關(guān)于純電動(dòng)汽車使用鋰電池作為動(dòng)力能源的探究

張帥

摘要：鋰電池是純電動(dòng)車的動(dòng)力能源，與純電動(dòng)汽車運(yùn)行效率具有密切關(guān)系，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電池管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線檢測(cè)電池組的相關(guān)參數(shù)，并對(duì)其中相對(duì)重要的參數(shù)完成實(shí)時(shí)在線估算，為優(yōu)化電池組的運(yùn)行狀態(tài)提供依據(jù)，所以一直被視為提升純電動(dòng)汽車運(yùn)行效率的重要途徑。基于此，本文主要對(duì)純電動(dòng)汽車使用鋰電池作為動(dòng)力能源進(jìn)行分析探討。

關(guān)鍵詞：純電動(dòng)汽車；使用鋰電池；動(dòng)力能源

在未來(lái)數(shù)年發(fā)展中，電動(dòng)汽車將在汽車市場(chǎng)中占有相當(dāng)?shù)谋壤?。而僅由蓄電池提供動(dòng)力的電動(dòng)車的成本問(wèn)題和電動(dòng)汽車如何能做到單次充電后能行駛上百公里路程，這些都與動(dòng)力電池密切相關(guān)。鋰離子電池是至今比能量最高的蓄電池，其比能量達(dá)130Wh/kg，單體電池放電電壓為3.6V，比鎘鎳電池高三倍。除此之外，鋰離子電池有熱效應(yīng)小、無(wú)記憶效應(yīng)，充電效率遠(yuǎn)比鎘鎳與氫鎳電池高。因此鋰電池已經(jīng)成為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的首選。

一、電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀

在電動(dòng)汽車電池經(jīng)過(guò)不斷研究、不斷發(fā)展之后，現(xiàn)在對(duì)電動(dòng)汽車電池的研究主要集中在鎳氫電池、鋰離子電池和鉛酸蓄電池這三種電池上，這三種電池也都是各自有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。比如鎳氫電池，鎳氫電池是由鎳基和堿性溶液電解液構(gòu)成的，其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)污染、比能量高，且相對(duì)鉛酸電池而言，體積和密度有較大的提高，運(yùn)行電壓高、耐受性好都是它的特點(diǎn)，但是，鎳氫電池在遇到高溫或低溫時(shí)使用就會(huì)受限，而且其造價(jià)較高使得運(yùn)用的廣泛度受到影響，但是，由于電動(dòng)汽車電池發(fā)展較慢，所以，鎳氫電池還是電動(dòng)汽車使用電池的重要選擇之一。

而鋰離子電池和鉛酸蓄電池也都各有各的特點(diǎn)和缺點(diǎn)，但是由于價(jià)格實(shí)惠、成本低、技術(shù)較為成熟，所以，現(xiàn)在電動(dòng)汽車電池中使用最廣的就是鉛酸蓄電池了，不論是哪一種電池，都需要人們針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行不斷地研究和改進(jìn)，想要研發(fā)出完美的符合人們需求的電動(dòng)汽車電池技術(shù)，還有很長(zhǎng)的路要走。

二、鋰離子電池

鋰離子電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的高容量可充電電池，鋰離子電池由電極、電解液和隔膜組成。正極采用鋰離子化合物，如磷酸鐵鋰或錳離子，負(fù)極采用石墨碳等材料。當(dāng)電池進(jìn)行充電時(shí)，鋰離子從正極脫出，經(jīng)過(guò)隔膜嵌入到負(fù)極，正極發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)；當(dāng)電池進(jìn)行放電時(shí)，過(guò)程則相反。作為新一代化學(xué)電源，鋰離子電池具有比能量大、體積小、單體電池工作電壓高、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)、無(wú)污染及充放電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前電動(dòng)汽車廣泛應(yīng)用的動(dòng)力電池。在市場(chǎng)上的主流電池中，鋰離子電池除了在價(jià)格和安全性方面處于劣勢(shì)外，其他方面均處于領(lǐng)先地位，有進(jìn)一步研發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用的前景。

鋰離子電池目前存在的問(wèn)題主要包括電池的安全性、循環(huán)壽命、成本、工作溫度和材料供應(yīng)等。此外，電池組的電池管理系統(tǒng)中也存在如均衡充電技術(shù)不成熟等問(wèn)題?，F(xiàn)如今鋰離子電池一般和超級(jí)電容搭配，共同作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源。

超級(jí)電容器又稱為雙電層電容器，是一種新型儲(chǔ)能裝置，可以實(shí)現(xiàn)電能和電場(chǎng)能之間的相互轉(zhuǎn)化。其原理是采用活性炭材料制作多孔電極，并在相應(yīng)的電極之間填充電解質(zhì)溶液，當(dāng)在其兩端施加電壓時(shí)，能夠在電極上和電解質(zhì)溶液內(nèi)形成2個(gè)集電層，相當(dāng)于2個(gè)電容器串聯(lián)，并且由于活性炭具有超高比表面積，而且電解液與多孔電極間的界面距離非常小，使得這種雙電層電容器比傳統(tǒng)物理電容器的電容值要大很多圈。超級(jí)電容器有著比蓄電池高10倍以上的功率密度和100倍以上的充放電速度。同時(shí)利用超級(jí)電容器可以在汽車制動(dòng)時(shí)進(jìn)行能量回收，由于超級(jí)電容器充放電過(guò)程中不存在類似其他化學(xué)電池的電化學(xué)反應(yīng)，屬于物理電池，基于電化學(xué)原理所帶來(lái)的問(wèn)題也就不會(huì)出現(xiàn)在超級(jí)電容器上，因此它可以大電流充放電并且溫度特性良好。

超級(jí)電容器與蓄電池相比具有的優(yōu)點(diǎn)為：充放電速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)使用壽命長(zhǎng)、比功率與可靠性高、溫度范圍寬以及能量回收率較高。超級(jí)電容器在電動(dòng)汽車中主要有3種使用途徑：1）將超級(jí)電容器作為唯一電源的純電動(dòng)公交車。由于超級(jí)電容器比能量低，不適合單獨(dú)用作電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，但是城市公交路線固定，沿途停靠頻繁，并且具有快速充電的能力，所以超級(jí)電容器可以單獨(dú)使用在城市公交上。2）以超級(jí)電容器和鋰離子電池為能量源的電動(dòng)汽車。在加速或者原地起步時(shí)，需要較大的電流，此時(shí)由電容器來(lái)提供電流；當(dāng)汽車勻速或平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)，所需電流較少，此時(shí)由鋰電池來(lái)提供電流，這種模式既能增加汽車的行駛里程，又能使能源得到有效利用。3）超級(jí)電容器和燃料電池共同使用作為動(dòng)力源的混合動(dòng)力汽車。超級(jí)電容器目前還有兩大關(guān)鍵性問(wèn)題，即比能量低和電壓均衡不穩(wěn)定的問(wèn)題。

三、鋰超級(jí)電容器

鋰離子電池和超級(jí)電容器是2種重要的儲(chǔ)能電池，分別具有高比能量和高功率的優(yōu)點(diǎn)。從原理上看，兩者性能指標(biāo)的提升空間都已經(jīng)不大。而把兩者從原理和結(jié)構(gòu)上結(jié)合起來(lái)，從而綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，得到一種新型鋰超級(jí)電容電池嘲。它是一種先進(jìn)的非對(duì)稱超級(jí)電容器，具有電池和傳統(tǒng)雙電層電容器的功能，可以在比傳統(tǒng)的雙電層電容器多存儲(chǔ)5-10倍能量的同時(shí)，具有功率高和循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

鋰超級(jí)電容器的工作原理，如圖2所示，它通過(guò)組合鋰離子氧化還原電極和活性炭電極，依靠L+在正極上的嵌入脫嵌的氧化還原反應(yīng)和負(fù)極上的吸附脫附反應(yīng)存儲(chǔ)能量。一般的鋰超級(jí)電容器正極材料有LixMn20。和LixCoO2等，負(fù)極材料可選用活性炭和石墨烯等。充電時(shí)，負(fù)極材料如超級(jí)電容器一樣，利用雙電層原理吸收陽(yáng)離子，而正極則有鋰離子脫出；放電時(shí)，負(fù)極中鋰離子脫出由正極材料接收，也就是嵌入。在工作時(shí)，正極是利用鋰離子電池的氧化還原反應(yīng)機(jī)理，而負(fù)極是利用超級(jí)電容器的雙電層儲(chǔ)能機(jī)理。因此，鋰超級(jí)電容器可以保證高功率密度，同時(shí)具有較高的能量密度。

四、結(jié)語(yǔ)

全球污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，能源的節(jié)約也成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)耗能高、污染大的普通汽車的改革已是迫在眉睫，而耗能低、無(wú)污染的電動(dòng)汽車也隨之進(jìn)入人們的視線，但是，現(xiàn)在對(duì)于電動(dòng)汽車電池技術(shù)的研發(fā)還不夠成熟，市場(chǎng)上存在的電動(dòng)汽車電池都多多少少存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題不會(huì)阻止人們對(duì)汽車轉(zhuǎn)型的腳步，對(duì)于電動(dòng)汽車電池技術(shù)未來(lái)的發(fā)展，我們應(yīng)該抱有信心，在人們的關(guān)注下和研發(fā)人員的努力下，一定會(huì)出現(xiàn)更好的電動(dòng)汽車電池技術(shù)。

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