电动车电池的开发现状及展望

　　0 前言

　　据近期“世界电动车”报导， 预测到2007 年，全世界电动车年销量可达百万辆以上（见表1），约占全球汽车总销量的1. 5 %.虽然这样小的份额不足以说明电动车已商品化， 但也说明经过几十年，尤其是近10 年的全球性努力，电动车在技术上已取得很大成就。预测电动车销售的主要依据仍然是人们对环境污染的关注，尤其是在中心城市。美、欧等发达国家的一些中心城市都在限制燃油汽车的使用。我国政府也越来越重视环境保护问题， 把环境保护作为实施可持续发展战略的一项重要内容。我国环境监测数据表明， 汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一。北京市机动车尾气排放对大气污染物中CO、HC、NOx 的分担率分别为63. 4 % ，73. 5 %和46 % ， 非采暖期这一分担率更高， 分别为80. 3 % ，79. 1 %和54. 8 %.上海市更为严重，分别为86 %、96 %和56 %;广州、天津、重庆等许多大中型城市具有类似情况。因此， 最近国务院有关部委组织召开了一次“清洁汽车行动”的大会， 以推动我国燃油汽车的清洁化、新型燃气汽车的推广应用和国家电动汽车重大科技产业化工程项目的实施。

　　表1 电动汽车销售量预测（千辆）

　　

　　目前， 各种类型的电动汽车包括以蓄电池驱动的BEV，以内燃机与电池混合驱动的HEV及以燃料电池驱动的FCEV都面临着与改进的燃油汽车及采用各种替代燃料的低污染汽车的市场竞争。电动车必须在性能、价格上进一步改进， 才能指望在市场竞争中站住脚。

　　各种主要电动车用蓄电池的对比见表2。目前能大量生产供应的只有铅蓄电池和镉镍蓄电池， 由于镉镍电池性能价格比不如铅蓄电池而且存在镉污染，性能优良的MH2Ni 电池有可能很快进入市场。本文将重点讨论铅蓄电池、MH2Ni 、锂离子及钠氯化镍蓄电池的进展情况。质子交换膜燃料电池（ PEMFC）是唯一可以在性能上与燃油汽车竞争的电池， 本文将介绍其最近发展情况。

　　表2 各种主要电动车用蓄电池对比

　　

　　1 电动车电池的研制进展

　　1. 1 铅蓄电池

　　铅蓄电池是目前唯一能大量生产供应的电动车电池。从表2 可以看出，它的优点是价格低，缺点是比能量低，一次充电行驶里程短（约100km） 。一项对北美私人汽车日行程的调查表明， 日行程在160km以下的占90 % ， 其余10 %日行程超过240km甚至更高。因此有人提出若能将铅蓄电池比能量适当提高，使一次充电行程达到160km，同时开展快速充电的研究， 就有可能使价格低廉的铅蓄电池满足大多数城市中心区短途运输及交通用电动车的要求。为此， 1992 年由国际铅锌组织联合世界铅蓄电池制造厂商成立的“先进铅蓄电池联合体（ALABC） ”制定了先进铅蓄电池的研制目标为：

　　比能量50W·hkg- 1 （一次充电行程160km）

　　比功率150Wkg- 1

　　价格《 150 美元/ kW·h

　　循环寿命》 500 次

　　快充性能：

　　50 % 5min

　　80 % 15min

　　上述5 项指标中， 价格及比功率已为一般铅蓄电池所具备， 因而改进的主要力量集中在比能量，循环寿命及快充性能3 项指标。

　　（1） 比能量提高比能量主要从减轻板栅重量及提高正极活性物质利用率着手。研究表明， 提高铅钙合金中锡的含量可以增强板栅耐腐性及抗蠕变强度， 从而可以减轻板栅重量（Sn 含量0. 5 %~1 %） 。在正极活性物质中添加吸酸能力强的添加剂（如发泡聚丙烯） 可以提高正极活性物质利用率约10 %.

　　（2） 循环寿命研究结果表明有4 种方法可提高铅蓄电池的循环寿命： （i） 板栅合金采用锡含量高的铅钙合金， 可以克服因板栅蠕变而造成的早期失效。（ii） 为了防止极板膨胀， 采用加大极板法向压力，试验证明将法向压力从8kpa 增至40kpa ，可使循环寿命由200 次提高到700 次。为此需改进隔膜材料以免在受压情况下松散。（iii） 采用合理的充电制度，尤其要精确掌握充电后期的充电量及充电速率，以保证充足电。（iv） 改进负极膨胀剂以避免延长充放循环寿命后，负极活性物质海绵状铅的硬化。

　　（3） 快速充电由于近期快速充电技术的发展，使传统的铅蓄电池快速充电性能不好的概念已有所改变。实验证明， 多数阀控式铅酸蓄电池可以承受快速充电制度（50 % soc ， 5min ; 80 % soc ， 15min） 。而且，合理的快速充电制度及方法，对延长电池寿命不但无害而且有利。国外已将快速充电方法由单组电池扩展应用到整个电池组， 并且在车载情况下进行试验。1998 年公布的ALABC 的报告表明，通过研究改进， 阀控式铅酸蓄电池的比能量有望提高到改进前的2 倍， 循环寿命有可能提高到原有的10 倍， 而充电时间缩短一个数量级。目前ALABC 正在大力支持各有关方面的研究改进工作。假如上述研究改进目标能在铅蓄电池的生产中实现， 则铅蓄电池将在近期电动车的产业化过程中发挥重要作用。

　　我国在“八五”计划期间， 国家科委和国家计委就把电动车用铅蓄电池的研究和开发列为重点项目予以支持。许多从事电动车设计和研制的单位认为， 虽然铅蓄电池比能量低， 但在我国期望将公交车、出租车放在电动车使用的首要地位的情况下，铅蓄电池以其价格低廉， 能够大量生产供应的优势， 被列入近期电动车产业化工程项目计划中还是可行的。

　　表3 列出我国电动车用密封铅蓄电池的近期研究发展目标， 其中第一阶段强调电池总体性能的提高， 第二阶段把重点放在电池循环寿命及电池性能的均匀一致性的改进上。

　　表3 我国电动车用密封铅酸电池研制目标

　　

　　1991~1995 期间， 保定金风帆蓄电池有限公司、轻工业化学电源研究所等单位参与电动车用密封铅蓄电池的研制工作。其中风帆电池厂采用正负极涂膏平板电极， 轻工业化学电源研究所则正极采用其具有专利权的椭圆形管式极板， 负极仍为涂膏平板电极。试制结果表明， 我国的电动车用铅蓄电池除循环寿命外其余各项均能达到第一阶段研制目标。

　　目前风帆公司及镇江蓄电池厂的密封铅蓄电池已在我国改装车上试用， 其中在面包车上采用20只12V·150A·h 电池， 最高车速80km/ h ， 充电一次行驶100km; 小轿车使用10 只12V ·150A·h 电池组，车速可达80km/ h ，充电一次行驶100km.存在的最大问题是均匀性差， 个别电池累计行车里程不足1 000km就需更换。

　　1. 2 金属氢化物镍电池

　　金属氢化物镍电池（MH2Ni） 是90 年代发展起来的一种新型绿色电池， 它与镉镍电池有很好的互换性， 但没有镉污染而且比能量较高。小型圆柱式MH2Ni 电池在日本已达到产业化规模生产， 广泛应用于便携式信息设备。电动车用MH2Ni 电池主要在美国及日本进行开发。美国OvONic 公司在美国先进电池开发联合体（USABC） 的资助下开展了电动车用MH2Ni 电池的开发， 据报导研制水平已接近USABC制定的中期发展目标（见表4） ，但成本仍较高，目前MH2Ni 电池的价格为500~700美元/ kW·h ，据报导，美国通用汽车公司今年已开始生产装有高性能MH2Ni 电池的EV21 电动轿车， 采用24 只13. 2V、90A·h、1. 2kW·h 的电池模块， 重量410kg（若用铅蓄电池重量为553kg） 一次充电可按城市行驶模式行驶150km（铅蓄电池为112km） 。整车售价为43 995 美元，租赁的月租费为499 美元。而采用铅酸电池的整车售价为33 959 美元，月租费为424 美元。

　　表4 USABC中长期目标及Ovonic 公司MH2Ni 电池性能

　　

　　日本从事电动车用MH2Ni 电池开发的主要代表性厂家为松下电池公司， 不但开发了纯电池电动车用的EV 型电池组， 还开发了供汽油机- 电池混合动力的HEV用的高功率型MH2Ni 电池， 其主要性能参数见表5.其中HHR650D 型电池就用在丰田公司于1997 年12 月率先宣布的全世界第一次批量生产的EV - Prius 混合动力电动轿车上。该车除装有1. 5L 42. 6kW汽油发动机外， 还装有40 块7. 2V、6. 5A·h 电池模块，构成288V、6kW·h 电池组， 电池重136kg.在高速行驶时采用汽油机动力； 低速、起动、爬坡时采用电池动力。最高车速为160km/ h ，一次加油（50L） 可行驶1 400km， 是普通燃油汽车的2倍。与普通燃油汽车相比，其CO2 排放量减少50 % ，CO、CH及NOx 排放量减少了90 %.这种混合动力车的售价为18 000 美元， 约为纯电池动力车的一半。

　　该车已投放日本市场， 并在1998 年形成热销， 售出18 000 辆。目前的生产能力为每月2 000 辆，并计划在2000 年销往北美及欧洲，计划销售20 000 辆。

　　表5 松下公司电动车用MH2Ni 电池主要性能

　　

　　目前世界各大汽车公司都在研制、开发并生产混合电动车。预计在零排放的纯电池电动车成为主流之前， 混合电动车在一段时间内可以取代部份燃油汽车，形成一定的规模。我国在政府863 计划支持下， 北京有色金属总院进行了电动车用方形MH2Ni 电池的研究试验， 共设计了10A·h、44A·h、80A·h、100A·h 4 种单体电池，比能量分别为55W·h/kg、58W·h/ kg、60W·h/ kg 及67W·h/ kg.若组合成6V ·100A ·h 电池组， 则比能量为54W·h/ kg［3 ］ 。曾在电动摩托车及电动轿车上进行了演示。另外， 和平海湾电源集团公司在消化日本东芝引进生产线技术基础上， 开发了电动车用方形MH2Ni 电池， 共开发出QNF12、QNF18、QNF25、QNF100 4 种型号，重量比能量≥60W·h/ kg ，体积比能量≥190W·h/ L。与国外开发水平相比，尚有差距。

　　还有不少电池研究和生产单位， 正在开发用于电动自行车的MH2Ni 电池。多数为D 型MH2Ni 电池组成电池组，容量628A·h ，电池组电压24V.每组售价1 000 元，相当于铅酸电池的4 倍，因此，未能大量投放市场。

　　1. 3 锂离子电池

　　锂离子电池是1990 年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池。其优点是比能量高， 是当前比能量最高的蓄电池。已经在便携式信息产品中获得推广应用。1995 年， 索尼公司又开发成功用于电动车的锂离子蓄电池，共分两种类型，一种是用于纯电动车（ EV） 容量为100A·h 的圆柱形单体电池， 8 只串联成一个电池模块； 另一种是用于混合动力车（HEV） ，容量为22A·h ，8 只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2. 7 倍。表6 列出这两种电池的主要技术性能。用于纯电动车的电池称为高能型锂离子蓄电池， 用于混合动力车的电池称为高功率型锂离子蓄电池。高能型电池已于1996 年装在日产汽车公司开发的第一辆锂离子电动汽车上（日产Al2traEV） ，在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车装有12 块28. 8V、94A ·h 锂离子电池模块构成的345V、31. 2kW·h 电池组。一次充电可行驶200km，最高时速120Km/ h.售价现为50 999 美元，月租价为599 美元。其运行费用仅为燃油汽车的1/ 4.

　　表6 索尼公司电动车用锂离子电池主要技术性能

　　

　　电动车用锂离子电池推广应用的障碍之一是其价格太高。法国萨弗特公司则致力于LiNiO2 及LiNixMyO2 等较便宜的正极材料的开发并已取得技术进展。已制成1kW·h 的小组合电池， 由6 只44A·h 电池串联及并联构成， 配有智能电子控制及热管理系统。装车联试一次充电可行驶200km，比能量达120W·h/ kg ， 200W·h/ L.该公司开发的大容量工业用锂离子电池有方形及圆柱形两种， 主要技术性能见表7.

　　表7 法国萨弗特公司锂离子电池主要性能

　　

　　德国瓦尔塔公司也在开发车用锂离子电池， 特点是采要更廉价的尖晶石LiMn2O4 正极材料。1997年制成60A·h 电池，比能量为115W·h/ kg ，充放电寿命为900 次，脉冲比功率为500W/ kg.混合动力车用电池比能量为35W·h/ kg ，脉冲比功率850W/ kg。

　　目前锂离子电池除钴以外的廉价正极材料虽然已试制成相应的车用电池及电池组， 但在技术性能上都不够稳定，还有待进一步研究改进。据分析，正极加隔膜的成本占锂离子电池总成本的60 %以上， 因此如何努力降低隔膜及正极的成本将是今后的努力方向。与此同时， 索尼公司也在努力降低其锂离子电池的售价， 最近的消息是索尼公司已将其电动车用锂离子电池的出厂价降至600 美元/ kW·h ，以加强它与MH2Ni 电池的市场竞争能力。

　　在我国锂离子电池发展计划中， 天津电源研究所在小型锂离子电池的研制上已取得成果， 18650型圆柱形便携式信息设备用小型锂离子电池已进入中试生产阶段。与此同时， 该所也进行了大容量锂离子电池的研制， 已达到的研制水平如表8 所示。目前，该所正按照我国电动车概念车的要求，进行电动车用锂离子电池的研制。

　　表8 天津电源研究所方形锂离子电池主要性能

　　

　　
        1. 4 钠氯化镍电池（Zebra 电池）

　　ZEBRA 电池是80 年代中期以来研究开发的一种新型高能量电动车用电池，其名称ZEBRA 是“ZeroEmission Battery Research AcTIvity”的缩写。最早由南非ZEBRA Power SySTems Ltd 的Dr. Coetyer J 发明，近来该电池发展较快。德国AEGAngto Battery GmbH及美国的Beta R and D Ltd 都进行开发， 前者多次在国际电动车会议上（ EVS） 进行介绍， 后者已成为ZE2BRA 电池的研究开发中心并已进行中试生产和工业化设计。

　　ZEBRA 电池与Na2S 电池相似（参见表9）。

　　表9 ZEBRA 电池与Na2S 电池的对比

　　

　　负极都是液态钠， 电解质都是β″Al2O3 ， 不同的是正极由分散在NaAlCl4 熔盐中的固态Ni 和NiCl2构成， 取代了Na2S 电池中的液态S 和多硫化钠。其工作温度为270 ℃~350 ℃， 属于高温蓄电池。其性能除具有Na2S 电池相同的高能量密度， 高转换效率， 无自放电等特点外， 还具有比Na2S 电池更高的开路电压（2. 58V） ， 较宽的工作温度范围（270 ℃~350 ℃） 并在制造过程中免除了液态钠的操作麻烦（电池装配时是放电态NaCl） ，提高了安全可靠性。

　　ZEBRA 电池的表达式为：

　　

　　至今已设计了3 代ZEBRA 单电池：

　　第1 代型号为SL ， 于1994 年中试生产至1996 年底，共生产134 000 只单电池作为台架、试车及安全评估试验，缺点是峰值功率低（70W/ kg） 。

　　第2 代型号为ML ， 改进后功率达150W/ kg ，1996 年在EVS213 宣布研制成功并生产6 000 个电池用于各种试验。

　　第3 代1997 年在EVS214 宣布， 功率》 250W/kg ， 比能量》 100W·h/ kg.

　　表10 是用第2 代ML 型单电池组装的Z11 型电动车电池组（299V， 96A ·h ， 28. 7kW·h） 与USABC中期目标性能的对照。可以看出， ZEBRA 电池已达到中期目标， 个别项目还超过指标要求。其中初始生产价格虽然还达不到指标， 但因该电池的材料成本只占售价的20 % ， 因此大量生产后的降价余地较大据估算， 生产量达30 万组电池时， 价格即可降至150 美元/ kW·h.另外该电池虽然自放电很低几乎为零，但由于电池组工作温度高，停车时的热损失以及启动时需要长时间加热等缺点， 使该电池只适用于经常运转的车队车辆，不太适合于私人小轿车。

　　表10 ZEBRA 电动车电池组性能与USABC中期目标比较

　　

　　至今， ZEBRA 电池已有多年的路试历史， 目前仍有300 多个电池组在进行台架试验及路试。近百辆用ZEBRA 电池装备的电动车已有累积2000 000km的行驶里程， 其中部份试验已超过5 年， 个别车还创造了实际路试100 000km电池无故障的记录。

　　1. 5 质子交换膜燃料电池（ PEMFC）

　　PEMFC 的优点是以固体物质（聚合物膜） 为电解质， 易操作无腐蚀， 结构紧凑， 耐冲击振动， 工作温度低（80 ℃） ， 易常温起动， 具有比其他类型燃料电池更高的功率密度， 比蓄电池电动车行驶距离长。90 年代以来成为各发达国家竞相开发的电动车用电池。加、美、日、德等国处于领先地位，其中以加拿大巴拉德（Ballard） 公司（BPS） 最先进。迄今加拿大的BPS 公司已开发了3 代PEMFC 电动车电池［9 ］ ：

　　第1 代： PEMFC 电堆MK5 ， 单体平均工作电压0. 57V 时可输出功率5kW， 功率密度为150W/ kg ，150W/ L ， 24 个电堆构成PEMFC 电池发动机用于1993 年世界第一辆PEMFC 电动公共汽车， 总功率43kW， 车长9. 8m， 载客20 人， 一次加燃料行驶160km，起动时间20S ，时速48km，最高时速72km.

　　第2 代MK513 ， 单体平均工作电压为0. 58V时可输出功率13kW，功率密度300W/ kg ，300W/ L ，20个电堆串联构成总功率200kW以上的PEMFC 发动机， 相当于常规公交车所装柴油机功率并占有与柴油机相同的体积。不仅提供行车动力而且提供照明， 空调用电。以存放于车身顶部的高压贮氢为燃料，氢瓶压力21MPa ，一次加燃料可行驶400km，载客60 人，最高时速95km.

　　第3 代MK7 ， 单体平均工作电压0. 68V时可输出功率32. 3kW，功率密度700W/ kg ，1 000W/ L ，已满足并超过汽车制造商、美国能源部及PNGV（ Partnership for a New Generation Vehicle） 所确定的研制目标。

　　目前，美、日、德等国大汽车公司都致力于PEM2FC 电动车的开发，而且几乎都是用加拿大BPS 公司开发的PEMFC 电堆，实用化PEMFC 电堆水平如下：

　　（1） 用纯H2 为燃料： 70kWBPS/ Daimler2Benz 电堆，正在进行车上试验， （NECAR 4 ， 4 座小轿车） ，采用7kg 液态H2 ，可行驶450km，效率36 %.这是由于使用液态H2 必需有一定泄漏量。实际PEMFC 电堆的性能是0. 7kW/ kg ，1kW/ L ，转换效率65 % ，系统效率45 %~50 %.

　　（2） 用重整气为燃料30kWBPS/ GM电堆， 达到水平为0. 3kW/ L ， 0. 25kW/ kg ， 使用甲醇转化氢，含CO 15 ×10- 6 。

　　（3） 低Pt 载量10kW MTI（美国机械技术公司）电堆， Pt 载量0. 17mg/ cm2 ， 纯H2 为燃料， 演示性能850mA/ cm2 ，0. 6V;功率密度0. 25kW/ kg.

　　PEMFC 电动车的演示成功， 说明在技术上已取得突破， 性能上已可与燃油汽车相比。目前商品化的障碍是价格及氢源问题。为此PNGV拟定了技术及价格目标：

　　（1） 市区及高速公路混合行驶， 燃料电池系统效率55 %（LHV）

　　（2） 比功率：0. 4kW/ kg ，0. 4kW/ L

　　（3） 成本：

　　＄30/ kW（电堆）

　　＄60/ kW（系统）

　　（4） 启动时间：30s （满功率）

　　（5） 寿命：5 000h 和160 000km

　　降低价格的措施为降低铂载量， 已由0. 4mg/ cm2降至0. 13mg/ cm2 ， 并将继续降低至0. 1mg/ cm2 ，0. 05~0. 025mg/ cm2 ; 降低PEM膜价格： 已由＄700/m2 降至＄50/ m2 相当于＄10/ kW（0. 65V） 和＄17/ kW（0. 75V） ; 降低集流板价格， 目前机加工石墨板造价是电堆造价的60 % ， 措施是用不锈钢表面改性、轻金属镀钛或炭黑聚合物模压复合材料（ 电阻率《 0. 01Ωcm2） 以及研究膜电极组件的大规模生产工艺等。

　　为了将来不必大规模改造当前汽车燃料的供应基础设施， 各大汽车公司正集中力量研究车载重整器如小型高集成重整器， 可用汽油， 甲醇、乙醇等以及部份氧化甲醇重整器， 优点是无须加热， 直接加入甲醇即可起动。起动时间可以《 100s.但这样的重整气含CO 达到1 % ，必需处理后方可送入燃料电池。

　　尽管已有上述降价途径，但要达到目标，可能还需较长时间（7~10 年）。

　　2 展望

　　从长远的能源及环境保护角度来看， 发展电动车将成为必然的趋势。自1996 年以来， 已有3 种类型电动车问世，即以纯蓄电池驱动的零排放的BEV、以燃油机与蓄电池混合驱动的HEV 及以燃料电池驱动的FCEV.下面试图讨论一下这3 种电动车的发展趋势。

　　（1）BEV电动车这种车的优点是零排放，缺点是一次充电行程短， 因此只适用于城市中心及小区内的短途运输。改进的铅蓄电池将成为此类车的首先商品化电池。以后，当MH2Ni 电池，锂离子电池及Na2NiCl2 电池的技术及生产逐渐达到市场接受的性能价格比时，将部份取代铅蓄电池。按我国的国情，发展小型电动车，包括电动两轮车、三轮车及微型四轮车是符合我国国情的个人交通工具， 比发达国家具有更广泛的市场前景， 政府应鼓励这类车按市场机制开发， 同时要抓紧充电站等基础设施建设及在政策、法规上予以支持，尤其要注意建立废电池回收体制，防止不规范的废电池回收造成更大污染。

　　（2） HEV混合电动车国外这类车正在形成新一轮的技术开发热点。其优点是能提高燃油经济性，缺点是不能达到零排放，只能改善其排放。在零排放电动车未成主流之前， 可起到过渡性发展的作用。日本丰田Prius 产品的出现，给整个工业以极大推动作用。这类车将以高功率型MH2Ni 电池及锂离子电池为主。展望未来，尽管目前Prius 车的售价是受政府补贴的，但可以预期随着油价的上升，技术的进步， 销售量的扩大， 其成本会不断降低， 最后达到有限商品化的程度。我国汽车工业水平相对落后，对HEV的开发， 刚刚提到议事日程， 它牵涉到我国整个汽车工业的发展战略问题， 有待有关部门的深入研究。

　　（3） FCEV燃料电池电动车这是一种唯一能与燃油汽车相比的电动车， 有可能成为未来的主流技术。但燃料电池要达到商品化还要克服许多难题，如氢的贮存、产氢供氢基础设施、液体燃料转化器的开发， 系统响应性的提高等。为了分担技术开发费用及风险， 国外各大汽车公司均采用携手合作的办法， 如福特和戴姆勒克莱斯勒于1997 年底宣布共同投资近10 亿美元合作开发燃料电池电动汽车技术，设定2004 年推出燃料电池电动车产品的目标。通用和丰田公司最近也宣布联合开发意向。可以预期在今后5~10 年内， 燃料电池电动车技术会得到较快发展。

　　我国以大连化物所为中心，正在开发PEMFC 技术及气体燃料转化器技术并计划在2000 年底进行装车演示。鉴于燃料电池电动车是一个复杂的高新技术系统工程，很有必要采取强强联合，分担技术开发费用及风险， 发挥政府、企业和科研的联合力量，加快技术开发进度。