关于动力电池的成本与寿命存在的问题

在现有的所有替代燃料电池里，EV和PHEV无疑是未来减少油耗和减少排放的最好的选择，从民用车到赛车上的普及，混动和纯电动车都已经得到大多数人的认可。在我国来说，受益于了政策的影响，使得新能源车得以以一个史无前例的速度在发展着，而储能对于EV和PHEV来说相当重要，基于电子产品在技术上的积累，动力电池在发展上有了一定基础，在一个较高的基础上的起步，使得在动力电池在如今的应用上也有了相当优秀成绩。我们今天就来聊聊这个新能源车的另一颗心脏--动力电池。

在电动车和混动车上，有三个影响其发展的问题，一是应用成本问题，好比如我们买一电动或混动车，由于锂电池相对较高的价格，最后直接导致的是消费在购买一台车的时候，要比买普通汽车贵几万块钱，无疑超过消费者对同等级车的消费预算；二是电池的循环寿命和日历寿命问题，也就是电池的充放电次数和使用时间的问题；三是最不容忽视的安全问题，最近的电动车自燃的新闻也使消费者更加关注这个问题，高品质材料、安全监测和更高的制造标准在安全性的提高方面起到相当重要的作用。然而对于动力电池这一切，你又了解多少呢？

目前能够被电动自行车采用的有以下四种动力蓄电池，即阀控铅酸免维护蓄电池、胶体铅酸蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池。

1、铅酸蓄电池

目前市场上能够大量提供的是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池已经有130年的历史了，可以说是使用最多的蓄电池。它的性能可靠，生产工艺成熟，价格也较低。目前已商品化的电动自行车的绝大多数是使用的密封式铅酸蓄电池，使用中不需要补充水分，免维护。其主要化学反应是：PbO2+2H2SO4+Pb←充电、放电→PhSO4+2H2O+PhSO4

铅酸蓄电池充电时变成硫酸铅的阴阳两极的海绵状铅把固定在其中的硫酸成分释放到电解液中，分别变成海绵状铅和氧化铅，电解液中的硫酸浓度不断变大；反之放电时阳极中的氧化铅和阴极板上的海绵状铅与电解液中的硫酸发生反应变成硫酸铅，而电解液中的硫酸浓度不断降低。当铅酸蓄电池充电不足时，阴阳两极板的硫酸铅不能完全转化变成海绵状铅和氧化铅，如果长期充电不足，则会造成硫酸铅结晶，使极板硫化，电池品质变劣；反之如果电池过度充电，阳极产生的氧气量大于阴极的吸附能力，使得蓄电池内压增大，导致气体外溢，电解液减少，还可能导致活性物质软化或脱落，电池寿命大大缩短。

铅酸蓄电池重量比能量为28-40Wh/Kg，体积比能量64-72Wh/I，太重、太大，而能提供的电能较少，使用寿命较短，作为电动自行车的动力电源一般只能够使用一年左右，若是性能差或使用不当的只有二、三个月。此外，铅酸蓄电池还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电（但是近来在铅酸蓄电池的快速充电的研究方面已有些进展）等缺点。铅酸蓄电池的改进型——胶体铅酸蓄电池，用胶体电解液代换硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸蓄电池有改善。但是总而言之，从长远看，铅酸蓄电池在电动车上的利用前景不佳。报废的铅酸蓄电池因废弃会造成二次污染，这也是有些地方政府不肯支持电动自行车大量上路的重要原因之一。

2、胶体铅酸蓄电池

胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用凝胶状电解质，内部无游离的液体存在，在同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散能力强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象；电解质浓度低，对极板腐蚀弱；浓度均匀，不存在酸分层的现象。

上述改进使其在多项重要性能优于阀控式铅酸免维护蓄电池，例如：使用性能稳定，可靠性高，使用寿命长，对环境温度的适应能力（高、低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及过放电自我保护，电池在100%放电后仍可继续接在负载上，在几周内充电仍可恢复至原容量等等优点。

3、镍氢蓄电池（Ni-MH）

镍氢蓄电池是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。Ni-MH电池的电极反应为：

正极：Ni(OH)2+OH-=NiOOH+H20+e-

负极：M+H2O+e=MHab+OH-Ni(OH)2+M=NiOOH+MHab

它和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，只是以吸藏氢气的合金材料（mh）取代镍镉蓄电池中的负极材料镉cd、电动势仍为1.32v。它具备镍镉蓄电池的所有优异特性，而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是：比能量高（一次充电可行使的距离长）；比功率高，在大电流工作时也能平稳放电（加速爬坡能力好）；低温放电性能好；循环寿命长；安全可靠，免维护；无记忆效应；对环境不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是，Ni-MH蓄电池成本太高，价格昂贵。

4、锂离子电池

锂是世界最轻的金属，构成电池时，输出电压近4v。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100Ah的圆柱形单体电池，称为高能型锂离子蓄电池；另一种是用于混合动力车（HEV），容量为22Ah，8只串联成电池模块，但其输出功率为前者的2.7倍，称为高功率型锂离子电池。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Al-traEV），在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车一次充电可行驶200km，最高时速120Km/h。

锂离子电池被普遍认为具有如下的优点：比能量大；比功率高；自放电小；无记忆效应；循环特性好；可快速放电，且效率高；工作温度范围宽；无环境污染等，因此有望进入21世纪最好的动力电源行列。预计在2006～2012年期间，当锂离子电池进一步发展时，MH/Ni蓄电池的市场份额将缩小。锂离子市场份额将会扩大。目前也已经有采用锂离子蓄电池的电动自行车产品出售。

由于镍氢蓄电池和锂离子蓄电池是绿色蓄电池，不会因废弃造成二次污染，容易被政府环保部门接受，并且有较好的出口前景，目前虽然价格比较贵，仍有较大降价空间，应该大力提倡。

什么时候对电动车蓄电池进行充电最佳？当电动车上的电量显示表指针在最低或即将接近最低位置时，对电动车进行充电是最佳，有利于蓄电池的使用寿命。如您每天骑行里程在5-10km之内，建议您不要充电，也就是说不要短里程、勤充电。否则会造成电池使用寿命提前终止。

是否可以对单个或其中几个电池进行置换或另作它用？当您的电动车蓄电池其中一个或几个电池出现故障后，要整组更换，不得单独调换其中那只存在故障的电池。仅维护电池可酌情这样操作。特别提醒您：一组电池不得将其中一个或几个另作它用。

锂电池具有着相对较高的比能量和比功率，为车辆提供更好的加速性能，相比镍氢电池有更短的充放电时间，并且能在适当的电池管理下能使锂电池有更长的使用寿命，因为锂电池几乎不存在记忆效应，是现在公认的新能源车储能方面最好的解决方案。

但是事情总不是看起来这么顺利，锂电池也是有缺点的，它的价格相对更加昂贵，对于成本方面的控制是一大难题；除此之外，锂是一种非常易燃的物质，不能被普通ABC灭火器所熄灭，如不对其进行合理的使用与管理那也是相当危险，所以现在大多数厂家都通过改变电池的化学成分来解决这个安全问题，例如我们现在较常见的磷酸铁锂电池等，这解决了锂易燃的缺点；而且相对镍基材料，锂离子相对来说对于环境更友好。

如果说电芯是电池不可或缺的器官，而电芯的材料则是电池的基因，也就是电池有什么样的表现，电芯的材料起到了基础性的作用。

材料的选择也是相当重要。下表这些都是可供选择的正极材料。在锂电池中，正极材料是最关键的原材料，占了30%的电池成本，但也其实并不是所有材料都适合应用于动力电池。

而且磷酸铁锂的热失控点较高，相比来说也会更加安全。

而对于乘用车来说，需要能量密度更高的三元锂电池，现在达到约170Wh/kg这个数字，更多的优化手段可以很快使来使之达到200Wh/kg+，至于什么手段，这涉及到商业机密，企业并没有透露，据宁德时代的介绍，再加入硅的话，他们能将能量密度做到将近300Kwh/kg这样的好成绩；不过在上面的表中也有说到，三元锂电池的热失控温度要比磷酸铁锂电池的要低出不少，据宁德时代介绍，他们通过优化材料本身和电解液体系等一系列方法来弥补三元锂电池的这一硬伤来实现更佳的安全性。

负极材料：做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料，通常可以分为软碳、硬碳和石墨等。

那么，想实现更高的续航里程还要怎么做呢？

虽说硅的理论克容量更高，但是并不适合单独做为负极材料，所以使用硅与石墨的混合和复合，通过硅的特性来提高电芯整体的能量密度。

宁德时代采用了高克容量的正极和负极，使之达到更高的质量能量密度和体积密度，以此来实现电池更高的续航里程，进一步解决纯电行驶里程不足的弊端。并且三元正极在往高镍、高电压的方向发展，而负极方面则是往含硅的负极和锂金属方向发展，锂金属可以达到更高的能量密度，理论克容量约3600，虽不如硅高，但是胜在负极材料可以使用纯锂金属材料，而硅不能用纯硅。

负极方面：我们知道了在充电的时候，是锂离子从负极通过电解液运动到正极这样一过程，提高充电能力达到“快充”这个目的就是要解决怎么使负极快速地接收锂离子。普通我们所使用的负极材料石墨是长程，且有序排列的，而锂离子是从石墨端面进入的，长程有序

这就使得端面较少，使得锂离子进入负极的时间就慢，所以要实现”快充”，宁德时代告诉我们，需要开发出一些端面是短程无序的石墨，这样可以使锂离子有更多的通道进入到负极。

电解液方面：可以添加一些添加剂等技术来优化其传导锂离子的能力。

正极方面：在提高充电能力上，需要提高正极本身的导离子能力的优化，并且还需要调整其配方，来提高锂离子的导电性。

所以，通过正负极和电解液的优化，来整体地实现电池的充电能力。

据了解，CATL的事故率至今还是0起，他们的高安全性能是怎么做到的呢？

对于企业的具体做法，他们还是有着很高的保密规定，但我们可以知道，CATL从这些角度出发来优化电芯的安全性，进一步提高电池的安全性，当然电池的安全性远不是靠优化电芯就能实现，还有模组结构、电池包结构、电池管理系统架构与策略和安全性与可靠性冗余设计等等。