车用动力电池简介

纯电动汽车以动力电池组作为唯一的动力来源，其动力性能、续驶里程和安全性能都受到动力电池组的制约，这也是限制纯电动汽车发展的关键因素。而快速发展的纯电动汽车产业在对动力电池的能量密度、功率密度、循环寿命等提出更高要求的同时，对其经济型、安全可靠性也制定了更为严苛的标准。目前，动力电池己经从最常见的的铅酸电池发展到镍金属电池、锂离子电池(包括磷酸铁锂和三元材料)等。

2.1.1铅酸电池

铅酸电池模型结构如图2.1所示。铅酸电池采用绒状金属铅作负极，二氧化铅作正极，用硫酸溶液作为电解液。放电时，铅和二氧化铅都与电解液反应生成硫酸铅，充电的反应过程则是其逆过程。其电反应原理如下:

Pb02+Pb+ZHZSO4= 2PbSO4+2H20                   

铅酸电池经过一百五十多年的发展，技术成熟可靠、性能可靠、使用安全，原料易获取、成本低廉、可大批量生产，铅酸蓄电池是目前在各种车辆中应用得最为广泛的电池，主要作为燃油汽车内部电子设备的电源，作为动力源应用于旅行参观车、老年代步车等，但其本身能量密度小、循环寿命短、体积大、可维护性差，以及腐蚀性酸造成的环境污染等问题，使其越来越难以适应未来电动汽车的发展要求。

2.1.2镍金属电池

镍金属电池主要包括镍铬电池和镍氢电池。

镍铬电池因综合机能稳定、使用温度跨度宽(-30 ℃~-50 ℃ )、维护简单，且具有较好的耐过充、放电能力，成为最早应用在手机、个人电脑等移动设备上的电池。但镍铬电池在低温环境下性能很差，金属福的污染问题也不容忽视，且存在“记忆效应”这一致命弱点。“记忆效应”是指电池充电前电量没有100%放尽，或者电池使用前电量未充满，使用时间长后导致电池容量的降低。正因如此，镍铬电池在纯电动汽车中大规模产业化的路还很远。

镍氢电池解决了镍铬电池的“记忆效应”缺陷，且比能量更高，无毒、无污染。相比铅酸电池，镍氢电池的比功率提高了10倍，能够有效地给电动车减重。

镍氢电池在充放电过程中的反应式:

但是镍氢电池的价格较高，且电池储存的大部分能量并不能被使用，能量利用率低，综合性能也不及锂离子电池，因此目前仅在混合动力汽车上使用。

2.1.3锂离子电池

锂离子电池的负极多为呈层状结构的石墨，有很多微孔，电池中没有活性极强的

金属锂存在，锂作为离子状态存在。与上述电池相比，锂离子电池的很多性能指标表现突出，其能量密度和工作电压是镍氢电池的3倍左右，使用温度范围宽(-20 ℃~60 ℃ )、循环寿命长、自放电小(每月2%左右)、无“记忆效应”，不含有毒有害物质。锂离子电池优良的性能受到了使其成为了产商主要的研发对象，被认为是最有发展前景的动力电池。

另一方面，锂离子电池也存在缺陷。其一，相较其它电池，锂离子电池的加工工艺更为复杂，导致加工成本更高，市场价格较高;其二，锂离子电池在非正常工作温度下的性能迅速下降;其三，锂离子电池的电解液多为易燃易爆的有机溶剂，电池在过充放电、短路等状态下会迅速升温，导致电池起火甚至爆炸[[40]。这些缺陷是其迅速商业化并成为汽车动力电池的障碍。

锂离子电池在充放电过程中的反应式:

其中:M表示金属离子，X表示阴离子基团。

从以上锂离子电池反应式中可以看到，锂离子在正极和负极间通过电解液反复嵌入和脱出，电池性能的好坏完全基于单位时间里锂离子的迁移数目。锂离子电池有较多的电极组合方式，其中阴极材料主要有锂钻氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物、磷酸铁锂等，阳极材料主要有石墨、钦酸锂等，不同的组合在性能上存在一定差异。其中磷酸铁锂电池具有磷氧共价键结构，该结构难以被破坏也难以发生反应，因此热稳定性和安全性较好，又因为其成本不高，所以该类电池在小型电动车应用广泛。但是磷酸铁锂电池的比能量和运行电压相对较低，大型纯电动车更倾向于选择钻酸锂或锰酸锂电池。

三元锂电池是指正极原料使用镍钻锰酸Li((NiCoMr)O2)三元材料的锂电池。2016年以来，三元锂电池由于其平台电压高、能量密度高、循环性能好等特性，成为锂电池界的新秀，市场份额增长迅速，但其安全性在饱受质疑， 2016年中磷酸铁锂电池仍占主导地位。表2.1为不同锂离子电池性能对比表

上述几种类型的电池性能各有千秋，在不同的行业内发挥重要的作用，目前没有一种电池能完全取代其它电池，成为纯电动汽车动力电池的“标配”，但锂离子电池各方面性能指标综合考虑是最佳，其己经激起各大汽车厂商的研发热潮，它们都致力于突破大功率、高容量锂离子电池技术。因此，锂离子电池是最具研究价值、最具推广意义的动力电池，势必在纯电动汽车领域占据更重要份额。本文研究的对象为某公司电动物流车用方型磷酸铁锂电池。