤其是鋰電池，使其技術(shù)性能更高，應(yīng)用的范圍更廣。

 

根據(jù)現(xiàn)在的技術(shù)狀況和需求結(jié)構(gòu)，我國(guó)將加大對(duì)鋰電池研究的投入。未來(lái)技術(shù)的研究趨勢(shì)主要是：研制開(kāi)發(fā)高功率型和高能量型鋰離子動(dòng)力蓄電池及蓄電池系統(tǒng)，開(kāi)展產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)、規(guī)模生產(chǎn)工藝、一致性控制與成本控制技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)動(dòng)力蓄電池系統(tǒng)的可靠性、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)考核。同時(shí)要研究鋰離子動(dòng)力蓄電池管理系統(tǒng)技術(shù)。例如SOC估算方法與動(dòng)態(tài)估算精度研究，故障診斷模式研究，管理模塊軟硬件開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)可靠性、電磁兼容性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)考核等。此外，研究鋰離子動(dòng)力蓄電池正負(fù)極材料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。主要包括：材料的安全性，材料摻雜改性和表面修飾技術(shù)，材料制備工藝技術(shù)，規(guī)模生產(chǎn)及成本控制技術(shù)研究。研究鋰離子動(dòng)力蓄電池隔膜產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)。主要包括：隔膜抗拉強(qiáng)度、耐氧化性能和質(zhì)量穩(wěn)定性的提升，隔膜制備工藝技術(shù)，規(guī)模生產(chǎn)及成本控制技術(shù)研究。略……

 

 

1、產(chǎn)品技術(shù)問(wèn)題

 

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池產(chǎn)品本身還有許多技術(shù)難題未能攻克。主要包括：蓄電量小，充電后續(xù)駛里程短，目前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池一次充電后行駛的最長(zhǎng)距離為380km左右；充電時(shí)間長(zhǎng)，一般充電時(shí)間需4~8h，使用極為不便；單位裝備質(zhì)量的電荷量太小，使電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)裝備質(zhì)量大，從而影響加速性能和最大車(chē)速的提高，無(wú)法與燃油汽車(chē)相抗衡；使用壽命短，普通電池充、放電次數(shù)僅300~400次，即使是性能較好的電池的充放電次數(shù)也不過(guò)700~900次，按每年充放電200次計(jì)算，一個(gè)動(dòng)力電池的壽命僅為4年，與燃油汽車(chē)的壽命相比太短。

 

2、產(chǎn)品價(jià)格問(wèn)題

 

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的價(jià)格水平居高不下，這也是導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池市場(chǎng)整體發(fā)展緩慢的重要原因之一。目前電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的成本占電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)成本的一大部分，而且后期維護(hù)也比較困難，綜合計(jì)算電池價(jià)格約100美元／kwh，有的高達(dá)350美元／kwh，成本太高，消費(fèi)者難以承受。略……

 

 

目前行業(yè)內(nèi)各家企業(yè)基本達(dá)成了共識(shí)，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池行業(yè)內(nèi)，整體產(chǎn)品體系的實(shí)用開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)和目標(biāo)可分為近期、中期和遠(yuǎn)期。近期以改進(jìn)型鉛酸和Cd-Ni電池為主，中期以MH-Ni電池和Na-S電池為主，遠(yuǎn)期以鋰離子電池和燃料電池為主。

 

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的研發(fā)還較少，生產(chǎn)技術(shù)還不成熟，沒(méi)有系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，生產(chǎn)設(shè)備和工藝的開(kāi)發(fā)也還處于初級(jí)階段。所以未來(lái)電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池行業(yè)的工作重點(diǎn)之一是將致力于進(jìn)一步提高應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的技術(shù)水平，以便盡快達(dá)到和超越世界領(lǐng)先水平。

 

 

由于新行業(yè)初建不久，只有為數(shù)不多的公司投資于這個(gè)新興的行業(yè)。由于初創(chuàng)期行業(yè)的創(chuàng)立投資和產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)費(fèi)用較高，而大眾對(duì)其尚缺乏了解，產(chǎn)品市場(chǎng)需求狹小，銷(xiāo)售收入較低，因此許多創(chuàng)業(yè)公司財(cái)務(wù)上可能會(huì)出現(xiàn)虧損。同時(shí)，較高的產(chǎn)品成本和價(jià)格與較小的市場(chǎng)需求還使行業(yè)內(nèi)的企業(yè)面臨很大的投資風(fēng)險(xiǎn)。

 

雖然投入風(fēng)險(xiǎn)較大，但是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池行業(yè)的前景還是比較樂(lè)觀(guān)的。電動(dòng)汽車(chē)安全、舒適、方便、技術(shù)成熟、零排放、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)符合國(guó)家政策，相對(duì)于燃料汽車(chē)具有優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化市場(chǎng)前景廣闊，與之配套的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池的市場(chǎng)前景也比較好。預(yù)計(jì)在行業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，隨著行業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高、生產(chǎn)成本的降低和市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池行業(yè)將在未來(lái)數(shù)年內(nèi)逐步由高風(fēng)險(xiǎn)、低收益的初創(chuàng)期轉(zhuǎn)向高風(fēng)險(xiǎn)、高收益的成長(zhǎng)期。略……