一 动力电池发展概述

电动汽车“三电”包括电池、电机和电控技术，其中动力电池是电动汽车驱动力的来源，是电动汽车重要的核心组成部分。动力电池的能量密度、产品性能、使用寿命和成本等直接影响电动汽车续驶里程、动力性、安全性和使用成本。目前动力电池驱动系统占了新能源汽车成本的30%～50%。新能源汽车动力电池大致走过了铅酸蓄电池、镍镉和镍氢电池、锂离子电池三个阶段。

1.铅酸蓄电池

铅酸蓄电池（lead-acid battery）是当前所有重要的蓄电池技术系统中最老的可充电蓄电池系统，于1859年由法国人普兰特（Plante）发明，至今已有一百多年的历史。铅酸蓄电池的正极是二氧化铅（PbO₂），负极是铅（Pb），电解液是硫酸溶液（H₂SO₄），单格电池电压达2.1V。在放电状态下，正极二氧化铅、负极铅在硫酸溶液作用下发生电化学化应，生成硫酸铅；在充电状态下，正负极硫酸铅和水发生电解反应，正极生成二氧化铅，负极生成铅和硫酸。铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽、电池盖、极柱注液盖等组成。铅酸蓄电池的外壳一般采用工程塑料，如聚氯乙烯（PVC）或ABS材料等。铅酸蓄电池组成与结构如图1-1所示。

铅酸蓄电池在20世纪70年代以前被广泛应用于电动汽车的动力源。但由于铅酸蓄电池能量密度低，比能量只能达到30～40W·h/kg。也正是由于其能量密度低、大而笨重、循环寿命短、维护频繁等缺点，使得电动汽车在续驶里程、使用寿命等方面始终无法与当时的燃油车竞争，不得不退出历史的舞台。

但是铅酸蓄电池成本低，具备短时间内可以大电流放电的优良性能，目前还是被广泛用在传统燃油汽车上作为起动电池和电动汽车上作为低压蓄电池。铅酸蓄电池从发明到现在也一直不断地在发展更新，从开放式铅酸蓄电池发展到如今的阀控式密封铅酸（Valve Regulated Lead Acid, VRLA）蓄电池。最新一代的铅酸蓄电池技术里使用了固态电解质，在铅酸蓄电池的电解质里通过添加二氧化硅（SiO₂）使电解液凝胶化，在玻璃纤维隔膜（Absorbent Glass Mat, AGM）电池中用玻璃纤维隔膜吸附固定住电解液。近年兴起的铅碳蓄电池在负极加入了活性炭，其循环寿命、能量密度、充放电倍率等相较普通铅酸蓄电池均有了大幅度的提升。

2.镍镉电池和镍氢电池

在镍氢电池（Ni-MH）出现之前，镍镉电池（Ni-Cd）已经获得了大规模的商业化应用，在早期的电动工具和电子产品上，大量应用镍镉电池作为可反复充放电的电源装置。金属镉具有很高的比容量，其值为477A·h/kg，电池额定电压为1.2V，因此镍镉电池的比能量可达到60W·h/kg。但是镍镉电池的“记忆效应”较为严重，循环寿命较短，而且镉是重金属，毒性较强，会带来严重的环境污染，为了解决这些问题，镍氢电池应运而生。

镍氢电池采用与镍镉电池相同的镍氧化物作为正极，金属氢化物作为负极，碱液（主要成分KOH）作为电解液，主要组成部分包括正极板、负极板、隔膜、密封圈、正极接线柱、负极集电极、金属外壳等，如图1-2所示。

日本三洋公司1990年把镍镉电池改良成镍氢电池并将其商业化，其中用能吸收氢的镍和稀土金属的合金来替代镉。自从投入市场以来，镍氢电池的比能量已经提高了3倍，达到当今的80W·h/kg。镍氢电池凭借能量密度高、可快速充放电、循环寿命长、记忆效应很小，以及无污染等优点在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车等领域得到了广泛应用。

在新能源汽车领域，镍氢电池现在主要应用于混合动力汽车，如丰田在普锐斯车型上首先采用镍氢电池作为储能装置，从而推动了镍氢电池在混动和电动汽车产品上的大规模应用。以丰田第三代普锐斯为例，所采用的镍氢电池组由松下制造，重量为53.3kg，使用168个电压为1.2V车用级镍氢电池串联而成，电池组总电压为201.6V，电池容量1.3kW·h，如图1-3所示。普锐斯的镍氢电池组，使用寿命可以达到10年。

除了丰田的普锐斯之外，其他使用镍氢电池的混合动力车辆包括本田Insight和Civic Hybrid、福特Escape、雪佛兰Malibu；使用镍氢电池的纯电动汽车有通用汽车第二代EV1、本田EV Plus、福特Ranger EV等。但是随着锂离子电池的快速发展，其优越的性能全面超越镍氢电池，因此在电动汽车领域，镍氢电池逐渐被锂离子电池所取代。丰田的第四代普锐斯已经开始采用锂离子电池，其他采用镍氢电池的混合动力车型和纯电动车型也大多停产，或采用锂离子电池来替代镍氢电池。

3.锂离子电池

锂离子电池的前身是锂金属电池，起源于1962年，当时的锂电池是一种一次性放电后就不能再次充电的电池（一次电池）。其负极材料用的是金属锂，正极材料用的是二氧化锰。三洋公司1972年将这种电池投放市场。加拿大的莫力能源公司（Moli Energy）1985年开发出第一个可再充锂电池（二次电池），使用的是金属锂作为负极和硫化钼作为正极。该电池凭借着优异的性能迅速火遍全球，莫力能源公司成为全球首屈一指的电池企业。然而好景不长，多起电池起火爆炸事件引发了大规模的召回，莫力能源公司也从此一蹶不振，最终被日本NEC公司收购。

随后的研究表明金属锂二次电池起火爆炸的主要原因来自于充电过程中的锂枝晶生长，锂枝晶穿透隔膜，导致正负极短路，从而引起着火、爆炸等安全事故。因此人们开始尝试开发一种能够替代金属锂的负极材料。当时正在旭化成工作的日本科学家吉野彰（Akira Yoshino）将目光转向了高能量密度的石墨负极材料，并采用新的碳酸酯类溶剂解决了传统溶剂PC（碳酸丙烯酯）无法在石墨负极表面形成稳定固体电解质（SEI）膜的问题，并在1987年推出了以焦炭为负极，以钴酸锂（LCO）为正极的锂离子电池，完全去除电池中的金属锂，这也是目前所有锂离子电池体系的雏形，也正是因此吉野彰被称为锂离子电池之父，此后旭化成的合作伙伴索尼公司和A&T Battery公司成功的将锂离子电池商业化，并在摄像机等消费电子产品巨大需求的刺激下迅速发展，取得了巨大的成功。

提到吉野彰研发的锂离子电池，我们就不得不提另外一位重量级人物约翰·古迪纳夫（John B. Goodenough）。早期的锂离子电池，以及目前大多数的锂离子电池采用的正极材料都是一种叫做钴酸锂的材料，而这种材料正是约翰·古迪纳夫一手打造。他们与另一位科学家M.斯坦利·威廷汉（M. Stanley Whittingham）因对锂离子电池发展作出突出贡献，一起获得了2019年诺贝尔化学奖，如图1-4所示。

锂离子电池依靠锂离子（Li+）在正极和负极两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。锂离子电池充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱嵌，经过电解质溶液和隔膜到达负极，而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高；锂离子电池放电时，锂离子从负极碳层中脱嵌，通过电解质溶液和隔膜重新嵌入正极材料晶格中，回到正极的锂离子越多，电池的放电容量越大，如图1-5所示。在整个充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子。从充放电的可逆性来看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。锂离子电池的电极反应表达式为

正极反应式：LiMO₂→Li_1-xMO₂+xLi++xe-

负极反应式：nC+xLi++xe-→Li_xC_n

电池总反应式：LiMO₂+nC→Li_1-xMO₂+Li_xC_n

式中M代表Co、Ni、Mn等金属。

4.三种类型动力电池比较

表1-1为三种类型的动力电池性能对比。

铅酸蓄电池作为纯电动汽车动力源，在比能量、深度放电循环寿命、快速充电能力等方面均比镍氢电池、锂离子电池差，不适用于纯电动汽车。但由于其价格低廉，国内外最终将其定位于速度不高、路线固定、充电站设立容易规划的纯电动汽车上。

镍氢电池具有无污染、高比能量、大功率、快速充放电、安全性好、循环寿命长的优点。相比铅酸蓄电池，能量密度接近普通铅酸蓄电池3倍，循环使用寿命也远长于铅酸蓄电池，80%放电深度（DOD）循环寿命达1000次以上，在混动汽车上可以使用5年以上。镍氢电池不含铅、镉等有害金属，对环境更加友好。镍氢电池使用温度范围较广，正常工作温度范围为-30～55℃，工作可靠性更高。镍氢电池在短路、针刺、挤压、跌落、加热等安全性测试上要优于锂离子电池，而且成本也比锂离子电池低，限制镍氢电池在纯电动汽车上应用的主要不足是能量密度远低于锂离子电池，影响纯电动汽车续驶里程。

从表1-1中可以看出，锂离子电池相比铅酸电池、镍氢电池，各方面性能均遥遥领先。与镍氢电池相比：额定电压是镍氢电池3倍、能量密度也是镍氢电池2.5倍左右，而且体积小、自重轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等。所以锂离子电池很快成了混动和纯电动汽车动力电池的不二选择，国内外的汽车制造厂商纷纷在其混动和纯电动汽车上搭载锂离子电池。

目前阻碍锂离子动力电池发展的主要问题在于安全性能和动力电池的管理系统复杂性方面。由于纯电动汽车动力电池的工作电压一般都超过100V，而单个锂离子动力电池的工作电压是3.7V（三元锂电池），因此必须由多个电池串联而提高电压，但由于各单体电池难以做到完全均一的充放电，因此导致串联的多个电池组内的单体电池会出现充放电不平衡的状况，电池会出现充电不足和过放电现象，而这种状况会导致电池性能的急剧恶化，最终导致整组电池无法正常工作，甚至报废，从而大大影响电池的使用寿命和可靠性。此外锂离子电池对工作温度的要求也很高，理想的工作温度是20～40℃，研究表明锂离子动力电池的工作温度每上升10℃，电池的可靠性会下降50%，工作性能下降30%，锂离子动力电池自燃等故障往往是电池温度过高引起的。锂离子电池组需要配合热管理系统使其能在正常的温度范围内工作。