隨著新能源技術(shù)的日益發(fā)展和國家對(duì)環(huán)境的逐漸重視，電動(dòng)汽車、機(jī)器人、混合動(dòng)力車等行業(yè)對(duì)動(dòng)力電池的需求越來越高。電池技術(shù)也是需要發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文對(duì)動(dòng)力電池是怎么工作、如何高效工作、未來發(fā)展方向以及應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行介紹，并對(duì)主流鋰電池進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

　　動(dòng)力電池即為工具提供動(dòng)力來源的電源，一般我們將蓄電池稱為動(dòng)力電池。蓄電池是實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能之間轉(zhuǎn)換的可逆低壓直流電源，1859年由法國科學(xué)家加斯頓·普蘭特發(fā)明。（如圖1所示）。

　　圖1動(dòng)力電池發(fā)展歷史

　　根據(jù)電池制作原理、種類、優(yōu)缺點(diǎn)、價(jià)格等的不同，可以將動(dòng)力電池分為鉛酸蓄電池、鎳氫電池、燃料電池、鋰電池等幾種，各種電池種類、優(yōu)缺點(diǎn)、價(jià)格等相關(guān)信息詳見表1。

　　表1電池種類、優(yōu)缺點(diǎn)、價(jià)格等相關(guān)信息

　　一、鉛酸蓄電池

　　鉛酸蓄電池是世界上產(chǎn)量最大的、應(yīng)用最廣的電池產(chǎn)品，多用于電動(dòng)自行車和傳統(tǒng)動(dòng)力汽車啟動(dòng)電源。

　　下面以鉛酸蓄電池為例，介紹蓄電池的結(jié)構(gòu)（如圖2所示）、工作原理和工作特性。

　　圖２鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)

　　鉛酸蓄電池發(fā)明時(shí)間悠久，是使用時(shí)間最長的電池，鉛酸蓄電池采用的原材料來源廣泛，設(shè)計(jì)方案成熟，安全防護(hù)技術(shù)到位，應(yīng)用范圍廣，尤其在大功率方面性能更突出，維護(hù)方便同時(shí)回收再使用技術(shù)日趨完善。但是由于自身重，造成攜帶不方便，采用的原材料不是新型原材料，能量集成低，反復(fù)充電次數(shù)不高，同時(shí)在過度充電和放電后會(huì)造成電池的性能變差。如果一個(gè)電動(dòng)汽車上使用鉛酸電池，那么300多次循環(huán)使用后就需要更換電池。目前，比較有名的鉛酸動(dòng)力電池供應(yīng)商有GNB公司、Hawker公司、Exide公司、DeIphi公司、松下公司、Electrosounce公司等。

　　1.鉛酸蓄電池的工作原理

　　電化學(xué)反應(yīng)：充電和放電反應(yīng)：將蓄電池2端加上電壓源，因?yàn)?端存在電勢(shì)差，所以電子從電壓源跑出來到蓄電池的正極板，形成充電過程，當(dāng)電壓源撤去后，蓄電池繼續(xù)保留電能。一旦蓄電池與外電路的負(fù)荷接通，蓄電池2端的形成一個(gè)回路，電子發(fā)生流動(dòng)，電流從蓄電池的負(fù)極板通過外電路的負(fù)荷流向電池的正極板，使得正極板的電位降低，實(shí)現(xiàn)了電能到動(dòng)能等其他能的轉(zhuǎn)化。

　　放電過程：H2SO4↓，H2O↑，電解液的密度ρ↓；（充電時(shí)ρ↑?？赏ㄟ^電解液的密度ρ測(cè)量來判斷蓄電池的放電程度。）

　　理論上極板上PbO2和Pb全部變成PbSO4為止，放電結(jié)束，實(shí)際上電解液不能滲透到極板活性物質(zhì)最內(nèi)層，即使蓄電池?zé)o電提供，極板上的活性物質(zhì)只能一部分變成硫酸鉛。所以極板要盡可能薄，面積大。

　　充電過程：充電過程與放電過程相反

　　2.鉛酸蓄電池的工作特性

　　鉛酸蓄電池的工作特性主要包括靜止電動(dòng)勢(shì)Ej、內(nèi)阻Rn、容量Q和充放電特性等。靜止電動(dòng)勢(shì)Ej：在靜止?fàn)顟B(tài)下（是指不充電不放電的情況），蓄電池正、負(fù)極板的電位差（即開路電壓）。

　　內(nèi)阻Rn：包括極板、隔板、電解液、鉛質(zhì)聯(lián)條、極樁等電阻。

　　容量Q：指在放電容許的范圍內(nèi)蓄電池輸出的電量（I·t）。電池容量一般以Ah(安培小時(shí))計(jì)算，1Ah=3600C，電池容量C的計(jì)算式為C=∫t0It1dt（在t0到t1時(shí)間內(nèi)對(duì)電流I積分）/容量C=放電電流（恒流）I×放電時(shí)間（小時(shí))T；另一種是以瓦(W)計(jì)算。

　　T（溫度）↓→Rn↑溫度降低后，電解液的粘度增加，內(nèi)阻增大，導(dǎo)致蓄電池容量降低。

　　充電特性：是指在恒流充電過程中，電池的端電壓Uc、電動(dòng)勢(shì)E和電解液相對(duì)密度γ15℃隨時(shí)間變化的規(guī)律。

　　充電特性公式：Uc=E+Ic×Rn

　　充電的5個(gè)階段（如圖3所示）:初期:1.95～2.1V；2.1～2.4V:不穩(wěn)定上升；2.4～2.7V:沸騰；2.7V:充電終了；2.7V后:切斷電源，Uc→Ej。(當(dāng)電壓到2.3～2.4V時(shí)，PbSO4幾乎反應(yīng)PbO2為和Pb，繼續(xù)充電，2H2O→2H2+O2產(chǎn)生氣泡，沸騰。)

　　圖3蓄電池充電特性

　　判斷蓄電池充足的準(zhǔn)則:①充電電壓Uc、電解液密度γ15℃達(dá)到max，且2h不再增加；②蓄電池激烈放出大星氣泡，電解液沸騰。

　　放電特性:是指在恒流放電過程中，電池的端電壓Uf、電動(dòng)勢(shì)E和電解液相對(duì)密度γ15℃隨時(shí)間變化的規(guī)律。放電特性公式：Uf=E-Ic×Rn

　　放電的3的階段（如圖4所示）：開始放電：2.11～2.0V；持續(xù)放電：2.0～1.85V，穩(wěn)定；迅速下降：1.85～1.75V。

　　圖4蓄電池放電特性

　　判斷放電終止的2個(gè)現(xiàn)象:電解液相對(duì)密度降低到最小許可值（約1.11）；單格電池的端電壓降至放電終止電壓值1.75V。

　　二、鎳氫電池

　　鎳氫電池（Ni-MH）屬于堿性電池，且不存在重金屬污染問題，稱為“綠色”電池，是目前電池體系中應(yīng)用相對(duì)廣泛的電池，各大混合動(dòng)力汽車因?yàn)殒嚉潆姵啬芰棵芏龋β拭芏染哂阢U酸電池，循環(huán)使用壽命超過1000次，最主要的是該電池因?yàn)橹谱鬟^程中沒有包含重金屬，所以被稱為“綠色”電池。該電池能夠?qū)崿F(xiàn)快速充電、放電，一次充電過程徹底，用戶均認(rèn)為耐用性很高，所以現(xiàn)在很多的混合汽車系統(tǒng)都采用該電池，使得該電池的商業(yè)化、規(guī)模化得到大大的提高。

　　現(xiàn)在比較熱門的混合動(dòng)力汽車比如：豐田汽車公司的Prius，以及本田汽車公司的Civic，Insight等，他們的電池系統(tǒng)主要采用該國的PEVE和Sanyo，相對(duì)來說，我國電池技術(shù)的發(fā)展沒有國外的好，很多的汽車廠商還在對(duì)混合動(dòng)力汽車進(jìn)行研發(fā)，雖然研發(fā)的汽車都采用鎳氫動(dòng)力電池，但是因?yàn)樵撾姵卮嬖谥圃斐杀靖?，價(jià)格是鉛酸電池的數(shù)倍，對(duì)熱環(huán)境耐受能力低，散熱能力要求高，所以國內(nèi)的電池技術(shù)不太成熟，使得國內(nèi)汽車廠商，比如：奇瑞汽車公司、上海通用汽車公司面對(duì)該組件時(shí)都是采購國外的。

　　三、燃料電池

　　燃料電池也是一種綠色的能源技術(shù)，它采用的方法是直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，從外觀上看，它的工作原理類似于蓄電池，但是實(shí)際工作原理與蓄電池有本質(zhì)的區(qū)別。利用電解質(zhì)和電極之間的氧化反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)“發(fā)電”功能，而不是蓄電池的“儲(chǔ)電”功能。

　　燃料電池具有高效率；不受卡若效率限制、低排放；不排放污染汽車和固體粉塵、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)。按電解質(zhì)的種類不同燃料電池分為：酸性、堿性、熔融鹽類或固體電解質(zhì)。目前，在動(dòng)力電池領(lǐng)域，質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）正在向商業(yè)化邁進(jìn)。新能源車方面通用汽車公司、福特汽車公司、克萊斯勒汽車公司、豐田汽車公司、本田汽車公司、奔馳汽車公司等大公司都已經(jīng)開發(fā)出燃料電池車型并已經(jīng)在公路上運(yùn)行，普遍狀況良好，其中豐田的氫燃料電池技術(shù)較為領(lǐng)先。國內(nèi)主流車廠也在發(fā)展氫燃料電池電動(dòng)汽車。質(zhì)子交換膜燃料電池生產(chǎn)商主要有美國Plugpower公司、通用電氣公司、加拿大巴拉德動(dòng)力公司；國內(nèi)有中科院大連化物所、新源動(dòng)力公司、上海神力公司、佛山云浮公司等。

　　四、鋰電池

　　相比較與鎳氫電池（Ni-MH），鋰離子電池是負(fù)極以碳素材料為主，也是一種“綠色”電池。正極以含鋰的化合物的二次電池。相同容量的電池來說，一個(gè)鋰離子電池工作時(shí)候的電壓、能量相當(dāng)于3個(gè)鎳氫電池。在制作過程中，因?yàn)樨?fù)極采用石油焦碳、純石墨和層狀混合碳等材料，正極采用氧化鈷鋰（LiCoO2）、鎳酸鋰（LiNiO2）、亞錳酸鋰（LiMnO2）、磷酸鐵鋰（LiFePO4）等化合物，所以與同容量的鎳氫電池相比，它的體積更小，質(zhì)量更輕，使用循環(huán)壽命更長，充電、放電速度更高。因?yàn)殇囯姵卮嬖谥T多的優(yōu)點(diǎn)，所以很多汽車制造商都在積極將鋰電池投入到混合汽車研發(fā)中，如日本豐田汽車公司、比亞迪汽車公司、韓國現(xiàn)代汽車公司、奇瑞汽車公司、法國Courreges公司、吉利汽車公司、美國福特汽車公司等。該電池與鎳氫電池（Ni-MH）相比，制作成本更高，價(jià)格更貴，需要繼續(xù)進(jìn)行研發(fā)，希望能夠采用新材料使得鋰電池的價(jià)格有所下降，而得到長遠(yuǎn)的發(fā)展。

　　幾種可充電電池做比較，因?yàn)殇囯姵厝莘e比最高，即容量一樣的情況下，體積最??；體積一樣情況下，容量最大，同時(shí)鋰電池的功率大。更多的汽車制造商愿意在有限的車內(nèi)空間中，提供更優(yōu)質(zhì)的供能系統(tǒng)，所以相比起來，鋰離子電池目前是他們最好的選擇，國內(nèi)外很多汽車制造商和電池制造商都在該技術(shù)的研發(fā)上投入了巨大的人力、財(cái)力、物力，想在該技術(shù)的發(fā)展上掌握先進(jìn)的理論和方法。

　　1.鋰電池的優(yōu)點(diǎn)

　　汽車不同于電動(dòng)車，它要求電池續(xù)航次數(shù)多，使用時(shí)間長，鉛酸電池循環(huán)300次即需要更換，電池的耐受能力低，而鋰電池循環(huán)壽命能夠達(dá)到2000次以上。同時(shí)充電5h使用來說，鉛酸電池更換6次，而鋰電池只需要更換1次。用戶一般1年半更換一次電動(dòng)車電池，如果這種情況放在汽車上，用戶是接受不了的。采用鋰電池只需要7～8年更換一次，綜合起來考慮，最后還是鋰電池的性價(jià)比最高，不僅節(jié)省人們換電池的時(shí)間，而且使得系統(tǒng)穩(wěn)定性增強(qiáng)。

　　與其他的可充電電池相比，鋰電池的安全性更高，因?yàn)橐恍╇姵卦趶?qiáng)烈的碰撞和高溫下，會(huì)發(fā)生爆炸，不僅使消費(fèi)者錢財(cái)遭到損失，而且對(duì)他們的安全造成了很大的威脅，而鋰電池因?yàn)橹谱鞑牧弦约鞍踩栽O(shè)計(jì)，即使發(fā)生嚴(yán)重碰撞或者在高溫（350～500℃）下，也不會(huì)發(fā)生爆炸，深受消費(fèi)者青睞。

　　混合動(dòng)力汽車與一般汽車相比，就是因?yàn)殡姵爻潆姾臅r(shí)長，充一次電跑的距離短，而汽油汽車加油快，跑的遠(yuǎn)。與同容量的鉛酸電池相比，鋰電池還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是充、放電非?？焖?，如果采用專用充電器，一般40min就能夠把電池充滿電，更節(jié)省消費(fèi)者的時(shí)間，能夠達(dá)到“充電40min，跑到500km”的功能。大容量，能量密度高。容量是同能質(zhì)量鉛酸電池的3～4倍?？沙潆婋姵亟?jīng)常存在放電不完整的問題，比如：鎳氫、鎳鎘電池，每次充電完畢后，放電時(shí)候總是留一點(diǎn)電在電池里，對(duì)之前的充電過程形成記憶。而每次鋰電池充電放電，不存在放電不完整的情況，每次充電和放電都是完整的，使得電池容量利用率比較高。

　　“綠色”電池，因?yàn)橹谱髟?、材料的不同，鋰電池?nèi)不包含有毒有害物質(zhì)，是一款“綠色”電池，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)以及使用過程中全程“綠色”。

　　2.鋰電池的分類和結(jié)構(gòu)

　　鋰離子電池殼體有液體鋁殼、鋼殼、軟包裝等，它的電解質(zhì)分為膠體和固體聚合物2種。

　　鋰離子電池由正負(fù)極、隔膜和電解液4部分組成（如圖5所示）。

　　圖5鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖

　　產(chǎn)品制作過程使用的材料一般會(huì)決定產(chǎn)品的價(jià)格和性能等參數(shù)，如何在提高減低鋰離子電池性能的同時(shí)，能夠減低它的價(jià)格，成為了研發(fā)的重難點(diǎn)，這個(gè)過程中最重要、最耗費(fèi)的部分即正極部分，研究制作出來正極材料，是目前鋰離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。

　　目前鋰離子電池主要選取鋰鈷、鋰鎳、鋰錳等氧化物和磷酸鐵鋰作為正極材料，選取石墨、鈦酸鋰等作為負(fù)極材料。

　　負(fù)極材料一般選用碳材料，目前的發(fā)展比較成熟。只要能夠達(dá)到使得鋰電子吸附好，脫離比較容易，能夠使得充放電速度快，同時(shí)脫離的比較干凈，使得容量與標(biāo)稱值一致，還需要與中間的電解液有很好的相容性。基于上述的考慮，一般采用焦炭和石墨作為鋰電池的負(fù)極材料，該應(yīng)用已經(jīng)被證實(shí)效果很好。

　　電子在電池正負(fù)極之間的移動(dòng)主要依靠電解液，鋰離子電池的高電壓和高性能主要通過電解液來實(shí)現(xiàn)，它一般有電解質(zhì)、鋰鹽有機(jī)物和添加劑3部分組成。

　　電池的內(nèi)阻力大小，界面結(jié)構(gòu)的成型化等問題是由隔膜來決定，他能夠?qū)﹄姵氐娜萘看笮。h(huán)次數(shù)等起到?jīng)Q定性作用，所以隔膜的選擇對(duì)電池的綜合性能至關(guān)重要。

　　3.鋰電池的工作原理

　　根據(jù)圖6能夠非常清楚的看出鋰電池的工作原理。鋰電池一共分為4部分：鋰金屬化合物構(gòu)成的正極，石墨構(gòu)成的負(fù)極，以及中間的電解質(zhì)和隔膜。工作分為充電和放電2個(gè)過程，整個(gè)工作過程就是采用化學(xué)原理與電能的結(jié)合。充電過程是鋰金屬化合物在電能作用下將鋰電子分離出來，鋰電子游過電解質(zhì)和隔膜，吸附在石墨微孔上，造成了負(fù)極電荷量增大，為了解決這個(gè)問題，外電路中的電子跑過來補(bǔ)充電荷。放電過程是石墨中吸附的鋰電子被電離出來，鋰電子游過電解質(zhì)和隔膜，與正極的金屬化合物經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)合成鋰金屬化合物。以石墨/磷酸鐵鋰電池為例，充放電化學(xué)反應(yīng)式如下：

　　正極反應(yīng)式：LiFePO4≒xLi+＋Li1-xFePO4＋xe-（電子）

　　負(fù)極反應(yīng)式：6C＋xLi+＋xe-≒LixC6

　　總的反應(yīng)式：LiFePO4＋6C≒li1-xFePO4＋LixC6

　　其中，從左向右的過程為充電，而從右向左的過程為放電。

　　圖6鋰電池工作原理圖

　　4.磷酸鐵鋰的優(yōu)缺點(diǎn)

　　通常我們說得最多的動(dòng)力鋰電池主要有磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池以及三元鋰電池（三元鎳鈷錳），他們的性能對(duì)比如表2所示。

　　表2主要的動(dòng)力鋰電池及性能

　　磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用于客車，三元電池在乘用車、專用車領(lǐng)域滲透率高（見圖7）。目前磷酸鐵鋰電池、三元電池是主要的動(dòng)力電池（見表3）。因?yàn)榱姿徼F鋰作為電池一部分存在穩(wěn)定性高，即內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化；整個(gè)制作和使用過程中環(huán)保無毒無害；采用磷酸源和鋰源以及鐵源為原材料，價(jià)格便宜；耐高溫高壓，穩(wěn)定性好，使得安全系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，越來越多的電池供應(yīng)商采用磷酸鐵鋰作為動(dòng)力電池中的正極材料。很多的汽車制造商基于價(jià)格和安全性的考慮，也會(huì)在選擇電池參數(shù)的時(shí)候選擇該材料（見圖8、9）。

　　圖72015年動(dòng)力電池按材料體系產(chǎn)量分布

　　表32015年中國車企和電池企業(yè)配套情況

圖8  2015 年電池廠商市場(chǎng)份額

圖92016年上半年電池廠商市場(chǎng)份額

　　磷酸鐵鋰有很多優(yōu)點(diǎn)，但是并沒有立刻投入到大規(guī)模的使用中去，原因在于制作過程中，需要控特種電碳材料、金屬微粒中的磷酸鐵鋰顆粒比率，實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電性，這個(gè)問題難點(diǎn)在于比率隨著時(shí)間、容量等不停發(fā)生變化，使得大規(guī)模的制作出現(xiàn)問題。第2個(gè)問題是只能達(dá)到1.3～1.5V的振實(shí)密度使得該產(chǎn)品難以小型化。第3個(gè)問題是工作電壓低，一般為3.2V。

　　五、三元鋰電池發(fā)展前景

　　三元電池能量密度高，綜合性能較好，在乘用車和專用車中的滲透率已接近50%。

　　三元電池性能提升空間大，有望成未來主流。對(duì)于現(xiàn)有三元鋰電池體系的改進(jìn)可以達(dá)到2020年動(dòng)力電池模塊能量密度300Wh/kg的目標(biāo)。隨著未來乘用車成為新能源車的主要增長動(dòng)力，三元電池有望逐步取代磷酸鐵鋰電池成為未來主流。

　　六、結(jié)語

　　當(dāng)下，動(dòng)力電池技術(shù)的發(fā)展取得了不少的進(jìn)步。在環(huán)境污染日益加劇的今天，需要研制出來“綠色”電池，不僅對(duì)大眾生活環(huán)境好，同時(shí)能夠帶動(dòng)整個(gè)電池行業(yè)的發(fā)展。目前新型的“綠色”電池研制已經(jīng)有很大的發(fā)展，比如，動(dòng)力汽車、即新能源汽車的發(fā)展，新型的動(dòng)力電池作為其關(guān)鍵部件，不僅帶動(dòng)了新能源汽車的發(fā)展，也必定會(huì)對(duì)電池行業(yè)的發(fā)展帶來春天。