电动车用大型蓄电池研究概况(项目报告)

目前全世界人口总数已达60亿，估计到2050年将突破100亿（主要来自于发展中国家），伴随人口的增加，粮食、能源以及环境污染等都将给社会带来巨大的压力。如能源问题之一的石油，据推测现有的储量仅能开采30～45年，若从人口的增长与产业发展的关系来推测，到2050年，全世界的汽车总量将达30亿台（目前的拥有总量为６亿台），随之而来的便是能源的消耗和环境的污染等问题。因此，率先在交通系统减少对石油的依赖，加速对新能源和无污染电动车的开发，已在世界各国相继提出。目前的 研究 结果表明，不管是对电动汽车或是电动助动车的开发，欲取得商业上的成功，就整体技术难度而言，最关键的仍是动力电源。

电动车（ＥＶ）用大型蓄电池现状概要

第一节 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池作为电动车电源，虽尚有许多不足，但由于其价格低廉，工艺成熟，特别是近年来密闭技术已日趋完善，所以铅酸蓄电池在动力电源中仍占有一席之地。

一、电池的免维护及密封化

1992年3月国际铅酸蓄电池开发联合体制定了电动车用铅酸蓄电池的发展目标，为了达到上述目标，首先就电池的免维护及密封技术，从以下几个方面做了较多的研讨：

①改进电池结构使在正极产生的O2能顺利向负极移动与H2结合，减缓内压的上升。

②选用氢过电位高的板栅，减少H2的折出。

③对安全阀进行改进，严防空气中的O2进入。

④电解质、载体及隔膜的选择，让电解质与电极界面有良好接触，&127；有利电化学反应的发生。

（一）板栅合金的改进

目前所开发的密闭、免维护EV用铅酸蓄电池的循环寿命都不及开口式的好。因为，为达密闭化的要求，电池的板栅多是采用了无Sb系列铅钙合金，由于其拉伸强度、&127；硬度等机械性能都较铅锑合金差了许多。特别是在阳极板极化时，容易形成不均匀的晶间腐蚀，致使电池的容量和循环寿命都受到较大影响。（见图1）性能的改进工作，主要是集中在合金的组成，钙含量等两个方面，有 研究 报道说，在电池中填充SiO2可以有效地控制晶间腐蚀。

此外，通过在正极活性物质中加入各种添加剂，改善正极特性的 研究 也有新的进展，特别是在正极中加入导电性功能高分子材料，可有效控制充电电压上升的 研究 ，非常有意义。

（二）负极的改进

对于负极的 研究 ，主要是集中在筛选添加剂，改善负极配方。常用的负极添加剂为木素，它的加入可使负极活性物质的微观结构得以改善，增大电极的真实表面积，但是木素在高温下易分解，溶于电解液中，使功效衰减，以致电动车在加速，爬坡等大电流放电时的特性下降。解决的方法多为优选添加剂，增加木素的用量，或是对木素改性。在负极活性物质中，碳黑的加入对充电接受能力的改良是有效的，均匀分布于活性物质中的碳微粒，可构成充电时电流通道网络，促进PbSO4向Pb还原。

（三）电池的装配技术

对于阀控式铅酸电池，极板的装配松紧度，是影响其性能的一个重要因素。极板、电解质溶液及载体间只有有效接触，减小电化学反应阻抗，才能有较好的电化学特性。目前所用的电解质溶液载体多为玻璃纤维棉，当酸注入后，由于面表张力的作用，玻璃纤维棉的空隙收缩，松紧度下降，电池内阻增大，进而会影响电池的性能，图3所示系电池在灌酸前后电池的松紧度变化。

二、电池的管理

欲提高阀控密封铅酸蓄电池的寿命特性，除需对上述技术要素进行改进外，电池的使用管理也是一个很重的环节。通常有两点：即电池的充电法和电池的温升控制，在可能的条件下，若能把电池的温升降到最低，会有利于电池的寿命提高，若有适当的冷却系统，大电流快速充电，电池的寿命可大幅度提高（见图4）。

三、电池的标准化与性能评价

为了EV的普及,电池的标准化和完整的电池评价体系都是必不可少的。下表所示系美国和日本电动车协会所制定的技术标准。

EV用铅酸蓄电池的技术条件

第二节 电动车用Ni-MH电池

一、电动车用Ni-MH电池的基本要求

Ni-MH电池的电极反应为：

正极：Ni（OH）2+OH-=NiOOH+H20+e-

负极：M+H2O+e=MHab+OH-Ni（OH）2+M=NiOOH+MHab

为了实现电池的密封化，防止内压上升，通常负极的容量都做得比正极大些，这样正极产生的氧迁移到负极，发生如下反应：

MHX+O2=MHX-4+H2O

该反应能否顺利进行，在储氢合金的固气界面上，下式那样的有效吸附是很重要的。MHx+H2=MHx+2作为电动车用电池，电池的容量一般为50-120Ah，总电压200-300V。通常是由多个单元电池组组成。以下的几点要求是必须满足的。

1）高的比能量（一次充电可行使的距离长）

2）高的比功率，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力好）

3）循环寿命长。

4）安全可靠，免维护。

5）与环境友好，可再生。

二、EV用Ni-MH电池基本技术

（一）电池组

据标准化的要求，目前开发的EV用Ni-MH电池组多设计为12V/100Ah。为了电池的散热和温度能均匀分布，单体电池间应均匀设置空气通道。从安全的角度考虑，电池外壳以塑壳较好。装车使用时，用24个串联，电压可达288V，约30Kwh。

（二）镍正极

为达装车要求，电池不但要有较宽的温度范围，稳定的放电容量，以及容量大的特性外，运行中的可靠性和占用空间的大小等也都是非常重要的问题，一般说来，Ni正极的氧过电位随温度的上升而下降，所以当行使中温度上升达45℃左右时，电池除正常的反应外，还将有副反应发生：因而造成了充电效率下降，放电容量减少。为了防止氧过电位下降，常用的方法是在正极中添加CdO等。对Ni-MH电池来说，不含Cd是其一重要特点，所以通常不再加Cd，另外对于EV用的大型电池，充电时发热量较大，散热较慢，温升较快，如不加以改善，电流效率下降较大。近年来的 研究 表明Ca（OH）2、、CaS2、、CaF2、、Y2O3和CoO等的加入对Ni正极活性物质利用率有较大影响（如图5）。另外用表面修饰技术对球形氢氧化镍进行表面改性的 研究 ，也已得到了广泛应用。

（三）储氢合金负极

基于EV用镍氢电池的负极面积较大，电流分布均一性较差，容易发生合金的腐蚀及贮氢合金粉末脱落，造成寿命和容量的降低，目前常用的改善方法主要有两点：1，对合金粉进行改性和表面修饰，2，选择合适的添加剂和粘合剂。

三、电动车用Ni-MH电池的特性

（一）充电特性

基于一般民间用电的考虑，EV用Ni-MH电池充电电流，一般在10-30A，充电后，电池的内压在0.15Mpa，图8为松下电池公司生产的MHB-100电动车电池的充电曲线，由图可知，EV用Ni-MH电池，若选择了恰当的充电制式，各电池的温升和内压是可以控制的。

（二）放电特性及循环寿命

12V/100AhEV用Ni-MH电池的放电特性如图9所示，在20A取电时，比能量可达70Wh/Kg，在100A放电时，也可能放出相对20A放电时容量的95%，此时温可达70Wh/Kg，在100A放电时，也可能放出相对20A放电时容量的95%，此时温度上升约15℃。据500次循环时电池放出的容量和内压情况看，估计电池的寿命可达1000次循环，由此推测，可实际行使15万KM。

第三节 锂离子二次电池

对锂离子电池，被普遍认为具有如下的优点。①比能量大；②比功率高；③自放电小；④无记忆效应；⑤循环特性好；⑥可快速放电，且效率高；⑦工作温度范围宽；⑧无环境污染等，因此有望进入21世纪最好的动力电源行列。

一、电池结构

EV用电池的形状，从装车时的体积效率考虑应采用角形较好，但角形与圆柱形相比，耐压性较差，特别是在高温下，由于内腔体积的膨胀、溶剂的分解等都可使电池内压上升，造成壳体开裂，为增加耐压性，必须增加壳体的厚度或采用适当的加强措施，这样一来又导致重量比能量的下降。从耐压和安全性来考虑，还是采用圆形较好，表4为索尼公司开发的EV用电池数据。该电池的重量比能量约是Ni-MH电池的1.4倍，电池组的体积比能量仅为单体电池的60%，即由单体电池到电池组，电池的体积比能量将有较大下降，这也是圆筒形电池存在的问题。

EV用单体电池和电池组的规格

为在不同放电倍率下的放电特性，在1C、2C放电时，仍可得到相对于C/3倍率放电时的95%，和88%的负荷特性。当放电深度增大时，电池的内阻增大。随温度上升，电池的比功率上升。

EV用锂离子二次电池用标准充电电流（IC）充电2.5小时，上限电压达4.15V/单体电池之后，恒压充电，此时充电电流将随时间衰减，整个过程电池的表面温度约上升2℃。该电池的寿命，估计可达1000次循环，充电一次，实测可行走200KM，若取平均值180KM（按初始容量的90%计），由此推测可行使18万Km。



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