21世纪电动车用电池开展趋势
1.前语
电动车一般包含电动汽车、混合动力源电动车、电动摩托车、电动自行车及全部电动代步的休闲车等。现在全国际汽车厂家纷繁开发并推行运用电动车,电动车的蓬勃开展及远大远景,促进了电池技能的开展,国际各大汽车公司纷繁投巨资并采纳结盟的方法研讨各品种型的电池。
2.铅酸电池(第一代电池)终即将退出
铅酸电池的运用前史最长,也是最老练,本钱价格最低价的电池。当时存在的首要问题是一次充电的行程短,一般约在30-40km;便是快速充电也要4-6h,且质量能只需30Wh/kg。为此人们一向探究着怎么改善铅酸电池的功用,开发能量功率更高、安稳性更好,电荷容量更大的新电池。这儿讲的电池都是指可通过相应手法使电池能康复功用的电池,即可充电的各种二次电池,可加注燃料的燃料电池,以及可通过替换锌片的锌空气二次电池等。
在改善铅酸电池功用方面,人们现在已在广泛运用免维护电池。免维护电池给人们带来了运用的便利性。为使运用铅酸电池更牢靠,人们开发了胶体电池。胶体电池也是铅酸电池领域的二次电池。它仍然用密度为1.28g/cm3的硫酸水溶液,但在其间添加了Na2OSiO2,电解液呈胶体状–乳白色的凝胶,构成了胶体电解质。胶体的情况会跟着温度和电场的效果而改变。当电池放电时,胶体的凝聚性会更显着;温度下降,胶体内部溶液分散搬迁及传导性变差,内电阻添加。在温度升到30℃以上,外施单格电压超越2.6V,要发作充电气泡;充电时刻过长,温度过高,特别是单格电压超越2.7V,胶体常常会发作水解,放出很多H2和O2,并伴有硫酸和水外溢,胶体变成了液态。如及时中止充电,下降温度,去掉外电压,胶体还可从头康复。它的功用、价格与铅酸电池差不多,仅仅因为胶体电解质具有不易渗漏性,能确保电源运用的牢靠性。即便电池壳体发作了裂纹也可持续运用,不会发作对车辆的腐蚀效果。因而其可适用于路途情况差(乡下土路)和用电负荷改变大的车辆,如在中西部区域的山区、半山区、村庄运用车辆的电池,军用车辆的起动用电池,以及因为环保要求,约束酸腐蚀的特种车辆等用的电池。因为电解质中有Na2SO4存在,在极板硫化进程中,会一起发作硫酸铅、硫酸锅结晶,然后防止了极板生成粗大的硫酸铅结晶体,使极板不易硫化,简单再次充电活化;不易损失极板的多孔性;还能防止正极板上生出尖利的硫酸铅突起,防止隔板被刺穿构成极板间短路。从寿数讲,胶体电池是现在泛用铅酸电池的4倍以上,在50℃-30℃仍能很好作业,且作业功用适当安稳,可谓是比铅酸电池功用有了大幅度进步。估量此电池还能比一般铅酸电池能多存在一段时刻,但此电池究竟是铅酸电池。跟着人们对环保要求的深化,含铅的重金属产品将会在2004年跟着国际禁铅运动的深化而逐步被筛选。虽然胶体电池有许多长处,但终归也要退出前史舞台。
3.第二代电池具有较好的开展势头
3.1镍氢电池将会有一席之地
镍氢电池是现在人们看好的第二代电池之一,是一替代镍镉电池的产品,当然也是替代铅酸电池的产品。
镍氢电池的出产进程中,存在着烧结体技能和发泡体技能两种。一般的出产厂家都阅历了一个从发泡体向烧结体技能开展的进程。以烧结体技能对镍氢电池正板进行处理,电池的内电阻会大幅度削减,具有放电电压安稳和能进行大电流放电的特性。
烧结体镍氢电池还具有电池不易老化,不需要预充电,以及低温放电特性比较好等长处。经烧结处理的正极,其镍化合物粒子会转化成活性的镍化合物,能确保电池有平衡的输出电压,且具长时刻的功用安稳性、长寿数和电池不老化。以发泡镍技能出产的电池在放置一段时刻后,要有20%左右的电荷量丢失。将这样的电池装车会发现与装新电池的距离很大,也阐明其老化现象非常显着。为防止发泡镍电池的老化所构成的内阻增高,发泡镍电池在出厂时必须得进行预充电,且要提示用户,运用此种电池的放电电压不能低于0.9V(单元体电池),给用户的运用带来了极大的不便利。除此外,发泡镍电池的作业电压极不安稳,不能进行长时刻寄存和流转。这也给出售和用户构成了很大担负。
烧结体镍电池因为镍极自身便是活性体,无需进行任何活性处理,不用进行预充电,能长时刻的放置和流转,然后为电池的运用供给了便利条件。烧结镍电池相同具有镍电池的低电阻和大电流,还具有发泡体镍电池所无法到达的低温作业特性。因而可以说,存在着重金属镉污染的镍镉电池究竟要被镍氢电池所替代。而镍氢电池中的烧结体技能镍氢电池将以其优异的功用替代发泡体技能镍氢电池,发泡镍氢电池在电池开展史大将仅是稍纵即逝的产品罢了。镍氢电池现在正得到广泛运用,但因为其存在着高温运用电荷量急剧下降等缺陷,其也并非是一抱负电池,也有或许仅仅一个过渡性的二次电池。
3.2镍锌电池或许是电动车的抱负动力源
新式密封镍锌电池具有高质量能、高质量功率和大电流放电的优势。这种优势使得镍锌电池可以满意电动车辆在一次充电行程、爬坡和加快等方面对能量的需求。镍锌电池是美国国家动力研讨公司(ERC)开发和出产的产品,厦门电池总厂已与其协作引进了此产品。镍锌电池是一极具竞争力的电池。其质量能与镍氢电池适当,体积能量已超越镍镉电池,小于镍氢电池。大电流放电,电池的电压将在广大的规模是平衡的,且具很长的运用寿数。下面以12V·30Ah密封镍锌电池为例,介绍一下镍锌电池功用。如以C/3放电,电池电荷容量≥30Ah,以C/3大电流接连放电≥22.5Ah;以C/3放电,质量能≥50Wh/kg,体积能≥90Wh/L;瞬间质量功率≥150W/kg(20%荷电情况,5C放电30s),体积功率≥250W/L(20%荷电情况,5C放电30s);瞬间再生质量功率≥80W/kg(80%荷电情况,2C放电10s),体积功率≥150W/L(80%荷电情况,2C放电10s);充电时刻运≤3.5h,快速充电≤1h(40%荷电情况,20A充电或80%荷电情况,7A充电);循环寿数≥500次(C/3放电,80%放电深度)或C/3≥450次(C/3放电,100放电深度)。特别值得一提的是自放电抗电荷量衰减性非常好,在室温下放置一个月,自放电量不到30%额外电荷量。在50℃高温,以C/3放电,电池电荷量衰减≤10%额外电荷量,而在-15℃,C/3放电≤30%。此电池与铅酸电池外廓上具有很好的兼容性。12V·30Ah电池的长×宽×高=325mm×94mm×163mm,质量8kg,体积4.98L。12V·10Ah电池的长×宽×高=152mm×98mm×99mm,质量2.7kg,体积1.47L。凡现在运用铅酸电池的车辆,均可换用镍锌电池。从现在的价格看,镍锌还显稍贵些,但信任待其运用量上去后,价格自然会降下来,由此可以说,镍锌电池有或许成为电动车的抱负动力电源。
3.3锂电池远景达观
1990年今后,因为日本开发成功镍氢电池得到了人们的高度重视,运用量急速添加。但自1994年日本新力电池公司推出锂离子电池后,人们又开端认同锂电池,一些镍氢电池企业纷繁转宣布产锂电池。一时刻人们所热崇的镍氢电池似有被萧瑟的意思。
锂电池可分为锂离子电池和锂分子(高聚合物)电池两种。锂电池具有体积小,质量能和质量功率高、电压高、高安全性(固态)、环保性好和无污染性等长处。锂电池的能量密度(体积能和质量能)简直是镍镉电池的1.5-3倍,也便是说在相同巨细能量的情况下,锂电池的体积和质量可减小1/2左右。单元电池的均匀电压为3.6V,适当于3个镍镉或镍氢电池串接起来的电压值。能削减电池组合体的数量,然后因单元电池电压差所构成的电池毛病的概率可削减许多,也便是说大大延长了电池组合体的寿数。
相关于镍镉电池和镍氢电池,充电时不用先进行放电(因锂电池无记忆性),给运用带来了极大的便利性,一起也节约了电能。锂电池还具有自放电低的长处在非运用情况下贮存,内部简直不发作化学反响,适当安稳。锂电池的自放电率仅为5%-10%。因为锂电池不含有镉、汞和铅等重金属,因而可以说是一绿色的环保电池。
因为锂离子(分子)电池的负极选用的是硬石墨电极,从端子电压的测定就能清楚知道电池所剩的电荷量,具有检测精度高级实践运用上的长处。据报道,现一般的锂离子电池质量能为100Wh/kg,质量功率高达1500W/kg,是镍氢等电池无法与之比较的。这也是人们所以看中锂电池的底子地点。
但是,在开发锂电池进程中,也是阅历了一些技能进步和不断完善的进程。
首要,锂电池处于过充电情况时,钴系锂电池要将正极资料氧化锂钻分解成强还原剂氧化钴,要使锂在极板上构成树枝状的针尖状物质。此树枝状针尖状物质极易刺穿正极板间厚度仅数微米的阻隔膜而构成短路。构成强还原剂和强氧化剂发作化学反响,然后急剧释放出很多能量,引起电池爆破和引发火灾。为此人们将钴系改成锰系,有用处理了上述问题。
其次是挑选特别的阻隔膜资料,使之能在过充电电池温度上升到必定温度时熔融,起到维护效果。
第三是加装安全阀,防止高温环境下电解液汽化,以防止压力升高构成意外。人们在处理了这个难题后,现锂电池安全性也就可有了确保。
为进一步增进锂电池的安全性,人们在实践运用锂电池时往往还要加装钮电池维护电路模块(PCM)。它由IC和MOSFET开关等首要元件组成,具有过充电(小于4.25-4.35V)维护和过放电(大于2.75-2.8V)维护,以及过电流维护功用。
此外,在PCM上还可加PTC或NTC等温度传感器进一步监控充电时的温度是否正常。还可加上ID码辨认电池品种,以确认合适的充电方法,或加上显现灯,给予显现电池剩下电荷量。
总归,锂电池已日臻完善,在电动车上它大有替代铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池之势,它将跟着电动车的遍及开展而生长强大。在环保日渐人心,在为子孙后代节约化石动力的责任感下,电动车定会得到大开展,锂电池也将呈亮丽的开展之势,它将与燃料电池一起成为21世纪电动车的首要电池。
4.燃料电池及其技能开展情况
燃料电池是人们尽力开发的一种电池。各公司都在致力于开发甲醇改质氢燃料电池、汽油改质氢和纯氢燃料电池,且将其装车进行着实验,有或许在2004年比较老练和具有有用含义的燃料电池车将投放市场。特别是燃料电池的过渡型车型–燃料电池混用锂离子电池的电动车,如三菱的MFCV是极有成功期望的车。三菱已设定了2005年到达有用化。
常用的燃料电池较多,这儿首要谈两种。
4.1MK900燃料电池组
现在加拿大巴拉德(Ballard)动力系统公司又推出了功率最大的MK900燃料电池组,并已着手进行批量出产上市。
MK900的体积只需现产品MK700的一半,一般的车辆只用一个燃料电池组即可,其功率为75kW,质量比用MK700削减30%;其体积功率为1.3kW/L。MK900型燃料电池能在-25℃的低温下能正常作业。MK900燃料电池选用甲醇改质供氢。它将替代当今国际一些燃料电池车所装用MK700,如Necar4、P2000、本田FCX和日本FCV等车。从现在看,MK900大有席卷燃料电池车用燃料电池之势,但是它究竟仍是甲醇改质氢燃料电池领域。从燃料供给、出产和运用本钱上看价格还显高一些,运用起来还很不便利。
美国宾西法尼亚大学已开宣布甲烧等碳氢化合物燃料的新式燃料电池,其本钱大大低于以氢为燃料的燃料电池。该燃料电池的最大特点是甲烷气体与氧直接反响发作电能,其功率高,安全性好,便于贮存运送,本钱低价。
产品开发进程中,也试用过其它碳氢化合物,但因为其化学反响后很简单在镍正电极上发作积碳等集聚物,故被抛弃。在改用铜和陶瓷混合物制作的正极后,有用处理了一些燃料的积碳等集聚物问题,一起也最终才确认了甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等5种气体燃料为最佳燃料。
现在此燃料电池的能量转化功率还比较低。但其作业原理已有了很大开展,已从燃料电池只能由氢和氧结合生成电和水,开展到了运用甲烷等气体与氧化合生成电和水。此电池经改善后,还可直接运用汽油和柴油。据此,此燃料电池的开展,极具实践运用含义。此作业原理燃料电池开发成功,并经不断完善后,极有或许成为燃料电池的干流,从而替代出产本钱和运用本钱都很高的氢燃料电池。
4.2锌空气电池
锌空气电池亦称锌氧电池,是金属空气电池的一种。锌空气电池现在的质量能已到达了230Wh/kg,简直是铅酸电池的8倍。也便是在相同质量的情况下,电动车”充”一次电的行程是铅酸电池的8倍。依据核算,锌空气电池质量能的理论值是1350Wh/kg,可见锌空气电池的开展空间非常大。
锌空气电池只能采纳抽换锌电极的方法进行”机械式充电”。替换电极的时刻在3min即可完结。换上新的锌电极,”充电”即告完毕。它是一种有别于运用市电充电的惯例二次电池的新式二次电池。”充电”时刻极短,非常便利。可随车携带一些锌电极,为运用带来了极大便利。如此种电池得到开展,省去了充电站等社会保障设备的兴修。锌电极可在超市、电池运营点、汽配商铺等购买,对遍及此电池电动车非常有利。
锌空气电池是以活性物质锌作为正极,以空气中的氧作为负极的电池。在原理上等同于锌–固体燃料在焚烧,从此含义上了解也可称其为燃料电池。负极活性物质氧直接来源于空气,不受电池体积巨细的影响,电池的体积只取决于正极资料的巨细。因而其体积能和功率适当高。
空气是无形的,不能直接构成电板,需运用多孔的石墨作为负极。空气中的氧要溶解到电解液中,随后为石墨吸附。正极锌与吸附的氧发作电化学反响,发作电流。锌不间断进行氧化,不间断释放出电流。只需有锌和空气,就能进行锌氧化”焚烧”。从理论上讲石墨电极不损耗,只参予作业,因而可不用替换。锌要随所供给电能的添加而削减,直至耗尽。此刻要换装新的锌电极。从正电板看,锌空气电池是一个完好的电池,而关于负极来说,其充其量仅仅个能量转化器,但锌空气电池确确实实是二次电池。现在实验电池的电荷容量仅是铅酸电池的5倍,不甚抱负。但5倍于铅酸电池的电荷量已引起了世人的重视,美国、墨西哥、新加坡及一些欧洲国家都已在邮政车、公共汽车、摩托车上进行试用。
锌空气电池于1993年始于德国,通过几年的尽力现已根本老练,且也可工业化出产。美国的锌空气电池选用的锌粉,合作液体氢氧化钾使锌粉在空气中进行氧化生成电能。这种电池具有体积小,电荷容量大,质量小,能在广大的温度规模内正常作业,且无腐蚀,作业安全牢靠,本钱低价等长处,也许是一极有出路的电动车用电池。