1.2.2　电动汽车动力电池的发展趋势

由于各自性能、材料、成本等存在显著差异，因此不同类型动力电池的使用前景不同。目前技术最成熟的是镍氢动力电池，但商业化最成功的是锂动力电池，燃料电池则被广泛视作远期目标。

1.2.2.1　铅酸动力电池（第一代动力电池）终将退出

铅酸动力电池的应用历史最长，也是最成熟、成本售价最低廉的动力电池。当前存在的主要问题是一次充电的行程短，一般为30～40km；就是快速充电也要4～6h，且质量能量只有30W·h/kg。为此人们一直探索着如何改进铅酸动力电池的性能，开发能量效率更高、稳定性更好、电荷容量更大的新动力电池。

目前，阀控式密封铅酸动力电池得到广泛使用，为使阀控式密封铅酸动力电池更可靠，人们开发了胶体阀控式密封铅酸动力电池。胶体阀控式密封铅酸动力电池属于阀控式密封铅酸动力电池范畴。它依然用密度为1.28g/cm³的硫酸水溶液，但在其中添加了Na₂SiO₂，电解液呈胶体状（乳白色的凝胶）。

胶体的状况会随着温度和电场的作用而变化，当胶体阀控式密封铅酸动力电池放电时，胶体的凝聚性会更明显；温度降低，胶体内部溶液扩散迁移及传导性变差，内电阻增加。在温度升到30℃以上，外施单格电压超过2.6V，要产生充电气泡；充电时间过长，温度过高，特别是单格电压超过2.7V，胶体常常会发生水解，放出大量H₂和O₂，并伴有硫酸和水外溢，胶体变成了液态。如及时停止充电，下降温度，去掉外电压，胶体还可重新恢复。它的性能、价格与普通铅酸动力电池差不多，只是由于胶体电解质具有不易渗漏性，能保证电源使用的可靠性。

由于胶体阀控式密封铅酸动力电池的电解质中有Na₂SO₄存在，在极板硫化过程中，会同时产生硫酸铅、硫酸钠结晶，从而防止了极板生成粗大的硫酸铅结晶体，使极板不易硫化，容易再次充电活化；不易丧失极板的多孔性；还能防止正极板上生出尖锐突起的硫酸铅晶体，避免隔板被刺穿形成极板间短路。从寿命讲，胶体阀控式密封铅酸动力电池是现在普通铅酸动力电池的4倍以上，在30～50℃仍能很好地工作，且工作性能相当稳定，比普通铅酸动力电池性能有了大幅度提高。

1.2.2.2　第二代动力电池具有较好的发展前景

（1）镍氢动力电池将会有一席之地　镍氢动力电池由氢氧化镍阳极和由钒、锰、镍等金属构成的多成分合金阴极组成，相对铅酸动力电池，镍氢动力电池在体积能量密度方面提高了3倍，在比功率方面提高了10倍。其独特的优势包括更高的运行电压、比能量和比功率，较好的过度充放电耐受性和热性能。

镍氢动力电池是目前人们看好的第二代动力电池之一，是取代镉镍动力电池的产品，当然也是取代铅酸动力电池的产品。在镍氢动力电池的生产过程中，有烧结体和发泡体两种技术。一般的生产厂家都经历了一个从发泡体技术向烧结体技术发展的过程。采用烧结体技术对镍氢动力电池正板进行处理，镍氢动力电池的内电阻会大幅度减少，具有放电电压稳定和能进行大电流放电的特性。

采用发泡体技术生产的镍氢动力电池在放置一段时间后，要有20%左右的电荷量流失。为避免发泡体镍氢动力电池的内阻增高，发泡体镍氢动力电池在出厂时必须进行预充电，发泡体镍氢动力电池在放电时其放电电压不能低于0.9V（单元体镍氢动力电池），这给应用带来了极大的不方便。除此之外，发泡体镍氢动力电池的工作电压极不稳定，不能进行长时间存放和流通，这也给销售和用户造成了很大负担。

烧结体镍氢动力电池具有不易老化、低温放电特性比较好等优点。经烧结处理的镍氢动力电池的正极，其镍化合物粒子会转换成活性的镍化合物，能确保动力电池有平衡的输出电压，且具有长时间的性能稳定性、长寿命和不易老化。

烧结体镍氢动力电池由于镍极本身就是活性体，无须进行任何活性处理，不用进行预充电，能长时间地搁置和流通，从而为动力电池的使用、存储提供了方便条件。烧结体镍氢动力电池同样具备镍氢动力电池的低电阻和大电流特性，还具有发泡体镍氢动力电池所无法达到的低温工作特性，为此，烧结体技术将以其优异的性能取代发泡体技术。

镍氢动力电池广泛应用受限的原因是：镍氢动力电池存在着高温使用时电荷量急剧下降、低温时容量减小和高温时充电耐受性的限制等缺点。此外，价格也是制约镍氢动力电池发展的主要因素，原材料如金属镍非常昂贵，镍氢动力电池用于电动汽车已表现出局限性。

镍氢动力电池虽然比铅酸动力电池储存更多的能量，但过放电会造成永久性损伤，荷电状态必须被限制在一个较小的范围内，导致镍氢动力电池储存的大部分能量并没有被实际使用。另外，能否准确测量镍氢动力电池的荷电状态直接影响其使用寿命及充放电效率。

目前，对于镍氢动力电池的研究是要解决在常温和低温的条件下，镍氢动力电池比功率严重下降的问题。镍氢动力电池存在的问题可以通过使用合适的添加剂、导电黏结剂和优化动力电池设计等方式予以解决，镍氢动力电池并非是电动汽车的理想动力电池，其可能只是一个过渡性的动力电池。镍氢动力电池仍是近期和中期电动汽车使用的首选动力电池。

镍氢动力电池虽然具有较高的比能量和比功率等优点，但由于需要大量使用镍和钴导致成本较高，镍和钴的稀缺性会导致其大批生产和使用时价格反而会上涨。目前，镍氢动力电池仍然大量地应用于混合动力车，随着锂动力电池的大规模生产和成本的降低，镍氢动力电池终将退出。

（2）镍锌动力电池可能是电动汽车的理想动力源　新型密封镍锌动力电池具有高质量能量、高质量功率和大电流放电等优势，这种优势使得镍锌动力电池能够满足电动汽车在一次充电行程、爬坡和加速等方面对能量的需求。镍锌动力电池是极具竞争力的动力电池，其质量能量与镍氢动力电池相当，体积能量已超过镍镉动力电池，小于镍氢动力电池。大电流放电时，镍锌动力电池的电压在宽广的范围内是平衡的，且具有很长的使用寿命。

镍锌动力电池的自放电抗电荷量衰减性十分好，在室温下搁置一个月，自放电量不到30%额定电荷量。在50℃高温，以C/3放电，镍锌动力电池电荷量衰减≤10%额定电荷量，而在-15℃，C/3放电≤30%。镍锌动力电池与铅酸动力电池在外形上具有很好的兼容性。12V/30A·h镍锌动力电池的长×宽×高为325mm×94mm×163mm，质量为8kg，体积为4.98L。12V/10A·h镍锌动力电池的长×宽×高为152mm×98mm×99mm，质量为2.7kg，体积为1.47L。从现在的价格看，镍锌动力电池还显稍高些，但就其性能价格比而言，镍锌动力电池有可能成为电动汽车的理想动力电源。

（3）锂动力电池前景乐观　自1990年以后，由于日本成功开发的镍氢动力电池得到了人们的高度重视，应用量急速增加。但自1994年日本新力动力电池公司推出锂动力电池后，人们又开始认同锂动力电池，一些镍氢动力电池企业纷纷转产生产锂动力电池，一时间人们所热崇的镍氢动力电池似有被冷落的意思。

锂动力电池具有体积小、质量能量和质量功率高、电压高、高安全性（固态）、无污染、环保性好等优点。锂动力电池的能量密度（体积和质量）几乎是镍镉动力电池的1.5～3倍，也就是说在同样大小能量的情况下，锂动力电池的体积和质量可减小1/2左右。锂动力电池单体的平均电压为3.6V，相当于3个镍镉或镍氢动力电池串接起来的电压值，能减少动力电池组中动力电池单体池的数量，从而因动力电池单体电压差所造成的动力电池故障的概率可减少许多，也就是说大大延长了动力电池组的寿命。

相对于镍镉动力电池和镍氢动力电池，锂动力电池在充电时不用先进行放电（因锂动力电池无记忆性），给使用带来了极大的方便性，同时也节省了电能。锂动力电池还具备自放电低的优点，在非使用状态下储存，内部几乎不发生化学反应，相当稳定。锂动力电池的自放电率仅为5%～10%。由于锂动力电池不含有镉、汞和铅等重金属，因此可以说是绿色环保动力电池。

由于锂动力电池的负极采用的是硬石墨电极，从端子电压的测定就能清楚知道锂动力电池所剩的电荷量，具有检测精度高等实际应用上的优点。一般的锂动力电池质量能为100W·h/kg，质量功率高达1500W/kg，是镍氢等动力电池无法相比的。

然而，在开发锂动力电池过程中，也是经历了一些技术进步和不断完善的过程。首先，锂动力电池处于过充电状态时，钴系锂动力电池要将正极材料氧化锂钴分解成强还原剂氧化钴，要使锂在极板上形成树枝状的针尖状物质，此针尖状物质极易刺穿正极板间厚度仅数微米的隔离膜而造成短路，造成强还原剂和强氧化剂发生化学反应，从而急剧释放出大量能量，引起锂动力电池爆炸和引发火灾。为此人们将钴系改成锰系，有效解决了上述问题。

在选择特殊的隔离膜材料上，应使其能在过充的锂电动力电池的温度上升到一定温度时熔融，起到保护作用。在结构设计上应加装安全阀，防止高温环境下电解液气化，以避免压力升高造成意外。人们在解决了这个难题后，锂动力电池的安全性也可得以保证。

为进一步增加锂动力电池的安全性，人们在实际应用锂动力电池时往往还要加装动力电池保护电路模块（PCM）。它由IC和MOSFET等主要元件组成，具有过充电保护（小于4.25～4.35V）、过放电保护（大于2.75～2.8V）以及过电流保护功能。

此外，在PCM上也可加PTC或NTC等温度传感器，进一步监控充电时锂动力电池的温度是否正常；还可加上ID码识别动力电池种类，以确定适合的充电方式；或加上显示灯，显示动力电池剩余电荷量。锂动力电池的充电过程是一个复杂的电化学变化过程，其复杂性表现如下。

①多变量影响充电的因素很多，诸如极板、电介质的浓度、极板活性物的状态、充电环境温度等，都对锂动力电池所能承受的最大充电电流有直接的影响。

②充电电流在充电过程中随充电时间呈指数规律下降，不可能只用简单恒流或恒压控制充电全过程。

③即使是同一类型同一容量的锂动力电池，随着各自使用时放电的历史状态不一样，剩余电量的不一样，充电接受能力也有很大的不同。

作为给电动汽车提供动力的锂动力电池组，由于使用环境的复杂性，其充放电过程也更为复杂，尤其是过充电和过放电会对动力电池的结构造成不可恢复的破坏，极大地影响其健康程度和性能。锂动力电池技术与传统的动力电池技术相比有很大的性能优势，但对监测系统也有更高的要求。如果控制不当的话，不仅对锂动力电池的结构会造成破坏，还会发生危险。在负极过充电时，会产生金属锂沉淀：Li⁺+eLi（s），这种情况容易发生在正极活性物质相对于负极活性物质过量的情况下。但是，在高充电率的情况下，即使正负极活性物质的比例正常，也可能发生金属锂的沉积，金属锂的形成会从以下几个方面造成锂动力电池容量的下降。

①可循环锂量减少。

②沉积的金属锂与溶剂或支持电解质反应形成Li₂CO₃、LiF或其他产生物。

③金属锂往往在负极与隔膜间形成，可能阻塞隔膜的空隙，造成锂动力电池内阻的增大。当正极活性物质相对于负极活性物质比例过低时，容易发生正极过充电。正极过充电会形成惰性物质，造成氧损失，从而导致锂动力电池容量的衰减。而过放电更会造成极板晶格的破坏，如果过充电将导致“反极”，会发生危险。

为了能给电动汽车的驱动电动机提供比较高的电压，一般都采用几十个动力电池单体串联的方式来提供电能。串联使用的复杂性及锂动力电池之间的不一致性，都对动力电池管理系统提出了更高的要求。锂动力电池放电电流同其他动力电池相比，放电率偏小，比功率较小。好的锂动力电池长期可1C放电，脉冲为2C，需要考虑增大动力电池的容量来满足电动汽车的要求。

总之，锂动力电池已日益趋于完善，在电动汽车上大有取代铅酸动力电池、镉镍动力电池、镍氢动力电池之势，它将随着电动汽车的普及发展而成长壮大，它将与燃料电池一并成为21世纪电动汽车的主要动力电池。

1.2.2.3　燃料电池技术及其发展状况

燃料电池是人们努力开发的一种电动汽车车载电池，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，且装车进行试验，比较成熟和具有实用意义的燃料电池车已投放市场。特别是燃料电池的过渡型车型，即燃料电池混用锂动力电池的电动汽车。

（1）氢燃料电池　氢燃料电池是使用氢这种化学元素制造成储存能量的燃料电池，氢燃料电池工作示意如图1-6所示。氢燃料电池的基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后放出电子，通过外部的负载到达阴极。氢燃料电池的特性如下。

①良好的环境相容性。氢燃料电池提供的是高效洁净能源，其排放的水不仅量少，而且非常干净，因而不存在水污染问题。

②优良的负载特性。氢燃料电池应对负载的快速变动（如高峰负载）特性优良，在数秒内就可以从低功率变换到额定功率。

③高效的输出性能。燃料电池不像发动机那样需要将热能转换为机械能，而是直接把化学能转化为电能和热能，能量转换效率高，噪声小。转换电能的效率在40%以上，而汽轮机的转换电能效率只有33%。

④灵活的结构特性。氢燃料电池组装非常灵活，功率大小容易调配，与传统发动机相比，由于氢燃料电池良好的模块性，可以在不增加基础设施投资的基础上，通过增减燃料电池的片数即可轻松实现输出功率和电压的调整。

⑤氢的来源广泛。氢作为二次能源，可通过多种方式获得，如煤制氢、天然气重整制氢、电解水制氢等。在化石能源被耗尽时，氢将成为世界上的主要燃料及能量。而在采用太阳能电解水制氢过程中没有碳排放，可以认为氢是终极能源。

（2）MK900燃料电池组　由加拿大巴拉德（Ballard）动力系统公司推出的功率最大的MK900燃料电池组已批量生产，MK900燃料电池组的体积只有MK700燃料电池组的一半，一般的车辆只用一个燃料电池组即可，其功率为75kW，质量比MK700减少30%，其体积功率为1.3kW/L。MK900型燃料电池组在-25℃的低温下能正常工作。MK900燃料电池组采用甲醇改质供氢。它将取代当今世界一些燃料电池汽车所用的MK700燃料电池组，如Necar4、P2000、本田FCX和日本FCV等车。MK900燃料电池组毕竟还是甲醇改质氢燃料电池范畴，从燃料供应、生产和使用成本上看价格还显高一些，使用起来还很不方便。

美国宾夕法尼亚大学已开发出以甲烷等碳氢化合物为燃料的新型燃料电池，其成本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以甲烷气体与氧直接反应产生电能，其效率高，安全性好，便于储存运输，成本低廉。

在以甲烷气体为燃料的产品开发过程中，也试用过其他碳氢化合物，但由于其化学反应后很容易在镍正电极上产生积炭等集聚物，故被放弃。在改用铜和陶瓷混合物制造的正极后，有效解决了一些燃料的积炭等集聚物问题，同时也确定了甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷5种气体燃料为最佳燃料。

目前以此类燃料生产的燃料电池的能量转换效率还比较低，但其工作原理已有了很大发展，已从燃料电池只能由氢和氧结合生成电和水，发展到了利用甲烷等气体与氧化合生成电和水。此类燃料电池经改进后，还可直接使用汽油和柴油。此类燃料电池的发展，极具实际使用意义。此类工作原理的燃料电池开发成功，并经不断完善后，极有可能成为燃料电池的主流，进而取代生产成本和使用成本都很高的氢燃料电池。

从全球来看，燃料电池汽车还处于实现商业化的推进阶段，需要解决来自寿命、成本与氢源的三大挑战。由于美国UTC公司车用燃料电池运行7000h的标志性成果，使人们看到了燃料电池在汽车上商业化应用的曙光，寿命问题有希望在现有材料的基础上通过系统优化与控制策略的改进得以解决。材料的创新与改进是取得燃料电池长寿命的根本性变革，但需要相对长时间的努力。氢源是燃料电池应用相关的另一个热点问题，近期重点研究化石能源廉价制氢技术或工业副产氢利用技术；远期需要发展可再生能源或核能制氢技术，使之与可持续发展的低碳经济接轨。

氢燃料电池虽然已经有应用，但由于液氢的体积能量密度（2.6kW/L）相对于汽油（6kW/L）较低，需要更大的燃料缸，制氢的成本偏高，动力电池膜等材料昂贵，因此氢燃料电池的推广应用还需要时间。燃料电池的特点决定了它具有广阔的应用前景。但燃料电池在电动汽车上的商业应用前景是远期的，在短期内，燃料电池汽车在价格上难以与其他汽车相竞争。

目前燃料电池研究与开发集中在4个方面：电解质膜、电极、燃料、系统结构。日本、美国、欧洲各厂家都在开发面向便携电子设备的燃料电池，尤其重视前三个方面的材料研究与开发。第4方面的研究课题是燃料电池的系统结构，前3个方面是构成燃料电池的必要准备，而系统结构是燃料电池的最终结果。燃料电池，特别是固体氧化物燃料电池的开发研究以及商业化，是解决世界节能和环保的重要手段，受到了世界诸多国家的普遍重视。尽管目前固体氧化物燃料在应用中还存在一些问题，如电极材料、制造成本、工作温度过高等，但加快固体氧化物燃料电池技术的创新和研发是世界能源发展的总趋势。

1.2.2.4　锌空电池技术及其发展状况

锌空电池于1993年在德国研制成功，经过几年的发展现已基本成熟，且也可工业化生产。美国生产的锌空电池采用锌粉配合液体氢氧化钾使锌粉在空气中进行氧化产生电能，这种锌空电池具有体积小，电荷容量大，重量轻，能在宽广的温度范围内正常工作，且无腐蚀性，工作安全可靠，成本低廉等优点。锌空电池也许是一种极有前途的电动汽车用电池，主要有以下几种类型。

（1）中性锌空电池　采用氯化铵与氯化锌为电解质，炭包内为活性炭，并在盖上或周围留有通气孔，在使用时打开。

（2）低功率、大荷电量锌空湿电池　将烧结或粘接式活性炭电极和板状锌电极组合成电极组，再浸入盛有氢氧化钠溶液的容器中。

（3）高功率锌空电池　一般是将薄片状粘接式活性炭电极装在锌空电池外壁上，将锌粉电极装在锌空电池中间，两者之间用吸液的隔膜隔离，上口装有注液塞，使用时注入氢氧化钾溶液。

低功率、大荷电量锌空湿电池和高功率锌空电池属于临时激活型，活性炭电极能反复使用，因而锌空电池在耗尽电荷量以后，只要更换锌电极和碱液，就可重复使用。

锌空电池是一种机械更换、采用离车充电方式的高能电池，正极为锌，负极为炭（吸收空气中的氧气用），电解液为KOH。锌空电池具有高比能量（200W·h/kg）、免维护、耐恶劣工作环境、清洁安全可靠等优点，但是其具有比功率较小（90W/kg）、不能存储汽车再生制动时产生的能量、寿命较短、不能输出大电流及难以充电等缺点。一般为了弥补其不足，使用锌空电池的电动汽车还会装有其他动力电池（如镍氢动力电池）以帮助启动和加速。

锌空电池是以空气中的氧气为正极活性物质，金属锌为负极活性物质的一种新型化学电源。首先，负极活性物质同锌锰动力电池、铅酸动力电池等一样封装在电池内部，具有动力电池的特点；其次，正极活性物质来自电池外部的空气中所含的氧，理论上有无限容量，是燃料电池的典型特征。锌空电池的内部结构如图1-7所示，锌空电池壳体上的孔可让空气中的氧进入腔体，附着在阳极的炭上。同时，阴极的锌被氧化，这与小型银氧或汞氧电池的化学反应类似。

锌空电池阳极起催化作用的炭从空气中吸收氧，阴极是锌粉和电解液的混合物，呈糊状，电解液是高浓度的KOH水溶液，隔离层用于隔离两极间固体粉粒的移动，绝缘和密封衬垫是尼龙材料，锌空电池外表面为镍金属外壳，具有良好的防腐性的导体。锌空电池工作原理如下。

阴极：Zn+2OH^-ZnO+H₂O+2e

阳极：O₂+2H₂O+4e4OH^-

总反应：2Zn+O₂2ZnO

通常这种反应产生的电压是1.4V，但放电电流和放电深度可引起电压变化。空气必须能不间断地进入到阳极，在正极壳体上开有小孔以便氧气源源不断地进入才能使锌空电池发生化学反应。

锌空电池亦称锌氧电池，是金属空气电池的一种。锌空电池现在的质量能已达到230W·h/kg，几乎是铅酸动力电池的8倍。也就是在相同质量的情况下，锌空电池电动汽车“充”一次电的行程是铅酸动力电池电动汽车的8倍。根据计算，锌空电池质量能量的理论值是1350W·h/kg，可见锌空电池的发展空间非常大。

锌空电池以其比容大、污染小而著称于世，锌空电池只能采取更换锌电极的办法进行“机械式充电”，更换电极的时间在3min内即可完成。换上新的锌电极，“充电”即告结束。更换一次锌板，电动汽车可以行驶160～220km。它是一种有别于利用市电充电的常规动力电池的新型电池。“充电”时间极短，非常方便。可随车携带一些锌电极，为使用带来了极大方便。如果锌空电池得到发展，可省去充电站等社会保障设施的兴建。锌电极可在超市、锌空电池经营点、汽配商店等购买，对普及锌空电池电动汽车十分有利。

锌空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-固体燃料在燃烧，从此意义上理解也可称其为燃料电池。负极活性物质氧直接来源于空气，不受锌空电池体积大小的影响，锌空电池的体积只取决于正极材料的大小。因此其体积能量和功率比相当高。锌空电池具有以下优势。

①比能量大。锌空电池的比能量是铅酸动力电池的4～6倍，比锂动力电池比能量都大1倍，以其作为动力的电动汽车最大行程可达400km，而以同等质量的铅酸动力电池装同样的车，一般行程则不大于100km。

②制造工艺简单，成本低廉。大批量生产成本为300～500元/（kV·A·h），比铅酸动力电池的成本还低。

③安全可靠。即使外部遇到明火、短路、穿刺、撞击等情况，都不会发生燃烧、爆炸。

④环保。锌空电池的正极采用活性炭、铜网，负极采用金属锌，没有使用有毒害的物质。

⑤可再生利用。锌电极使用完后，可通过再生还原再次使用。另外，锌电极也可以采用机械充电方式，即将用完后的锌电极从锌空电池中取出，放入特制的槽中充电。锌空气电极可以重复使用多次，还可以制成直接充电的锌空电池，简称二次锌空电池。湖南丰日电源电气股份有限公司曾研制出的二次锌空电池，充电循环寿命达100次以上。

⑥由于锌空电池的充电主要是更换极板，所以极板的再生可以集中进行。极板的分发可以像商店那样布点，不必建立专用的充电站。这不但可以节约大量先期投资，而且给用户带来很多方便。

锌空电池的缺点如下。

①使用成本相对高，充电过程相对复杂。因为锌空电池通常都是机械充电方式，要求将锌电极取出在专用充电槽中充电，只有专业人员才能进行操作，给使用带来了麻烦，同时也提高了人工费用，造成实际运行成本的附加值较高。

②实际使用寿命短，通常为1～2年，这主要不是因为锌空电池的电化学性能差，而是锌空电池的结构带来的影响。如锌空电池的外壳由塑料包覆空气电极而成，不是完整的塑料槽，因此给锌空电池的密封带来了困难，不少锌空电池在使用一定时间后就出现漏液现象。另外，锌空气电极必须制成多孔状，多孔的电极可以吸附氧气，但同时也吸附部分二氧化碳，使电解液碳酸盐化，致使锌空电池的效率大大下降。

③批量生产加工工艺不够成熟，这主要是催化膜和防水透气膜的制造大多需要半机械操作，存在一些手工因素，导致电极性能有差异。

目前为止，已经商业化的锌空电池主要有方形和纽扣形两种，而具有巨大市场需求量的圆柱形特别是小圆柱形的锌空电池则由于其结构复杂，在国内外一直没有突破性发展，尚未得到大量生产化。

一直以来圆柱形锌空电池没有得到广泛发展的主要原因之一是锌空电池密封难的问题，锌空电池放电时需要源源不断的来自空气中的氧气进入锌空电池，所以锌空电池不能完全密封，锌空电池外壳留有一个或多个空气孔，因此锌空电池内部与外部是相通的。如果空气电极，特别是防水透气膜做得不好的话，锌空电池就很容易发生爬碱漏液、电解液蒸发而干涸，或者由于吸潮而使电解液变稀，外界的CO₂也会进入锌空电池内部而使电解液碳酸盐化。这都会严重影响到锌空电池的性能和质量。

空气是无形的，不能直接构成电极，需利用多孔的石墨作为负极。空气中的氧要溶解到电解液中，随后被石墨吸附。正极锌与吸附的氧产生电化学反应，产生电流。锌不间断进行氧化，不间断释放出电流。只要有锌和空气，就能进行锌氧化“燃烧”。从理论上讲石墨电极是不损耗的，只参与工作，因此可不必更换。锌随所提供电能的增加而减少，直至耗尽，此时要换装新的锌电极。

目前，锌空电池的空气电极中的催化剂仍有待改进，因为锌电极在碱性溶液中是不稳定的，锌溶解自放电析出氢气。另外由于锌电极含有杂质，而且锌电极表面往往是不均匀的，各点的电化学活性有较大差别，各区域因电位高低不同而形成无数的微锌空电池，使锌在锌空电池中发生腐蚀。现在试验的锌空电池的电荷容量仅是铅酸动力电池的5倍，不甚理想。但5倍于铅酸动力电池的电荷量已引起了世人的关注，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。

锌空电池的潜在比能量在200W·h/kg左右，美国DEMI公司为电动汽车开发的锌空电池的比能量已达160W·h/kg左右。美国的CRX电动汽车安装的就是锌空电池，该车为弥补锌空电池的不足，还装有镍镉动力电池以帮助汽车启动和加速，CRX电动汽车上安装的锌空电池组质量为340kg，可存储45kW·h的能量，同时在CRX电动汽车上安装重达159kg的镍镉动力电池，充足电后有4kW·h的能量。充电12min可使CRX电动汽车行驶65km，充电1h则可行驶160km。

1.2.2.5　太阳能电池

将太阳能电池装在汽车上，太阳能电池采集阳光产生电能，再将电能转换为机械能驱动汽车行驶。采用太阳能电池驱动汽车有三种方式：直接驱动式、间接驱动式和混合驱动式。太阳能汽车主要由车身、太阳能电池板、电力系统、驱动系统、动力电池、机械系统、底盘等部分组成。太阳能汽车的车身为了安装太阳能电池，其造型与普通汽车有较大的区别，其表面积也往往大于普通汽车的表面积。

太阳光由于受到天气、季节、时间等不可抗因素影响，导致太阳能具有地域性、季节性和时域性等特点。同时太阳光的不稳定性、分散性以及太阳能电池能量密度小、转化效率低、成本高等因素，导致太阳能电池在汽车上还不能广泛使用。当前的太阳能汽车普遍采用质轻价贵的航空、航天材料，造价十分高昂。太阳能电池价格比较高，所以太阳能汽车的价格也比较高。以目前的材料应用和技术能力，太阳能转换率一般只能达到20%左右，太阳能汽车功率普遍较小、续航里程短、承重能力低。如果太阳能汽车完全由太阳能电池产生的电能驱动，太阳能电池的面积会很大（7～8m²），这也是限制太阳能电池在汽车上应用的一个外在因素。

国外太阳能电池最早于1978年用在汽车上，当时的太阳能汽车时速仅为13km/h。之后世界很多国家对太阳能汽车进行了研究，但主要侧重于赛车领域。目前，太阳能汽车连续驾驶里程最大为200km。太阳能在汽车上的应用技术主要集中在两个方面：一是作为驱动力；二是用作汽车辅助设备的能源。

（1）作为驱动力　一般采用太阳能电池板产生电能，再将电能转换为机械能驱动汽车运行。按照应用太阳能的程度又可分为如下两种形式。

①太阳能作为第一驱动力驱动汽车，目前主要是用在太阳能赛车和短距离蓄电池车上。

②太阳能和其他能量混合驱动汽车，相当于混合动力汽车，既可以减轻动力电池的重量，也可以适当降低环境污染。

（2）作为汽车辅助设备的能源　由于太阳辐射到地面的功率至多为1kW/m²，因此目前的光电转换效率小于30%。普通汽车的功率一般在几十千瓦左右，因此全部用太阳能电池驱动普通汽车，目前的技术还难以达到。但在普通汽车上用太阳能作为辅助动力，或者给汽车上的各种辅助设备提供电能，如利用太阳能电池为汽车的空调、风扇和车内照明设备提供能源等。

随着环境污染、全球变暖以及化石能源的逐渐枯竭，完全无污染的太阳能将会引起更多企业的研发和重视。很多国家的汽车企业和光电企业已加大了对汽车和太阳能电池的研发投入，并取得了很大进展，主要表现在以下方面。

（1）提高汽车设计技术　汽车行业的整体趋势是向更安全、更高效、更节能的方向发展。随着材料技术、工艺技术、设计理念、设计方法的进步，有关汽车车身、底盘、机械系统、驱动系统、动力电池、控制系统等将得到进一步的提高，届时汽车的重量将更轻、性能更优，从而减少对电能的需求。

（2）提高太阳能电池的转换效率　目前，太阳能电池的最大光电转换效率已经有了比较大的提升。如澳大利亚企业用激光技术制成的太阳能电池，其光电转换率达24.2%，日本企业已研制出光电转换率达30%的太阳能电池，美国企业已研制成功光电转换率达35%的高性能太阳能电池。

太阳能电池自诞生以来，已经在航空、航天、建筑、照明等行业获得了广泛应用。虽然太阳能电池在汽车上作为辅助能源或辅助动力已经获得应用，但由于太阳能电池存在能量密度小、转化效率低、成本高等因素，很大程度地限制了太阳能电池在汽车上的应用。在社会需求、政府的引导和技术进步等各方面共同作用下，太阳能电池将获得更好的发展，而太阳能电池在汽车上的应用也将更加广泛。

1.2.2.6　超级电容

超级电容是近几十年来国内外发展起来的一种介于常规电容器与化学动力电池两者之间的新型储能元件。超级电容存储和放电期间不发生化学反应，因此被归为物理动力电池的范畴。超级电容具备传统电容那样的放电功率，也具备化学动力电池储备电荷的能力。超级电容具有超级储电能力，是可提供强大脉动功率的物理二次电源。超级电容的功率密度高达300～500W/kg，是普通动力电池的5～10倍。超级电容与常规电容不同，其容量可达数万法。超级电容作为一种新型的储能元件已经引起人们的关注，并进行了广泛的研究。

超级电容是一种电化学电容，兼具了动力电池和传统物理电容的优点，超级电容往往和其他动力电池联合应用作为电动汽车的动力电源，可以满足电动汽车对功率的要求而不降低动力电池的性能。超级电容的使用将减少汽车对动力电池大电流放电的要求，达到减小动力电池体积和延长动力电池寿命的目的。根据电极材料的不同，超级电容可分为碳类超级电容（双电层电化学电容）和金属氧化物超级电容两类。

一对浸在电解质溶液中的固体电极在外加电场的作用下，在电极表面与电解质接触的界面电荷会重新分布、排列。作为补偿，带正电的正电极吸引电解液中的负离子，带负电的负极吸引电解液中的正离子，从而在电极表面形成紧密的双电层，由此产生的电容称为双电层电容。双电层电容的储能原理是：由于正负离子在固体电极与电解液之间的表面上分别吸附，造成两固体电极之间的电势差，从而实现能量的存储。双电层超级电容工作原理如图1-8所示。双电层由相距为原子尺寸的微小距离的两个相反电荷层构成，这两个相对的电荷层就像平板电容器的两个平板一样，能量以电荷的形式存储在电极材料的界面。

双电层超级电容在充电时，电子通过外加电源从正极流向负极，同时，正负离子在固体电极上电荷引力的作用下从溶液中分离并分别移动聚集到两个固体电极的表面，形成双电层；充电结束后，电极上的正负电荷与溶液中的相反电荷离子相吸引而使双电层稳定，在正负极间产生相对稳定的电位差。

双电层超级电容在放电时，电子通过负载从负极流到正极，在外电路中产生电流，正负离子从电极表面被释放进入溶液中呈电中性。这种储能原理允许大电流快速充放电，其容量大小随所选电极材料的有效比表面积的增大而增大，双电层的厚度取决于电解液的浓度和离子大小。超级电容具有许多化学动力电池无法比拟的优点，如下所示。

①循环寿命长。超级电容在充放电过程中发生的电化学反应具有很好的可逆性，充放电过程损耗极小，因此在理论上其循环寿命为无穷，其充电循环次数可达50万次（传统化学动力电池只有几百至几千次），循环寿命要比化学动力电池高出很多（高10～100倍）。

②良好的功率密度。超级电容在充放电时的功率密度极高（为充电动力电池的10～100倍），瞬间可放出大量电能，可满足电动汽车更加宽泛的电力需求。超级电容最适合用于要求能量持续时间为10^-2～10²s的情况。

③能量利用率高。超级电容充放电的能量利用率比动力电池充放电的能量利用率要高得多，输出相同能量时，超级电容产生的热量远小于动力电池产生的热量。

④充电速度快。超级电容采用大电流充电时，能在几十秒到数分钟内完成充电过程，而动力电池则需要数小时才能完成充电，即使采用快速充电，也需几十分钟。

⑤可承受大电流。超级电容可以在大电流（10～1000A）下充放电，同时自身调节能力强，对过充电或过放电有一定的承受能力，在短时间过压的情况下一般不会对装置产生严重影响，可稳定地反复充放电。

⑥低阻抗。由于超级电容等效串联电阻值很低，从而可以输出大电流，也可以快速吸收大电流，而这对具有很高内阻的动力电池来说是不可能的。

⑦使用温度范围宽。工作环境适应能力更佳，通常室外温度在-40～65℃时，其都能稳定正常工作（传统动力电池一般为-20～60℃）。低温性能较好，超级电容充放电过程中发生的电荷转移大部分都在电极活性物质表面进行，所以容量随温度衰减非常小，而锂动力电池在低温下容量衰减幅度甚至高达70%。

⑧极高的充放电倍率。超级电容具备较高的功率密度，可在短时间内放出几百到几千安培的电流，充电速度快，可在几十秒到几分钟内完成充电过程。超级电容公交车和有轨电车就是利用此特性在短时间内完成充电，驱动车辆行驶的。

超级电容应用的瓶颈之一就是能量密度太低，仅为锂动力电池的1/20左右，约10W·h/kg，因此不能作为电动汽车主电源，大多作为辅助电源，主要用于快速启动装置和制动能量回收装置。另外，采用超级电容作为辅助电源的电动汽车，可以具有非常高的能量回收率，汽车在行驶过程中至少有30%的能量因热量散发和制动而消耗掉，特别对于短途行驶的城市公交车，经常遇到红绿灯和立交桥上下坡，这样不仅造成能源浪费，而且增加环境污染。而超级电容正好可以满足在电动汽车制动或减速的时候启动制动能量回馈模式运行，回收原来白白浪费掉的能量。而且在电动汽车启动的时候启用超级电容动力，减小主电源的消耗，不仅减少了环境污染，而且也使电动汽车可行驶的里程数加长。

超级电容虽然在应用中有着明显的优势，但依然存在着一些问题。与动力电池相比，其能量密度偏低，寻找新的电极活性材料，提高超级电容器的能量密度成为根本也是难点所在。另外就是超级电容的一致性检测问题，超级电容的额定电压很低，在应用中需要大量串联。由于应用中需要大电流充放电，而过充则对超级电容的寿命有严重的影响，因此，串联中的各个超级电容单体上电压是否一致是至关重要的。如果能在超级电容分组组装前进行一致性检测，将充放电性能最接近的超级电容单体分成一组，这将能够在很大程度上解决超级电容组的均压问题。基于超级电容的纯电动汽车可以分为三类。

①以超级电容作为唯一电源的纯电动汽车。

②以超级电容和其他储能动力电池一起作为动力电源为纯电动汽车提供动力。

③以超级电容和其他燃油汽车作为混合动力的汽车。

单纯用超级电容来驱动的电动汽车具有结构简单、实用且成本低等特点，而且实现了车辆尾气的零排放。根据超级电容的特点，以超级电容为唯一能源的电动汽车适合用在短距离、线路固定的区域。例如火车站和飞机场的牵引车上；煤矿的采煤车、运输车上；学校和幼儿园的送餐车上；公园的游览车上；城市的电动公交车上。目前上海11路和26路公交车就是采用超级电容驱动的，已经取得了很好的运行效果。使用超级电容为能源的电动汽车，一次充电行驶里程可达20km，充电时间12～15min，在此领域将会有广阔的应用前景；而且超级电容器的低温特性优于动力电池，尤其在北方气候寒冷地区是一个好的选择。

就目前的技术来看，采用超级电容的电动汽车还不能广泛应用，根据超级电容本身的特点，超级电容更加适用于复合动力汽车和混合电动汽车技术中。复合动力汽车是靠内燃机和电动机两种方式共同提供驱动力的，在汽车正常行驶和制动的时候给超级电容充电，汽车爬坡和加速需要功率大时让超级电容放电。由于普通汽车在正常行驶的时候，功率仅为最大功率的1/4，在复合动力汽车中加入超级电容恰好可以解决这个问题，这样复合动力汽车在设计的时候就可以不用按照汽车的最大功率来进行设计，可以避免在正常行驶的过程中出现“大马拉小车”的现象，大幅度提高汽车的性能。

超级电容储能技术的发展日新月异，随着这项技术的不断发展和造价的降低，超级电容储能技术将扩展到生活的各个领域。可以预见，不久的将来，在电动汽车中动力电池储能技术将占有举足轻重的作用，而且由于超级电容储能技术的加入，电动汽车的普及将大大加快。

目前，Zapgo有限公司正式与株洲立方新能源科技有限责任公司（以下简称立方新能源）签订了合作协议，确定将共同开发“Carbon-Ion”石墨烯超级电容。石墨烯于2004年问世，是目前已知的最薄、强度最大、导电导热性能最好的一种新型纳米材料，直径是头发丝的20万分之一，强度是钢的200倍，被称为“黑金”“新材料之王”。有学者曾说：“19世纪是铁器的时代，20世纪是硅的时代，21世纪是碳的时代。”而石墨烯就是碳的代表材料。

此次Zapgo有限公司与立方新能源合作让全球新能源产业链的相关人士看到了新的曙光和新的未来，因为石墨烯具有优质的特性：坚固耐磨损、良好的导热性与导电性（充电速度会更快）、耐高温性、耐低温性。据悉，石墨烯能在-30～80℃的环境下自由工作，一旦“石墨烯超级电容”真正问世，必将全盘颠覆新能源格局。

但同时也有两个问题摆在眼前：首先是石墨烯成本高、可量产性低，石墨烯堪比黄金的价格，就算真的全部做成电极材料，其高昂的价格普通人也承担不起；其次就是是否能够提供成批稳定性的产品，量产满足行业需求。只要这两大问题解决了，新能源行业必将颠覆世人的想象。

1.2.2.7　新动力电池技术

一个领域最前沿的技术将引领一个行业未来的发展方向，而制约新能源汽车市场发展的重要瓶颈正是电动汽车的续航里程及安全问题，作为核心动力的动力电池也就显得尤为重要。目前传统的锂动力电池已不能满足需求，新能源车企、动力电池企业及科研界都在积极投入，研发新型动力电池技术。

目前看来磷酸铁锂、锰酸锂一类的锂动力电池仍有改进的空间，但潜力有限。各国研究机构都针对电动汽车需求加紧新动力电池的研究工作。KOLIBRI电池技术由德国DBM Energy公司研发，是一种锂聚合物电池。实际应用中动力电池组的容量高达100kW·h，质量约为300kg（比能量约为340W·h/kg），可提供55kW的功率。动力电池高性能的基础是先进的膜技术（Alpha Polymer Technology，阿尔法聚合物技术），它提高了锂动力电池的稳定性和效率；结构上单体组件呈片状，降低了高电流的发热量，使效率高达97%。

具有应用前景的还有锂硫动力电池，其由单质硫、金属锂和有机电解液组成，具有比能量高、成本低、环境友好等特点。目前已有锂硫动力电池产品面世，如由美国Sion Power公司生产的锂硫动力电池的比能量可达350W·h/kg。一种正在实验室研发中的固态锂空电池，具有较好的热稳定性和较广的工作温度范围（30～105℃），且比能量非常高，在实际使用中可以达到1000W·h/kg。内燃机和化学动力电池之间的性能差距难以完全通过新动力电池技术来解决，还需其他方法辅助，如燃料电池，这些可能完全改变现有电动汽车动力电池储能系统。

（1）石墨烯动力电池　石墨烯是目前已知最薄、最坚硬的纳米材料，具有电阻率极低、电子迁移速度极快的特点。石墨烯动力电池，就是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性开发出的一种新型动力电池。

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，同时也是世界上电阻率最小的材料。作为目前新型纳米材料，石墨烯的概念自2004年问世以来一直备受关注。

以动力电池领域为例，石墨烯是具有良好应用前景的锂动力电池正负极材料。同时，石墨烯聚合材料动力电池的重量仅为传统动力电池50%，成本将比锂动力电池低77%。从性能来看，石墨烯锂动力电池充电一次，耗时也不超过10min。由于其独有的特性，石墨烯被称为“神奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。

对于未来新能源汽车的动力电池讨论，最可靠、讨论最多的要数石墨烯动力电池，将一些专业角度的解读“翻译”一下就是：用这种材料结合锂动力电池有两种使用方法，一是用石墨烯的复合材料作为锂动力电池的导电剂；二是直接用作负极，效果都是增加锂动力电池的活性，从而提升电动汽车的续航里程和充电速度。

未来快充石墨烯动力电池实现产业化后，将带来动力电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。新型石墨烯动力电池实验阶段的成功，无疑将成为动力电池产业的一个新的发展点。动力电池技术是电动汽车大力推广和发展的最大门槛，而动力电池产业正处于铅酸动力电池和传统锂动力电池发展均遇瓶颈的阶段，石墨烯电池研制成功后，若能批量生产，则将为动力电池产业乃至电动汽车产业带来新的变革。

由于石墨烯拥有超乎想象的导电能力，因此石墨烯动力电池可以有效解决锂动力电池的短板，产品特质与新能源汽车用户使用直接挂钩。西班牙Graphenano公司（世界上第一家以工业规模生产石墨烯的公司）与西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料动力电池，其储电量是市场最好动力电池产品的3倍，用此动力电池提供电力的电动汽车最多能行驶1000km，而其充电时间不到8min。虽然此动力电池具有各种优良的性能，但其成本并不高。Graphenano公司相关负责人称，此动力电池的成本将比锂动力电池低77%，完全在消费者承受范围之内。此外，在汽车燃料电池等领域，石墨烯还有望带来革命性进步。

目前常见的三元材料锂动力电池能量密度为180～200mA·h/g，而石墨烯聚合材料动力电池的能量密度则可以超过600mA·h/g。也就是说，如果将特斯拉P85上的动力电池替换为同等重量的石墨烯动力电池，其续航里程将达到约1500km，是原来的3倍。除了能量密度高外，石墨烯动力电池的充电速度也要比锂动力电池快很多，可以有效解决充电时间长的问题。石墨烯动力电池的寿命可以达到锂动力电池的2倍。采用石墨烯动力电池将能够有效降低电动汽车的成本，进而提升市场竞争力。

（2）固态锂动力电池技术　从理论的提出时间来看，固态动力电池并不是一个新的概念，但多年来，研发上的进展并没有想象的那么快速。固态动力电池不一定完全是固态电解质，还有一点液态，是液态与固态混合的。固态锂动力电池的电解质是固态，但在电芯中有少量的液态电解质。半固态就是固态电解质、液态电解质各占一半，或者说电芯的一半是固态的、一半是液态的。准固态就是主要为固态，少量是液态。简单地说，固态动力电池是一种外观上貌似固态，但实质上采用固液混合电解质的动力电池。

在固态离子学中，固态动力电池是一种使用固体电极和固体电解液的动力电池。由于固态动力电池的功率质量比较高，使用固态动力电池，电量可以提升超过30%，所以对电动汽车来说，固态动力电池是一种很理想的动力电池。另外，固态动力电池还有安全性更高的特点，由于固态动力电池属于非易燃品，在碰撞过程中不易起火和爆炸，对电动汽车而言，是极佳的车载动力电池。此外，它还有使用寿命更长的特点，尤其是它的循环使用寿命比目前常见的18650锂动力电池更长，通常可充电几十万次，可以有效延长纯电动汽车的使用寿命。而它使用的材料通常也很环保，使用后进行填埋处理即可。所以，一旦固态动力电池技术发展成熟，纯电动汽车将有实力和传统燃油汽车相抗衡。

固态动力电池一般功率密度较低，能量密度较高。由于固态动力电池的功率质量比较高，所以它是电动汽车很理想的动力电池。到2020年，固态动力电池技术研发有望取得突破性进展，在成本、能量密度和生产过程等方面进一步赶超锂动力电池。

固态锂动力电池，顾名思义，就是不再使用液态的电解液，采用固态电解质，所有材料都以固态形式存在的锂动力电池。具体来说，它由正极材料+负极材料和电解质组成，而液态锂动力电池则由正极材料+负极材料+电解液和隔膜组成。液态锂动力电池能量密度极限为350W·h/kg，而全固态锂动力电池采用固态电解质替代传统有机液态电解液，不仅有望从根本上解决动力电池的安全性问题，而且量产能量密度能够达到500～600W·h/kg。

固态锂动力电池能量密度远超现在的主流的锂动力电池，这意味着纯电动汽车有更长续航里程，甚至达到节能型汽油车的续航里程，并且充电效率相比现阶段也有着质的飞跃，据悉装备固态动力电池的电动汽车，最理想化的充电速度可达到1min增加800km，这可以说是新能源车的最佳核心部件。固态锂动力电池具有以下优势。

①轻，能量密度高。使用了全固态电解质后，锂动力电池的适用材料体系也会发生改变，其中核心的一点就是可以不必使用嵌锂的石墨负极，而是直接使用金属锂来做负极，这样可以明显减轻负极材料的用量，使得整个动力电池的能量密度有明显提高。

②薄，体积小。在传统锂动力电池中，需要使用隔膜和电解液，它们加起来占据了锂动力电池中近40%的体积和25%的质量。而如果把它们用固态电解质取代（主要有有机和无机陶瓷材料两个体系），正负极之间的距离（传统上由隔膜电解液填充，现在由固态电解质填充）可以缩短到甚至只有几到十几微米，这样锂动力电池的厚度就能大大降低，因此全固态动力电池技术是动力电池小型化、薄膜化的必经之路。

③柔性化。固态锂动力电池使用脆性的陶瓷材料，在厚度薄到毫米级以下后是可以弯曲的，材料会变得有柔性。相应地，全固态动力电池在轻、薄化后柔性程度也会有明显的提高，通过使用适当的封装材料（不能是刚性的外壳），制成的动力电池可以经受几百到几千次的弯曲而保证性能基本不衰减。

④更安全。排除了传统锂动力电池在下列情况可能发生的危险。

a.在大电流下工作有可能出现锂枝晶，从而刺破隔膜，导致短路破坏。

b.电解液为有机液体，在高温下发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。

采用全固态动力电池技术，以上两点问题就可以直接得到解决。

现阶段，国外的能源、科技企业，以及松下等动力电池制造商都开始了固态动力电池的研发，汽车厂商涉及这方面的有丰田、本田以及日产三大日系车企，这源于日本国家层面的助推。从已经开始研究固态动力电池的各方计划来看，预计2020年将在成本、能量密度和生产制造方面有突破性进展。到2030年才能将这项研发成果落地、在新能源汽车领域广泛普及，即离我们还有些远，这也是各大车企发布2025年全球禁售燃油车的应对战略时，并未提及固态动力电池的原因。

（3）全固态电解质锂动力电池技术　“全固态”与“固态”是不一样的，“全固态锂动力电池”是一种在工作温度区间内所使用的固体正负极和固体电解质，不含有任何液体，所有材料都由固态材料组成的锂动力电池。全固态电解质锂动力电池的原理与液态锂动力电池相同，只不过其电解质为固态。全固态电解质锂动力电池具有的密度以及结构可以让更多带电离子聚集在一端，传导更大的电流，进而提升动力电池容量。

全固态电解质锂动力电池分为全固态电解质锂一次动力电池（全固态电解质锂一次动力电池已经有应用）和全固态电解质锂二次动力电池。全固态电解质锂二次动力电池又分为全固态电解质锂动力电池和全固态电解质锂金属动力电池。所谓全固态电解质锂金属动力电池，就是它的负极用的是锂金属，国内这类产品现在负极用的是碳、硅碳或者钛酸锂。

全固态电解质锂动力电池的概念比锂动力电池出现得更早，早期的全固态电解质锂动力电池，都是指以金属锂为负极的全固态电解质金属锂动力电池，一说全固态往往是以锂金属为负极的，这就是以前的概念。全固态电解质锂动力电池有几个潜在的技术优势。

①安全性高。由于采用高热稳定性的固态电解质，代替了易燃的常规有机溶剂电解液，锂动力电池易燃烧问题得到解决。

②能量密度高。固态电解质解决了电解液泄漏问题，体积比能量高。由于金属锂的超高容量，给予相同正极时，全固态电解质金属锂动力电池与常规液态锂动力电池相比，其能量密度可以得到大幅度提升。但由于固体电解质密度和使用量高于液态电解质，在正负极材料相同时，全固态电解质锂动力电池优势不明显。

③正极材料选择的范围宽。由于全固态电解质锂动力电池可以直接采用金属锂为负极，不要求正极结构中含有锂，电解质的电压窗口会更宽，比能量也可以提高。一些高容量的贫锂态材料也可以作为正极。此外，无极固态电解质宽的电化学窗口（>5V）也为高电压正极材料的应用提供可能。

④由于电解质无流动性，可以方便地通过内串联组成高电压单体，利于动力电池系统成组效率和能量密度的提高。

电解质材料是全固态电解质锂动力电池技术的核心，电解质材料很大程度上决定了全固态电解质锂动力电池的各项性能参数，如功率密度、循环稳定性、安全性能、高低温性能以及使用寿命，全固态电解质锂动力电池的电解质材料应满足以下要求。

a.室温电导率 >10^-4S/cm。

b.电子绝缘（Li⁺ 迁移数近似为 1）。

c.电化学窗口宽（> 5.5V，Li/Li⁺）。

d.与电极材料相容性好。

e.热稳定性好、耐潮湿环境、力学性能优良。

f.原料易得，成本较低，合成方法简单。

目前，全固态电解质锂动力电池存在的难点问题如下。

①固态电解质材料的锂离子电导率偏低，现在有三种固态电解质。

a.聚合物电解质动力电池要加热到60℃，离子电导率才上来，全固态电解质锂动力电池才能正常工作。聚合物固态电解质（SPE）由聚合物基体（如聚酯、聚酶和聚胺等）和锂盐（如LiClO₄、LiPF₆、LiBF₄等）构成，锂离子以锂盐的形式溶于聚合物基体（固态溶剂），传输速率主要受到与基体相互作用及链段活动能力的影响。在高温条件下，聚合物离子电导率高，容易成膜，最先实现了小规模商业化生产。目前量产聚合物固态电池中聚合物电解质的材料体系是聚环氧乙烷（PEO），室温电导率一般为10^-5S/cm。

b.目前，氧化物电解质的锂离子电导率比液态的要低很多，氧化物固体电解质按照物质结构可以分为晶态和非晶态两类，晶态电解质包括钙钛矿型、NASICON型（Na快离子导体）、石榴石型、LISICON型等，玻璃态（非晶态）氧化物的研究热点是用在薄膜电池中的LiPON 型电解质和部分晶化的非晶态材料。

c.硫化物的固态电解质的锂离子电导率与液态的差不多，丰田公司生产的动力电池用的就是这种硫化物的固态电解质。硫化物主要包括thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-B2S3等，室温离子电导率可以达到10^-3～10^-2S/cm，接近甚至超过有机电解液，同时具有热稳定好、安全性能好、电化学稳定窗口宽（达5V以上）等特点，在高功率以及高低温固态电池方面优势突出。相对于氧化物，硫化物由于相对较软，更容易加工，通过热压法可以制备全固态锂电池，但还存在对空气敏感、容易氧化、遇水容易产生硫化氢等有害气体的问题。

②固固界面接触性和稳定性差。液体与固体结合是很容易的，因为液体容易渗透到固体中，但是固体和固体结合是面或点接触，结合面是不稳定的，这是全固态电解质锂动力电池很大的一个问题。硫化物电解质虽然使锂离子电导率提高了，但是仍然有界面接触性和稳定性问题。电解质由液体换成固体之后，锂动力电池体系由电极材料-电解液的固液界面向电极材料-固态电解质的固固界面转化，固固界面之间无润湿性，界面接触电阻严重影响了离子的传输，造成全固态电解质锂动力电池内阻急剧增大、循环性能变差、倍率性能差。

③金属锂的可充性问题。在固态电解质中，金属锂的反复充放电的循环性，甚至安全性等还需要研究。

④制造成本偏高。全固态电解质锂动力电池的制备工艺复杂，且固体电解质较贵，现阶段全固态电解质锂动力电池的成本较高。

固态动力电池的研发产业化持续升温，但基于上述难点问题，特别是固态界面接触性/稳定性和金属锂的可充性问题，真正意义上的全固态电解质金属锂动力电池技术尚未成熟，还存在很大的技术不确定性。目前展现出或者有突破、有性能优势和产业化前景的，主要是固态聚合物锂动力电池和是固态锂动力电池。

总体看，固态动力电池发展的路径为：电解质可能是从液态、半固态、固液混合到固态，最后到全固态。至于负极，会是从石墨负极，到硅碳负极，现在正在从石墨负极向硅碳负极转型，最后有可能到金属锂负极，但是目前还存在技术不确定性。

（4）锂玻璃动力电池　锂玻璃动力电池是John Goodenough（德克萨斯州州立大学奥斯汀分校的机械工程和材料科学教授）和他的工程师团队在德克萨斯州州立大学奥斯汀分校研发出来的，John Goodenough是锂动力电池的共同发明人。锂玻璃动力电池不仅将锂离子的能量密度翻了3倍，它还能在几分钟内重新快速充电，而且可充电周期超过几千次。其与三元材料锂动力电池不同的是，锂玻璃动力电池在零下的极端天气也表现出色，不会像三元材料锂动力电池一样易燃，关键之处就在于使用的是固体玻璃电解质，而不是锂动力电池常用的液态电解质。因为液态动力电池充电速度过快，容易造成短路或起火，而固体的电解质则降低了短路的风险，成为更安全的选择。锂玻璃动力电池具有以下优点。

①能量密度更高。锂玻璃动力电池的能量密度至少是现今的锂动力电池的3倍，动力电池的能量密度决定了电动汽车的行驶距离，所以更高的能量密度意味着一辆汽车可以在两次充电之间行驶至更远的距离。

②充放电循环次数更多。由于玻璃质的固态电解质很好地保证了电解离子的活性，在反复充电周期上，锂玻璃动力电池技术将锂离子提高到了一个史无前例的地步，使锂玻璃动力电池具有更多的充放电循环次数，从而使得动力电池使用更持久，并且带来了更长的循环寿命。在实验中，研究人员使用的锂玻璃动力电池可循环1200次且为低电阻。

③充电速度更快。充电时间由几小时缩短为几分钟。

④安全。锂动力电池使用的是液体电解质，电解液在动力电池的正负极之间输送锂离子。由于的锂动力电池液态电解液会发生锂离子晶枝沉淀，长时间使用晶枝会刺破电极隔膜，导致动力电池短路。若动力电池充电过快，从而在电解液内形成“枝晶”或者“金属晶须”，会引发短路，进一步引发起火和爆炸。如果锂动力电池放在阳光下暴晒，电解液的温度会极具升高。在高温条件下，电解液发生副反应、氧化分解、产生气体、发生燃烧的倾向都会加剧。而采用固态电解质的技术使得锂离子无法在固态电解质中发生沉降，不仅成倍地扩大了动力电池的能量密度，更让动力电池的安全性与续航里程成倍增加，使锂动力电池技术的缺陷得到了很好的弥补。

⑤严寒条件下运行。固态玻璃电解质可以运行在-20℃的温度条件下，具有高导电性，配备锂玻璃动力电池的汽车能够在严寒天气中良好运行。

⑥制造工艺简单。玻璃电解质能够在阳极和阴极上镀上或者剥落碱金属，而不出现“枝晶”，这样可以“简化动力电池制造工艺”。

⑦材料环保且来源丰富。固体玻璃电解质所用的材料不仅成本非常低，而且还可持续利用。其材料为廉价的盐，而盐可以从广泛可得的海水中提取，这就使得锂玻璃动力电池成为一种更加环保的动力电池，一旦正式引入到动力电池市场中来，将会解决动力电池行业成本压力过高的问题。

针对锂玻璃动力电池的研究是很有前景的，但这项新技术仍需几年的时间，才能被引入商业市场。相信不久，这种新型动力电池就会得到广泛的应用。