动力电池一般应用具有比能量高、比功率大、自

发布者:admin 发布时间:2019-10-31 10:46 浏览次数:

  锂离子电池具有比能量高、比功率大、使用寿命长、工作范围宽等特点,已经应用于纯电动气车、混合动力汽车和燃料电池汽车中。近十年来,在各国政府的支持与推动下,锂离子电池的技术迅速发展,其产业化也正在向前推进。目前,作为纯电动汽车独立驱动电源,锂电子电池的比能量还需要进一步提高;而作为混合动力汽车和燃料动力汽车辅助电源,锂离子电池在性能、寿命、安全性等方面气基本符合要求。

  20世纪70年代以来,由于石油资源和环境问题的凸现,所以致力于发展清洁能源技术,导致采用高比能二次电池如铅酸电池、镍氢电池作为动力能源的电动汽车受到了重视。根据动力系统的特点,电动汽车区分为纯电动汽车(EV)、混合动力汽车(HEV)和燃料电池汽车(FEV)三种类型。目前在国外纯电动汽车和混合动力汽车已经实现了商业化,其中混合电动汽车已经销售10万余辆;燃料电池汽车正在开展商业性示范运行,有望在未来5-10年内实现商业化。电动汽车将成为21世纪重要的交通工具。

  锂离子电池有比能量高、循环性能好和自放电低等特点,已经成为移动电话、笔记本电脑等便携式电子产品的主导电源,2003年全世界锂离子电池的产量超过了10亿支。1995年日本索尼公司首先研制出100Ah锂离子动力电源并在电动汽车上演示,展示了锂离子电池做为电动汽车用动力电池的性能特点,引起了广泛的关注。近十年来,在各国政府的支持与推动下,锂离子动力电池技术迅速发展,已经成为电动汽车用动力电池主要的发展方向,其产业化也正在向前推进。

  根据汽车的使用特点,动力电池一般应用具有比能量高、比功率大、自放电少、工作温度范围宽、使用寿命长和安全可靠的特点。按照电动汽车的分类,完成由电池驱动的纯电动汽车就采用容量大、比能量高的动力电池(高能型电池),而以电池为辅助能源的混合电动汽车和燃料电池汽车中应采用比功率高的动力电池(高功率型电池),例如美国USABC所制定的远期目标中纯电动汽车用动力电池比能量为200Wh/kg,而2002年启动的FreedomCAR& Vehicle Technologies 计划中混合电动汽车用动力电池比功率的目标为625W/kg。

  表1例出了锂离子动力电池的技术和性能现状,从表中可以看出,当前锂离子动力电池结构既有方形,也有圆柱形,此外还有采用软包装的聚合物类电池。电池正级一般采用尖晶石型LiMn2o4或镍基层壮氧化物,负极以石墨为主,电解液为含LiPF6的碳酸酯(EC、EMC等)有机溶液。LiMn2o4是一种较为廉价的正极材料,其安全性能优于小型锂离子电池常用的LiCoO2,已被多种型号的动力电池采用。Li(NiCo)O2容量高,但其安全性不如LiMn2O4,在动力电池中应用时常通过掺杂改性、限制使用电压(如不超过3.9V)等方式改善其安全性能。在负极材料方面,天然石墨成本低,常采用表面包覆的方法提高其综合性能。

  从表1可看出,不同电池体系比能量相差较大,以LiMn2O4为正极的电池体系的比能量低于以镍基层状氧化物为正极的电池体系。例如以LiMn2O4为正极90Ah电池的比能量为100Wh/kg,现时采用的Li (NiCo) O2 正极的 45Ah 电池的比能量达到130Wh/kg,但这一指标尚未能满足USABC所规定的目标,继续提高电池的比能量仍然时EV用高能电池的主要发展方向。高功率电池的功率普通高于高能型,如以LiMn2O4为正极3Ah锂离子电池比功率达到1200Wh/kg, 最近有报导4.6Ah锂离子动力电池比功率可达2500W/Kg,可以看出这一指标已超过了Freedom

  CAR计划所规定的目标。从表中还可能看出,适用于EV 的高比能电池容量能较高,一般大于40Ah,而在HEV、 FCV

  不同电池体系循环寿命不同。从表1可以看出,以Li (NiCo) O2为正极的锂离子动力电池寿命优于以LiMn2O4为正极的电池体系,这和正极材料的特性是一致的。从表中还可以看出,高功率型电池的寿命优于高能型电池,如以LiMn2O4为正极3Ah锂离子电池的寿命可达6~10年,而90Ah高能型电池只有2~5年。一般情况下,HEV和FEV只是在启动、加速等情况下短时间使用电池,电池只是在一定的充放电区间(一般为50%SOC附近)循环,而EV单纯采用电池驱动,电池的充放电循环区间大(0~80%SOC),不同使用条件是造成高能型和高功率型电池寿命区别的主要原因。根据汽车的使用要求,电池的寿命一般要求15年,从表1中可以看出,以Li(NiCo)O2为正极的高功率锂离子动力电池能够满足这一要求,而以LiMn2O4为正极的电池寿命还需进一步提高。

  锂离子动力电池的安全性一直是发展电动汽车所关注的问题,已经在电池设计、材料、电池保护措施等方面开展了大量的研究。从国内外有关报道看,容量为10Ah左右的动力电池能够通过充电、针刺、撞击等安全测试。例如法国SAFT公司开发的Li(NiCo)O2为正极的8Ah 、16Ah高功率型电池的在安全性测试中,安全阀开启有浓烟冒出,没有爆炸、起火等现象发生。比较目前两种主要电化学体系电池(表1),以LiMn2O4为正极的锂离子动力电池显示出了更好的安全性能。日本一家公司以LiMn2O4为正极、中间沥青碳为负极研制出了100Wh (25Ah)锂离子动力电池,安全性测试表现出较好的结果。

  总体而言,通过近几年的研究开发,锂离子动力电池技术取得了很大的进展。对于纯电动汽车而言,提高电池的比能量仍然是今后的主要方向;而对于混合电动汽车和燃料电池车开发的低容量、高功率型锂离子动力电池在性能、寿命、安全性方面等都能满足要求。值得一提的是,以LiMn2O4为正极的高功率型锂离子动力电池还具有较好的成本优势。

  在电池材料方面,围绕低成本方向,主要研究层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2和LiMn2o4等正极材料、容量和安全性更好的非碳负极材料、低成本隔膜材料等。层状LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2比容量高(LixCozNiyMn1-y-zO2 可达180~200mAh/g),安全性较好,已经开发出材料的制备工艺技术;LiFePO4成本低,比容量160mAh/g,主要研究方向是提高其动力学特征,满足动力电池中大电流充放电的要求。基于这两种正极材料,正在研制以LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2和LiMn2o4为正极、石墨为负极的新的电池体系,发展新的锂离子动力电池技术。在非碳负级材料方面,主要有过渡金属氧化物和金属合金材料,他们一般具有较高的比容量,但其循环性能和不可逆容量等技术指标还有待提高。目前锂离子动力电池主要采用聚丙烯或聚乙烯类薄膜作为隔膜材料,但由于制造成本居高不下,隔膜材料已成为制约锂离子动力电池成本的重要因素。美国Freedom CAR计划已将低成本隔膜的制造技术列为资助内容,其目标是使隔膜成本降至1美元/m2。据悉,美国Celgard公司等主要隔膜供应商参加了该项目的研究工作。

  在安全性、使用寿命等问题上,电池及相关材料热化学、电化学等方面的研究工作已广泛展开,但目前还没有形成统一的认识。动力电池的使用条件和使用环境随汽车行驶状况变化,目前尚没有形成针对不同动力电池类型或不同电动汽车类型用动力电池的技术规范和标准。动力电池性能的表征也是当前研究的重要内容,对于锂离子动力电池,其安全性能的表征和测试还有一定的特殊性。

  目前,国外已有不少公司研制、生产锂离子动力电池,如法国SAFT、日本日立、新神户电机、日本蓄电池公司(CJSB)、韩国LG、德国VARTA公司等。SAFT公司受美国PNGV、Free-dom CAR等计划支持,进行电动汽车用锂离子动力电池的研制。研制的动力电池主要采用LiNil-x-yCoxAlyO2位正级,人造石墨为负级。电池为圆柱形结构。产品包括高能HE、高功率HP以及能量、功率适中的MR三个系列。其中HE45Ah电池比能量达150Wh/kg,比功率达420W/kg;HP8Ah电池比能量75Wh/kg,比功率1350W/kg;MR27Ah电池比量130Wh/kg,比功率550W/kg。日本蓄电池公司主要开发方形锂离子动力电池,采用LiMn2O4正极,碳负级。其研制的40Ah高能电池比能量71Wh/kg,比功率在700W/kg以上;24Ah高功率电池比能量41Wh/kg,比功率已在1500W/kg以上。日本日立集团和新神户电机公司在日本政府的支持下共同开发锂离子动力电池,他们研制的电池采用LiMn2O4正极和碳负级,圆柱形结构。日立公司的高能型电池容量为90Ah比能量为93Wh/kg,比功率350W/kg;高功率型电池容量为3.6Ah,比功率达到2000W/kg。他们还开发了一种7Ah电池,已应用于Yamaha公司的电动滑行车,比能量74Wh/kg,输出功率1200W/kg。此外,韩国LG也在研制聚合物锂离子动力电池。

  国内研究电动汽车用锂离子动力电池的单位主要有北京有色金属研究总院、中科院物理所、天津十八所、北京星恒电源有限公司、潍坊青鸟华光电池公司、深圳雷天公司等。已研制出适合纯电动车、混合电动车和燃料电池车的高能型和高功率型锂离子动力电池,并初步形成了一定的产业规模。天津十八所主要研制高能型锂离子动力电池,先后成功开发35Ah、100Ah方形电池和55Ah圆柱形电池,其中55Ah电池已具备小批量生产的工艺条件,该电池比能量达到115Wh/kg。北京有色金属研究总院主要从事混合电动车用高功率锂离子动力电池的研究,已开发了40Ah、30Ah、25Ah圆柱形电池,比能量达90Wh/kg,比功率1000W/kg。中科院物理所、深圳雷天公司等主要研制适于燃料电池车的锂离子动力电池。北京星恒电源有限公司、潍坊青鸟华光电池公司、目前的主要产品是应用于电动自行车的8~12Ah锂离子动力电池。

  目前,我天一制的锂离子动力电池已接近或达到世界先进水平。表2是国内外研制的EV用高能电池性能的比较,其中编号1为我天一制的电池。从表中可以看出,我天一制的90Ah高能电池,比能量137Wh/kg,已达到了国外先进水平。表3列出了国内外3家单位研制的HEV用高功率型电池性能比较,其中国内单位(编号1)研制的高功率电池比能量、比功率等特性与国外产品接近。

  目前,世界上许多知名的汽车制造商都在致力于开发以采用锂离子动力电池为电源的电动汽车,如美国福特、克莱斯勒,日本日产、丰田、三菱,法国Courreges、Venturi,韩国现代等。据不完全统计,现在已开发了30多种轿车、客车、SUV、跑车等不同车型的纯电动车、混合电动车和燃料电池车。三菱、福特、日产、Venturi等多家公司都宣布其采用锂离子电池的电动汽车将在今、明年投放市场

  锂离子动力电池最早应用于纯电动汽车。Nissan公司的Altra纯电动汽车采用新神户电机生产的高能锂离子动力电池驱动,最高时速可达到50km/h。截至2000年,该车已在美国加州行驶超过220,000英里,没有发生重大事故。日本蓄电池公司生产的高能锂离子动力电池用于三菱公司的FTO纯电动汽车上,完成了24h行驶里程超过2000km的可靠性考核。日本Nissan公司的Tino是继丰田的Prius、本田的Insight后第三种投放市场的混合电动汽车。该车采用了新神户电机开发的3.6AH以LiMn2O4为正极的圆柱形锂离子动力电池,于2000年在日本限量销售。三菱公司将日本JSB生产的高功率电池应用于Aero-Nonstep混合动力城市客车。该车在2000年的东京车展上亮相,2002年6月在世界杯足球赛上试运行,然后一直在滨松市服务。截至2003年9月,该车已累计行驶50,000km。2004年2月三菱公司宣布将在日本正式销售该车,预期目标是每年50辆,这是日本首辆商业化的混合电动公共汽车。

  我国主要汽车厂家和研制单位也在积极开发锂离子动力电池电动汽车。北京理工大学在纯电动客车上采用锂离子电池,天津清源电动车辆公司开发了锂离子动力电池驱动的纯电动轿车;同济大学采用锂离子动力电池为辅助动力,研制了燃料电池轿车(超越系列),该车在2004年郑州必比登挑战赛上获得了好成绩;我国清华大学开发的燃料电池城市客车、一汽集团开发的混合动力城市客车均采用了锂离子动力电池。此外,深圳比亚迪公司也在国内推出了采用了锂离子动力电池的Hybrid-s、EF3以及ET三款电动汽车概念车。

  电动汽车是解决汽车交通所面临的能源和污染问题的有效途径。从电动汽车的发展历程看,聚集了政府、科研单位、企业和其他社会各方面的力量,其中政府的参与尤为重要。一方面,政府通过实施专项计划,联合不用的技术力量进行技术的研究与开发,推动电动汽车的技术进步;另一方面,制定相关政策,为电动汽车的产业化和商业化提供良好的环境。值得注意的是,在美国、日本、法国等汽车制造大国,政府所实施的专项计划都在大力推动锂离子动力电池的发展,如美国的FeedomCAR、日本的新阳光计划等都包括对锂离子动力电池技术的支持,SAFT、JSB、新神户电机等主要国外电池厂商都得到了资助。我国政府在“十五”“863”计划中设立了电动汽车重大专项,锂离子动力电池是该专项的重点研究内容。北京有色金属研究总院、中科院物理所、天津十八所等单位承担了相关课题的研究。通过该专项的实施,我国锂离子动力电池技术得到了极大的提高。

  制约 电动汽车发展的关键问题之一是电池的成本。纯电动汽车单纯以电池驱动,为满足汽车行驶里程的要求,必须采用较高容量的电池(如

  50Ah),而混合动力汽车和燃料电池车中电池为辅助能源,可以采用小容量的电池(如4Ah),满足启动、加速、能量回收等需求,电池成本相对较低。当前,混合动力轿车已实现大规模生产和使用,能够与传统汽车竞争市场,预计近几年内蒋迅速发展。从目前技术现状来看,以LiMn2O4为正极,石墨为负极的高功率锂离子动力电池成本较低,能够达到Freedom CAR计划中的成本目标,此类电池已被应用于日本三菱、日产等公司研制的混合动力汽车中,并正在实施产业化。为进一步降低成本,提高安全性,世界各国还在加大新材料和新技术开发的力度,致力于进一步提高锂离子动力电池的性能,推动其在电动汽车上的商业化应用。有预测表明,到2010年HEV用锂离子动力电池将达到1000万只。

  我国的能源缺口大,环境污染严重,发展清洁能源交通已经收到了广泛的重视,在“十五”“863”计划电动汽车重大专项的支持下,已经开发出采用锂离子动力电池的纯电动车、混合电动车和燃料电动车,为锂离子动力电池的应用奠定了技术基础。我国已经在北京,天津、武汉、威海等地建立了电动汽车示范基地。据悉“十一五”期间,国家将继续支持发展清洁能源交通,2008年北京举办的奥运会上计划投入1000辆以上的清洁汽车。电动汽车已成为我国未来汽车交通的重要方向,这为锂离子动力电池提供了广阔的市场前景。


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