新能源汽車基礎(chǔ)：2車用動力電池

第2章車用動力電池概述

鉛酸電池鎳氫電池鋰電池其他電池超級電容

飛輪儲能裝置車輛運(yùn)行的必要條件攜帶一定量的能量。（儲能單元或裝置）能將其它能量轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。（驅(qū)動裝置）儲能單元或裝置：油箱（燃油車）儲氣罐（氣體燃料車）蓄電池（電動車輛）儲氫裝置（燃料電池汽車）超級電容（電動車輛，主要用于混合動力汽車）飛輪儲能裝置（電動車輛，主要用于混合動力汽車）第1節(jié)概述蓄電池：能量儲存裝置，按電能→化學(xué)能→電能→化學(xué)能的可逆變換過程來工作，能量轉(zhuǎn)換受到“活性物質(zhì)”的局限。可用于電動汽車的蓄電池有：鉛酸電池鎳氫電池鋰離子電池鎳鎘電池鋅空氣電池鈉硫電池鋅片：Zn–2e-=Zn2+銅片：2H++2e-=H2↑氧化反應(yīng)（負(fù)極）還原反應(yīng)（正極）e-原電池原理回顧總式：Zn+2H+=Zn2++H2↑原電池組成條件：①活潑性不同的兩個(gè)電極（金屬與金屬或石墨或不溶性的金屬氧化物）；②有電解質(zhì)溶液且必須形成閉合回路;③能自發(fā)地發(fā)生氧化還原反應(yīng).一、蓄電池性能參數(shù)1.電壓（V）

電動勢：一個(gè)表示電源特征的物理量。是指電源將其它形式的能量轉(zhuǎn)化為電能的本領(lǐng)，在數(shù)值上，等于非靜電力將單位正電荷從電源的負(fù)極通過電源內(nèi)部移送到正極時(shí)所做的功。

開路電壓：電池在開路時(shí)的端電壓。端電壓是指電源加在外電路兩端的電壓，是靜電力把單位正電荷從正極經(jīng)外電路移到負(fù)極所做的功。

工作電壓（放電電壓）：電池兩端接上負(fù)載后，在放電過程顯示的電壓，U=E-I.r額定電壓：電池在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下工作時(shí)應(yīng)達(dá)到的電壓。

截止電壓：電池在規(guī)定條件下放電時(shí)，電池不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓。2.電池容量（A.h）理論容量：假定電池的活性物質(zhì)全部參加成流反應(yīng)，根據(jù)法律第定律計(jì)算的電量。

實(shí)際容量：充滿電的電池在一定條件下放電能輸出的電量，它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積。放電條件（放電率）表示方式：（1）時(shí)率：用放電時(shí)間表示放電速率，指一定的放電電流到截止電壓所需的小時(shí)數(shù)。此放電率稱為i小時(shí)放電率。i小時(shí)率放電容量：在恒流放電下，正好用i小時(shí)把充滿電的電池放電到截止電壓所能放出的電量，用Ci表示。啟動電池用C20，牽引電池用C5，電動汽車電池用C3表示。（2）倍率：以放電電流表示放電速率，指實(shí)際電流為額定電流的倍數(shù)。表示方法：5C,20C,1/3C等額定容量：在規(guī)定的放電條件下應(yīng)該輸出的電量，是驗(yàn)收電池質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)。我國用3小時(shí)放電率定義動力蓄電池的額定容量。C33.能量比能量（Wh/kg）：單位質(zhì)量的蓄電池所能輸出的能量。蓄電池的比能量影響電動汽車?yán)m(xù)駛里程。能量密度（Wh/L）：單位體積的蓄電池所具有的能量。在表示蓄電池的比能量和能量密度時(shí)，一定要指出充/放電率。4.功率比功率（W/kg）：單位質(zhì)量蓄電池所具有的輸出能量的速度。蓄電池的比功率影響電動汽車的加速性能和爬坡性能。功率密度（W/L）：單位體積蓄電池所具有的輸出能量的速度。

4.充電狀態(tài)（stateofcharge，SOC）定義：電池剩余容量占額定容量的比例。

SOC=SOC0+1/C∫t0t

I(t)dtSOC0------電池的初始SOC;I------電池工作電流，充電為正，放電為負(fù)；

C------電池額定容量。5.放電深度（depthofdischarge，DOD）定義：以放出的電量與額定電量的比值。

DOD=1-SOC6.循環(huán)使用壽命電池充電和放電一次為一個(gè)循環(huán)。循環(huán)使用壽命為當(dāng)電池容量降到某一規(guī)定值（我國規(guī)定為額定值的80%）前，電池經(jīng)歷的充放電循環(huán)次數(shù)。二.車輛對動力電池性能的要求1.純EV對電池的工作要求（1）為保證續(xù)駛里程，應(yīng)攜帶足夠容量電池組，要求電池具有大的比能量和能量密度，有利于在有限的布置空間攜帶更多的能量，實(shí)現(xiàn)更長的續(xù)駛里程。（2）為使車輛運(yùn)行更長的里程，電池的放電電流不宜過大，典型的連續(xù)放電不超過1C，典型峰值放電不超過3C。（3）為盡可能回收制動能量，電池應(yīng)可接受較大充電電流，要求能承受高達(dá)5C的脈沖電流充電。（4）為盡可能利用電池存儲容量，滿足行駛要求，要求電池能實(shí)現(xiàn)深度放電，必要時(shí)能實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷功率和全放電。（5）具有長的使用壽命和較高的充放電效率，減少車輛的使用和運(yùn)行成本。2.HEV對電池的工作要求與EV相比，對容量要求有所降低，需要時(shí)提供更大的瞬時(shí)功率。大致有如下幾方面的要求：（1）為減輕發(fā)動機(jī)負(fù)擔(dān)，并滿足加速、爬坡的動力性要求，要求電池能提供大瞬時(shí)功率。應(yīng)當(dāng)選用大比功率的電池。（2）為滿足動力性和回收制動能量的要求，應(yīng)能承受大電流充放電。（3）在苛刻的工作條件下，有很長的使用壽命。要求有1000以上的深度放電循環(huán)和40萬次以上淺度放電循環(huán)。（4）為保證正常使用和延長壽命，SOC應(yīng)保持在50~85%的范圍內(nèi)。HEV的結(jié)構(gòu)、工作模式復(fù)雜，對電池提出統(tǒng)一要求比較困難。例如，串聯(lián)HEV、并聯(lián)HEV對電池的要求有區(qū)別：串聯(lián)HEV由發(fā)電機(jī)和電池共同向電機(jī)提供電能，電池的SOC較高，對電池的要求與EV類似，但容量小些；并聯(lián)HEV的電池容量可以更小，但瞬時(shí)功率要求能滿足加速爬坡要求，最大放電電流可能達(dá)20C以上。USABC制定的電動汽車用蓄電池的中、長期性能指標(biāo)：第2節(jié)鉛酸電池極板—由板柵和活性物質(zhì)組成。

正極板活性物質(zhì)：二氧化鉛（PbO2),棕紅色

負(fù)極板活性物質(zhì)：海綿狀純鉛（Pb）,深灰色一.結(jié)構(gòu)極板隔膜電解液外殼按電池蓋密封與否，分為開口式和閥控式兩種。隔膜：作用：在正、負(fù)極板間起絕緣作用，防止正負(fù)極板短路，使電池結(jié)構(gòu)緊湊；隔膜上有許多微孔，使電解液中正負(fù)離子順利通過；阻緩與隔離脫落的正負(fù)極板活性物質(zhì)；防止正負(fù)極板因震動而損傷。隔膜可由PVC、PE塑料、微孔橡膠或玻璃纖維棉等制成。閥控鉛酸電池中隔膜多采用吸附式玻璃纖維棉(AbsorbedGlassMat，AGM)。

電解液：

用純硫酸和蒸餾水按一定的比例配制成配制成的電解液，比重一般在1.24～1.30g/cm3之間。近年來，膠體電解質(zhì)鉛酸電池得到廣泛關(guān)注。它依然用密度為1.28g/cm3的硫酸液作為電解液，在其中添加SiO2作為凝固劑，形成乳白色膠體，電解液吸附在極板和膠體內(nèi)。膠體的狀況會隨著溫度和電場的作用而變化。

二、工作原理電動勢的建立正極板：

PbO2→Pb4+

＋2.0V負(fù)極板：

Pb-2e→Pb2+

-0.1V兩極板之間的電動勢為2.1V 一個(gè)極板組的電動勢是2.1V，要得到12V電壓需串聯(lián)6個(gè)單體。放電時(shí)化學(xué)反應(yīng)為：正極板：Pb4++2e→Pb2+

Pb2++SO42-→PbSO4

附在正極板上負(fù)極板：Pb-2e→Pb2+Pb2++SO42-→PbSO4附在負(fù)極板上

總方程式為：PbO2＋Pb＋2H2SO4→2PbSO4＋

2H2O電解液中：H++OH-→H2OSO42-→減少

電解液硫酸濃度降低充電時(shí)，正極板：負(fù)極板：總反應(yīng)式：兩電極表面PbSO4的SO4-不斷回到電解質(zhì)，電解質(zhì)硫酸的濃度和密度都增加。

充放電總方程式為：放電PbO2＋Pb＋2H2SO4?PbSO4＋2H2O+PbSO4

正極負(fù)極充電正極負(fù)極三、充放電特性

放電特性：在放電過程中，端電壓等狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間變化規(guī)律。放電過程中，端電壓分為開始放電、相對穩(wěn)定和迅速下降階段。鉛酸電池電池放電終了的特征是:（1）電壓降到放電終止電壓；（2）電解液密度降到最小終止值。鉛酸電池放電特性充電特性：在充電過程中，蓄電池端電壓等狀態(tài)參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律。充電終了的特征:（1）端電壓和電解液密度上升到最大限值，在2小時(shí)內(nèi)不上升

（2）電解液發(fā)生劇烈的電解水反應(yīng)，生成大量氣體。鉛酸電池充電特性四、特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）技術(shù)成熟，原料易得，成本低；（2）比功率較大，達(dá)200~300W/kg；（3）使用溫度范圍大，可在-40～60℃環(huán)境下工作；（4）適合于浮充電使用，無記憶效應(yīng)。缺點(diǎn)：

（1）比能量低，只有30~45Wh/kg；（2）質(zhì)量重，限制了攜帶的電池?cái)?shù)量；（3）使用壽命不長，循環(huán)使用壽命不到500次。第3節(jié)

鎳氫電池（Ni-MH）一、結(jié)構(gòu)：鎳氫電池由正極、負(fù)極、隔膜、電解液、電池鋼殼以及頂蓋、密封圈等附件組成，鎳氫電池外形有圓柱形和方形兩種。

1-正極接線柱；2-密封圈；3-正極板；4-隔膜；5-負(fù)極板；6-負(fù)極集電極7-金屬外殼二、正負(fù)極與工作原理正極：球狀Ni(OH)2粉末與添加劑（鈷、鎘、鋅等金屬）、粘合劑制成涂膏，涂在正極板上。正極活性物質(zhì)：Ni(OH)2(氫氧化鎳，充電時(shí))

NiOOH（氫氧化氧鎳，放電時(shí)）負(fù)極：儲氫合金。能反復(fù)吸收和釋放出氫原子的合金晶格。

負(fù)極活性物質(zhì)：H2（放電時(shí)）和H2O（充電時(shí)）。電解質(zhì)：30%KOH溶液，加入少量的LiOH。鎳氫電池主要材料-正極球形氫氧化鎳

Ni(OH)2

綠色球形粉末，粒徑7~15μm半導(dǎo)體，電子不導(dǎo)電，需要氧化亞鈷導(dǎo)電;覆鈷球鎳黑色粉末，包覆氧化亞鈷導(dǎo)電，充電后形成黑色NiOOH

氧化亞鈷

CoO

灰褐色粉末易氧化，真空包裝，粒徑≤0.45μm，充電時(shí)能形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，正常充電形成CoOOH導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，過放后容易被破壞發(fā)泡鎳

99%Ni,金屬灰色，多孔狀，孔率≥95%，用于導(dǎo)電和支撐球鎳的骨架氫以原子形式儲存，固態(tài)儲氫LaNi5中氫原子的位置

氫分子與合金接觸時(shí)，吸附于合金表面上，氫分子分解成為氫原子，原子狀氫從合金表面向內(nèi)部擴(kuò)散，形成固溶體，在固溶體飽和之后，過剩的氫原子與固溶體反應(yīng)生成氫化物。氫與金屬或合金的反應(yīng)是一個(gè)多相反應(yīng)，由以下幾個(gè)反應(yīng)組成：氫分子傳輸、吸附氫的分解、表面遷移、吸附氫轉(zhuǎn)化成吸收氫、氫在α相稀固態(tài)溶液中擴(kuò)散、α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪唷湓跉浠镏袛U(kuò)散。充放電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)

放電負(fù)極：MHx

-e-

+OH-

→M+H2O

正極：NiOOH+H2O

+e-

→

Ni(OH)2+OH-

充放電過程：負(fù)極發(fā)生H2和H2O間的可逆變換，正極發(fā)生Ni(OH)2

和NiOOH

間的可逆變換?？偡磻?yīng)：MHx

+NiOOH

→

M+Ni(OH)2負(fù)極正極

充電負(fù)極：M+H2O+e-→

MHx

+OH-

正極：Ni(OH)2+OH-

→

NiOOH+H2O

+e-

總反應(yīng)：M+Ni(OH)2→

MHx

+NiOOH

負(fù)極正極三、鎳氫電池充放電特性充電電流越大（充電速度快），充電電壓高，但充電效率也低。不同電流下的充電特性不同電流下的放電特性放電電流越大，放電電壓越低，放電時(shí)間短，能放出的容量越小。溫度特性溫度越高，電池電壓越低，能夠充入的容量越小，即充電效率越低。在各種環(huán)境溫度下，在電池接近充電終了時(shí)，電池電壓升高，當(dāng)充電容量達(dá)到額定容量時(shí)，電池電壓達(dá)到峰值。隨后，由于電池發(fā)熱，電池的電壓又降低。在-20℃~20℃范圍內(nèi)，溫度越高，放電電壓越高，但是溫度過高（60℃），又會導(dǎo)致電壓急劇降低。在小電流放電時(shí)，溫度對放電容量的影響不大。放電電流越大，溫度對放電容量影響越明顯，尤其是在低溫放電時(shí)（0℃以下），放電容量下降非常顯著。自放電特性自放電機(jī)制有：（1）正極活性物質(zhì)NI(OH)2的成分自分解，產(chǎn)生的氧可能達(dá)到負(fù)極，減少正負(fù)極的活性物質(zhì)，造成電池容量降低。（2）儲氫合金的氫從負(fù)極到達(dá)正極，與正極反應(yīng)造成活性物質(zhì)損失，使容量降低。（3）正極存在氮化物雜質(zhì)，引起亞硝酸鹽和氨的氧化還原穿梭反應(yīng)的進(jìn)行，使正極退化。（4）電池內(nèi)壓的形成。鎳氫電池自放電容量損失是可逆的，長期儲存的電池經(jīng)過3~5次小電流充放電后，可使電池容量恢復(fù)。四、優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）比能量達(dá)60-70Wh/kg，比功率達(dá)150-300W/kg；（2）使用壽命較長，循環(huán)充放電達(dá)1000次；（3）耐過充、過放電能力較強(qiáng)。（4）綠色環(huán)保，無鉛、鎘等對人體有害金屬污染。（5）使用溫度范圍寬，可以在-23～55℃下正常工作。缺點(diǎn)：（1）自放電損耗較大，月?lián)p失20-40%；（2）對溫度敏感，溫度對放電電壓和容量有較大影響；（3）目前成本較高，鉛酸電池5倍以上。（4）單體電池電壓較低，為1.2V。第四節(jié)鋰離子電池鋰是最輕的金屬，暴露在空氣或遇水會發(fā)生燃燒。一、工作原理正極：LiMnO2（氧化錳鋰，錳酸鋰）、LiNiO2（氧化鎳鋰，鎳酸鋰）、LiCoO2（氧化鈷鋰

，鈷酸鋰）、LiFePO4（磷酸鐵鋰）等鋰化金屬化合物?？梢郧度牒兔摮鯨i+。負(fù)極：天然石墨、人造石墨和層狀石墨的鋰碳化物

LixC等制造。電解質(zhì)：非水電解質(zhì)——有機(jī)溶液（液態(tài)鋰離子電池）或固體聚合物（聚合物鋰離子電池）。充電過程電池反應(yīng)正極：LiMO2-xe-

→Li1-xMO2+xLi+

負(fù)極：C+xLi++xe-→LixC

總反應(yīng)：C+LiMO2?LixC+Li1-xMO2

在充放電過程中，鋰離子通過電解質(zhì)游離于正負(fù)極之間。充電時(shí)，鋰離子由正極嵌入負(fù)極；放電時(shí)，脫離負(fù)極回到正極。

負(fù)極正極負(fù)極正極放電過程電池反應(yīng)負(fù)極：LixC-xe-→C+xLi+

正極：Li1-xMO2+xLi++xe-→LiMO2

總反應(yīng)：LixC+Li1-xMO2?C+LiMO2鋰離子電池工作原理二、正極材料

要求：

（1）晶體結(jié)構(gòu)有利于Li+的嵌入和脫出，晶體結(jié)構(gòu)牢固，在充放電過程中穩(wěn)定性好，使電極具有良好的可逆性，以保證電池具有長循環(huán)壽命。

（2）充放電過程中有大量的Li+嵌入和脫出，使電極具有高的電化學(xué)容量。

（3）有較高的氧化還原電位，從而使電池具有較高的輸出電壓。

（4）Li+在電極材料中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，以減少極化造成的能量損耗，便于電池的快速充放電。

（5）有較高的電導(dǎo)率，能使電池大電流的充電和放電。

（6）氧化還原電位變化小，以保證電池平穩(wěn)的充電和放電。

（7）正極材料不與電解質(zhì)等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。

（8）價(jià)格便宜，對環(huán)境無污染。

過渡金屬氧化物，主要有

層狀結(jié)構(gòu)：LiCoO2、LiNiO2、LiMnO2，

尖晶石型：LiMn2O4，

橄欖石型：LiFePO4

多元材料等。LiCoO2層狀結(jié)構(gòu)這種層狀結(jié)構(gòu)有利于Li+在由CoO6八面體形成的二維空間進(jìn)行可逆的嵌入和脫出。比能量高，工作電壓較高（3.7V），充放電電壓平穩(wěn)，適合大電流充放電，容易制備。Co資源有限，價(jià)格較貴，且對環(huán)境有污染。Li+的反復(fù)嵌入與脫出會造成LiCoO2的結(jié)構(gòu)在多次收縮和膨脹后從三方晶系到單斜晶系的相變，還導(dǎo)致發(fā)生粒間松動而脫落，使內(nèi)阻增大，容量減小，造成循環(huán)性能不佳。

O原子構(gòu)成面心立方緊密堆積(CCP)，鋰和錳分別占據(jù)CCP堆積的四面體位置和八面體位置。四面體晶格和八面體晶格共面構(gòu)成一系列互通的三維離子通道，適合Li+脫出和嵌入。Mn2O4骨架極為穩(wěn)定，對Li+和溶劑或其它體積較大的陽離子具有選擇性，可避免有害的溶劑共嵌入效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn)：Mn資源豐富，無毒無污染，價(jià)格便宜；安全性好，耐過充放電。缺點(diǎn)：理論容量偏低；材料在電解質(zhì)中會緩慢溶解，造成電池容量減少；在較高溫度下，材料容易發(fā)生晶格畸變，造成電池容量迅速衰減。LiMn2O4層狀尖晶石結(jié)構(gòu)FeO6八面體和PO4四面體通過共角或者共邊連接成開放性的三維框架結(jié)構(gòu)。相鄰的FeO6八面體共用一個(gè)氧原子，從而互相連接形成Z字形的FeO6層，在FeO6層之間，構(gòu)成了Li+的連續(xù)直線鏈，這使得Li+可能形成二維擴(kuò)散運(yùn)動。優(yōu)點(diǎn)：三維框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，在充放電過程中結(jié)構(gòu)、體積變化小，可逆性好，有利于提高循環(huán)壽命；具有很好熱力學(xué)穩(wěn)定性，在高溫還是低溫下均具有良好存儲性能；價(jià)格低廉，無毒無污染。不足：電子和Li+的傳導(dǎo)率低，只適合于小電流密度下充放電。LiFePO4橄欖石結(jié)構(gòu)三、負(fù)極材料

要求：

（1）具有較低的氧化還原電位，接近金屬鋰的電位，使電池的輸出電壓高。

（2）Li+能夠大量地在主體材料中可逆脫嵌，比容量值大。

（3）在Li+的脫嵌過程中，主體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，變化小，以獲得好的循環(huán)性能。

（4）氧化還原電位隨插鋰數(shù)目的變化應(yīng)盡可能少，以使電壓不發(fā)生顯著變化，保持平穩(wěn)的充放電。

（5）有較好的電子電導(dǎo)率和離子電導(dǎo)率，減少極化，利于大電流充放電。

（6）Li+在材料中有較大的擴(kuò)散系數(shù)，利于快速充放電。

（7）容易獲得，成本不高，環(huán)保性好。負(fù)極材料主要有石墨由于具備電子電導(dǎo)率高、Li+擴(kuò)散系數(shù)大、層狀結(jié)構(gòu)在嵌鋰前后體積變化小、嵌鋰容量高和嵌鋰電位低等優(yōu)點(diǎn)，目前是主流的商業(yè)化鋰離子電池負(fù)極材料。石墨屬于六方晶系，其晶體是由碳原子組成的六角網(wǎng)狀平面規(guī)則堆砌而成，具有層狀結(jié)構(gòu)。在每一層內(nèi)，碳原子排成六邊形。良好的層狀結(jié)構(gòu)十分適合Li+的反復(fù)嵌入脫離。Li+嵌入石墨層間后，形成嵌鋰化合物L(fēng)ixC6（0≤x≤1），四、電解質(zhì)鋰離子電池對電解質(zhì)的要求：(1)有較高的離子導(dǎo)電性；(2)化學(xué)穩(wěn)定性高，與電池的電極材料、集流體、隔膜、粘接劑等基本上不發(fā)生反應(yīng)；(3)熱穩(wěn)定性強(qiáng)，在較寬的電位范圍內(nèi)不發(fā)生分解反應(yīng)；(4)安全無污染，容易制備，成本低。鋰離子電池電解質(zhì)分為液體電解質(zhì)和聚合物電解質(zhì)。液體電解質(zhì)由鋰鹽溶解于有機(jī)溶劑中制備而得，具有導(dǎo)電性好、與電極相容性好等優(yōu)點(diǎn)。存在滲漏、安全性差、需要堅(jiān)固金屬殼、電池尺寸缺乏靈活性、電池組裝復(fù)雜等缺點(diǎn)。聚合物電解質(zhì)采用高分子材料為基體的聚合物，使有機(jī)溶劑/鋰鹽存在于聚合物網(wǎng)絡(luò)中。具有離子導(dǎo)電性強(qiáng)、力學(xué)性質(zhì)好、易薄膜成形、柔軟質(zhì)輕、有彈性以及不滲漏等特性。除了作為傳遞離子的電解質(zhì)用，聚合物電解質(zhì)還可作為正負(fù)電極間隔膜用。五、性能特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：單體電池的額定電壓達(dá)到3.6-4V。比能量高達(dá)100-120Wh/kg，比功率高達(dá)250-400W/kg。循環(huán)壽命達(dá)1000次以上。無記憶效應(yīng)，環(huán)保性好。自放電率小，月10%。缺點(diǎn)：大電流放電能力差。限制在2~3C。成本較高

鎳鎘、鎳氫、鋰離子電池性能的對比

技術(shù)參數(shù)

鎳鎘電池

鎳氫電池

鋰離子電池

工作電壓（V）

1.2

1.2

3.6

比能量(Wh/kg)

50

65

105-140

能量密度(Wh/L)

150

200

300

充放電壽命(次)

500

500

1000

自放電率（%/月）

25-30

30-35

6-9

有無記憶效應(yīng)

有

有

無

有無污染

有

無

無

（注：充電速率均為1C）

第5節(jié)其它電池一、金屬空氣電池以金屬（常用鋅、鋁）為正極、空氣為負(fù)極的一類電池。

鋅空氣電池鋅為負(fù)極活性物質(zhì)空氣中氧氣作為正極活性物質(zhì)，多孔活性碳作為正極氫氧化鉀作為電解質(zhì)鉑或其它材料為催化劑

負(fù)極：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e正極：O2+2H2O+4e→4OH-總反應(yīng)：Zn+O2→2ZnO按照補(bǔ)充能量的方式分為直接充電式和機(jī)械更換式

直接充電式：直接對電池的鋅電極進(jìn)行充電。存在問題：電極易現(xiàn)變形、枝晶生長、腐蝕、鈍化現(xiàn)象，逐步失效。電解液在大氣環(huán)境中易碳酸化，且受空氣濕度的影響較大。機(jī)械更換式：將用過的負(fù)極鋅板取出，換上新的鋅電極；或?qū)⒄麄€(gè)電池完全更換。特點(diǎn)比能量高，理論達(dá)1350Wh/kg，目前達(dá)180~230Wh/kg。適應(yīng)性強(qiáng)，可在-20～80℃下正常工作，允許深度放電，電池組沒有充放電不一致性的問題。制造成本低，正極活性物質(zhì)來源于空氣，鋅來源豐富，鋅負(fù)極可回收利用。存儲時(shí)間長，在存儲時(shí)可將電池密封，將電池的空氣孔與外界隔離，電池容量損失極小。安全性和環(huán)保性好，廢舊電池便于回收和再利用。比功率不高，即能量釋放速度慢，采用通常的充電方法時(shí)間長。二、鈉硫電池Na-S金屬鈉為負(fù)極活性物質(zhì)，熔融的硫?yàn)檎龢O活性物質(zhì)，三氧化鋁和少量的氧化鈉形成陶瓷固態(tài)電解質(zhì)，要保持300-350°C高溫才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

放電：負(fù)極的Na在固態(tài)電解質(zhì)界面氧化成Na+，Na+通過電解質(zhì)遷移到正極與S發(fā)生反應(yīng)生成Na2S。充電：Na2S分解，Na+遷移回負(fù)極并還原成Na，而分解出的S保留在正極。負(fù)極：Na?Na++e正極：S+2e?S2-總反應(yīng)：2Na+S?Na2S鈉硫電池特點(diǎn)：（1）比能量較高，理論值為760Wh/kg，實(shí)際應(yīng)用可到100Wh/kg。（2）單體電池電壓較高，在2.0V左右。（3）使用性能好，可大電流放電，使用壽命長，無自放電現(xiàn)象。（4）制造過程無污染，廢舊電池易回收和再利用。（5）工作時(shí)需將電池加熱300~350℃，硫融化后才能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使用不便，并帶來一定的安全問題。三、鈉氯化鎳電池（Na-NiCl2）在鈉硫電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

ZEBRA電池（Zeroemissionbatteryresearchactivity）正極活性物質(zhì)：Ni,NiCl2。它們在工作溫度（270-350℃）為固態(tài)，為便于反應(yīng)中的Na+遷移，在正極添加NaAlCl4熔鹽作為第二液態(tài)電解質(zhì)，Ni和NiCl2分散在NaAlCl4熔鹽中。

負(fù)極活性物質(zhì)：液態(tài)金屬鈉電解質(zhì)：允許Na+通過的β″-Al2O3陶瓷固體電解質(zhì)負(fù)極：Na?Na++e正極：2Na++NiCl2+2e?2NaCl+Ni總反應(yīng)：2Na+NiCl2

?2NaCl+NiZEBRA電池特點(diǎn)：（1）比能量較高（理論值790Wh/kg，實(shí)際可達(dá)100Wh/kg）、比功率較高，達(dá)到150W/kg。（2）單體電池電壓高，達(dá)到2.5V。（3）使用性能好，無自放電，容量與放電率無關(guān)、可快速充電（30分鐘可充入50%容量）、循環(huán)壽命長（達(dá)1000次）、全密封免維護(hù)。（4）電池抗腐蝕能力強(qiáng)。將腐蝕性較強(qiáng)的正極活性物質(zhì)置于β″-Al2O3陶瓷管內(nèi)，降低了對電池殼體的防腐苛求。（5）相對于鈉硫電池，安全性得到提高。組成材料無低沸點(diǎn)、高蒸汽壓物質(zhì)。（6）和鈉硫電池原理類似，采用β″-Al2O3固體電解質(zhì)決定其需要保持在300℃左右的工作溫度，電池的啟動需要一定的時(shí)間，限制了它的應(yīng)用范圍。USABC2003004001000<100第6節(jié)超級電容一、使用背景汽車勻速行駛時(shí)，所需的平均功率低，而加速和爬坡時(shí)的峰值功率相當(dāng)高，峰值功率可達(dá)平均功率16倍。對于電動汽車，蓄電池很難同時(shí)滿足高比能量、高比功率和長壽命，即續(xù)駛里程與加速爬坡性能存在一定矛盾。一個(gè)解決方案：采用兩套能源系統(tǒng)，主能源提供長的續(xù)駛里程，輔助能源加速和爬坡時(shí)提供大的瞬時(shí)輔助功率。超級電容適合作輔助動力。二.超級電容的特點(diǎn)比功率相當(dāng)高，可達(dá)1000W/kg以上。充放電線路簡單，充放電能力強(qiáng)，充電速度快，可迅速高效地回收再生制動能量。使用壽命長，循環(huán)充放電壽命高達(dá)幾十萬次，是蓄電池的幾百倍。比能量很低，通常不超過10Wh/kg，不太適合單獨(dú)驅(qū)動車輛，單獨(dú)驅(qū)動時(shí)續(xù)駛里程較短，需經(jīng)常充電。性能超級電容蓄電池比功率（W/kg）500~10000＜500比能量（Wh/kg）＜1030~200充電時(shí)間幾分鐘1~8小時(shí)循環(huán)壽命（次）＞100000300~1000充放電效率0.6~0.850.85~0.98三、原理

超級電容正式名稱是電化學(xué)電容，是一種介于電介質(zhì)電容與電化學(xué)電池之間的一種儲能元件。儲能機(jī)理可分為雙電層電容機(jī)理和法拉第準(zhǔn)電容機(jī)理兩種

1、雙電層電容傳統(tǒng)電容：兩個(gè)電極和之間的電介質(zhì)組成。電介質(zhì)在電場作用下極化，不同電荷在分別位于兩極，電容值為：

C=ε·A/3.6πd·10-6(μF)

其中A為極板面積，d為介質(zhì)厚度，ε為相對介電常數(shù)想獲得較大的電容量，儲存更多的能量，須面積A或減少介質(zhì)厚度d。所儲存的能量為：

E=1/2C（ΔV）2

ΔV為極板間的電壓降。傳統(tǒng)電容是從平板狀導(dǎo)電材料得到其儲存電荷面積的，只有將一很長材料纏繞起來才能獲得大的面積，從而獲得大的電容。傳統(tǒng)電容是用塑料薄膜、紙張或陶瓷等將電荷板隔開。這類絕緣材料的厚度不可能做得非常簿。雙電層結(jié)構(gòu)相對的多孔電極之間充填電解液和絕緣層。兩端加電壓時(shí)，相對的多孔電極上分別聚集正負(fù)電子，而電解質(zhì)溶液中的正負(fù)離子將由于電場作用分別聚集到與正負(fù)極板相對的界面上，從而形成雙電層結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于兩個(gè)電容器串聯(lián)。由于界面存在位壘，兩層電荷不能越過邊界互相中和。雙電層電容具有大電容原因：活性炭電極材料具有≥1200m2/g的超高比表面積（可獲得極大的電極面積A）。雙電層的厚度數(shù)量級為0.1nm

（獲得了極小的介質(zhì)厚度d）。雙電層電容器比傳統(tǒng)的物理電容的容值要大很多，提高百倍以上。2.法拉第準(zhǔn)電容利用在電極表面及其附近發(fā)生在一定范圍內(nèi)快速且可逆的法拉第反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)儲能。電極材料通常為過渡金屬氧化物和有機(jī)導(dǎo)電聚合物，以活性物質(zhì)表面及體相所發(fā)生的快速可逆的氧化還原反應(yīng)形式儲存能量，其能量的存儲是間接的，與蓄電池的能量存儲相似。但兩者也有很大不同，法拉第反應(yīng)的電壓隨充進(jìn)電荷的增加而成線形變化。能產(chǎn)生很大的容量，遠(yuǎn)大于活性碳材料表面的雙電層電容。超級電容的應(yīng)用作為電動汽車的唯一電源，提供短途行駛所需要的能量。作為燃料電池電動車的輔助動力電源，與燃料電池主電源形成混合動力，提供瞬間大功率（爬坡、加速時(shí)）并回收制動能量，起到重要的功率平衡作用，減輕燃料電池的負(fù)擔(dān)，延長其使用壽命。作為純EV的輔助能源，提供峰值功率。主電池的大小可滿足車輛連續(xù)平均功率的要求來選擇，體積、容量、重量、成本都得到降低，電池壽命延長。作為燃油發(fā)動機(jī)或燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的輔助電源，形成油電混合動力或氣電混合動力

。承擔(dān)峰值功率需求，減輕發(fā)動機(jī)負(fù)擔(dān)，回收制動能量，降低燃油或燃?xì)獾南?，減少有害氣體排放

。作為太陽能、風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)中的永久性蓄能裝置。作為電站直流操作電源、高壓環(huán)網(wǎng)功率補(bǔ)償電源等。在電子電器（汽車音響、儀器儀表、家用電器、手機(jī)、電腦、數(shù)碼相機(jī)……）中作為備用電池或主電池。

2006年，由超級電容驅(qū)動的車輛在上海投入試運(yùn)行，已經(jīng)在3條公交線路上使用，媒體給與高度評價(jià)。

“中國汽車報(bào)”的整版報(bào)導(dǎo)，

題目是：“超級電容車承載希望駛向未來”

2006年10月，在上海的鬧市區(qū)，正式開通了11路公交車，全線以超級電容車運(yùn)營。用普通的公交車改裝的超級電容車輛另外一路超級電容公交車，在磁懸浮列車的終點(diǎn)站服務(wù)。請注意，每個(gè)車站，在車輛的上方有充電設(shè)施，車輛進(jìn)站后，可以在30秒內(nèi)給車輛充足電能。

超級電容公交車正常工作電壓，V360～600最高充電電壓,V610靜態(tài)電容，F(xiàn)200存儲能量

（wh）6400最高電流（A）200內(nèi)阻

(mΩ)0.22電容器重量

（kg）980某超級電容公交車運(yùn)營中得到的數(shù)據(jù)：●

每次充電后可以用22km/h的時(shí)速，連續(xù)行駛7.9km，輸出的功率為5KW●

站間充電時(shí)間：

30秒

總站充電時(shí)間：

90秒●

0→40km/h加速時(shí)間,16.5秒●

最高車速

:44.8km/h●

爬坡能力:

可在

7.8%坡度上起動

●

可以回收剎車能量

●

能量消耗:每公里0.88kWh，比傳統(tǒng)的有軌電車節(jié)省

60%的能量。

超級電容旅游車

–4座車電機(jī)功率

：2.2kW充電器：70A/60V電容器：組件：UCT-50000，80件

(每2件一單元,總共40單元

)公稱電壓:60V工作電壓: