1.2　电动汽车对动力电池的要求及发展趋势

1.2.1　电动汽车对动力电池的要求及关键技术指标

1.2.1.1　电动汽车对动力电池的要求

据美国高新动力电池开发联合体（The United States Advanced Battery Consortium，USABC）为电动汽车用动力电池制定的开发目标来看，目前所开发的各类电动汽车用动力电池，与中期目标相比，都还有一定的距离，尚有大量的工作要做，作为电动汽车用动力电池应满足以下要求。

①高比能量（它关系到一次充电可行使的距离）。动力电池容量有限，未能实现突破。目前市场上使用的电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100～300km，并且这还需要保持适当的行驶速度及具有良好的动力电池调节系统才能得到保证，而绝大多数电动汽车在一般行驶环境下续驶里程只有50～100km。

②大功率（它涉及电汽车的加速特性和爬坡能力）。

③循环寿命长（它涉及流动成本）。目前，实际应用的动力电池组的循环寿命短，普通动力电池充放电次数仅为300～400次，即使性能良好的动力电池充放电次数也不过700～900次，按每年充放电200次计算，一个动力电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。

④充放电效率高（它涉及节省能源及成本）。

⑤原材料来源丰富，成本低（它涉及基本建设费用等）。目前，电动汽车动力电池的价格约为100美元/（kW·h），有的甚至高达350美元/（kW·h），成本太高，用户难以承受。

⑥安全（它关系到在使用过程中是否可靠，方便）。动力电池安全性得不到保障，中小容量锂动力电池的产业化已经非常成功，但大容量、高功率锂动力电池的安全性问题还未得到有效解决。而动力电池容量越大，其一旦失控所造成的危害就越大。针对动力电池安全性方面，需在电气安全、机械安全和热安全的基础上开展动力电池系统的安全性整体方案设计研究，针对动力电池系统开展故障诊断预测、热安全监测预警和防控关键技术。

⑦易保养（关系到可靠性和方便性）。

⑧与环境友好（涉及资源能否再生及环境保护等问题）。目前使用的动力电池主要为铅酸动力电池、镍氢动力电池、镍镉动力电池。原料从开采到生产，再到废弃后的处理，都会对环境造成污染。

⑨外观。现有电动汽车动力电池的外体积一般要达到550L。当把这么大体积的动力电池用于家庭轿车上时，必然要挤占轿车的后备厢空间。现有电动汽车所使用的动力电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。

1.2.1.2　动力电池技术指标

从实际应用中看，电动汽车动力电池的性能好坏主要取决于以下几个指标。

（1）比能量（W·h/kg）　单位质量的电极材料放出电能的大小，它标志着纯电动模式下电动汽车的续航能力。动力电池的输出能量是指在一定的放电条件下，动力电池所能做出的电功，它等于动力电池的放电容量和动力电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦·时（W·h）表示。

动力电池的比能量有两种，一种称为质量比能量，用瓦·时/千克（W·h/kg）表示；另一种称为体积比能量，用瓦·时/升（W·h/L）表示。比能量的物理意义是动力电池为单位质量或单位体积时所具有的有效电能量，它是比较动力电池性能优劣的重要指标。动力电池单体和动力电池组的比能量是不一样的，由于动力电池组合时总要有连接条、外部容器和内包装层等，故动力电池组的比能量总是小于动力电池单体的比能量。

（2）比功率（W/kg）　单位质量的动力电池所能提供的功率，用来判断电动汽车的加速性能和最高车速，直接影响电动汽车的动力性能。动力电池的功率是指在一定的放电条件下，动力电池在单位时间内所能输出的能量，单位是瓦（W）或千瓦（kW）。

动力电池的单位质量或单位体积的功率称为动力电池的比功率，它的单位是瓦/千克（W/kg）或瓦/升（W/L）。如果一个动力电池的比功率较大，则表明在单位时间内，单位质量或单位体积中给出的能量较多，即表示此动力电池能用较大的电流放电。因此，动力电池的比功率也是评价动力电池性能优劣的重要指标之一。

（3）比功率密度（W·h/L）　动力电池所能输出的最大功率除以整个动力电池的质量或体积，用来描述动力电池在瞬间能放出较大能量的能力。

（4）循环寿命　循环寿命是指动力电池充电-放电循环一周的次数，是衡量动力电池寿命的重要指标。循环次数越多，动力电池的使用时间越长。在一定的充放电制度下，动力电池容量降至某一规定值之前，动力电池能耐受的充放电次数，称为动力电池的充放电循环寿命。充放电循环寿命越长，动力电池的性能越好。在目前常用的动力电池中，镍氢动力电池的充放电循环寿命为500～800次，铅酸动力电池为200～500次，锂动力电池为600～1000次，锌银动力电池很短，约为100次。

动力电池的充放电循环寿命与放电深度、温度、充放电制式等条件有关，所谓“放电深度”是指动力电池放出的容量占额定容量的比例（%）。减少动力电池的放电深度（即“浅放电”），可以大大延长动力电池的充放电循环寿命。

湿搁置使用寿命也是衡量动力电池性能的重要参数之一，它是指动力电池加入了电解液后开始进行充放电循环直至充放电循环寿命终止的时间（包括充放电循环过程中动力电池处于放电态湿搁置的时间）。湿搁置使用寿命越长，动力电池性能越好。在目前常用的动力电池中，镍氢动力电池湿搁置使用寿命为2～3年，铅酸动力电池为3～5年，锂动力电池为5～8年，锌银动力电池最短，只有1年左右。

（5）成本　动力电池的成本与新技术、原材料、制作工艺和生产规模等因素有关，通常新开发的高比功率动力电池成本相对较高，但是随着新技术的不断采用，动力电池成本将会逐渐降低。

电动汽车用动力电池的性能比较见表1-2。

铅酸动力电池比较重，充电放电性能较差，循环寿命短，此外，铅酸动力电池含有的重金属铅，对环境的污染严重，且在强烈的碰撞下会产生爆炸，对消费者的生命安全构成威胁，因此，用于电动汽车的铅酸动力电池将会被淘汰。

镍镉动力电池的技术成熟、耐冲击和振动、自放电小、性能稳定，可大电流放电，使用温度范围宽（40～65℃），几乎不用维修。但电流效率及能量效率欠佳，活性物质利用率低，有记忆效应。其致命缺点是含有有毒金属元素镉。欧盟国家已经自2005年12月31日起禁止了镍镉动力电池的进口，其将逐渐被性能更好的绿色动力电池所取代。

镍氢动力电池具有高比功率、电流充放电大、无污染、安全性能好等特点，缺点是具有轻度记忆效应，高温环境下性能差，但是由于其技术成熟，综合性能好，是当前混合动力汽车中应用最为成熟的绿色动力电池。大功率镍氢动力电池正迎来一个划时代的发展机遇，在已经研制或投入生产的混合动力汽车中，80%以上均采用镍氢动力电池作为动力电源。

锂动力电池性能比较好，可以快速充电、高功率放电、能量密度高且循环寿命长，但价格高和高温下安全性能差，随着锂动力电池的正负极材料不断开发，技术不断成熟，它将在电动汽车时代发挥主导作用。

锂动力电池由于采用的正负极材料不同，其动力电池单体的工作电压范围为3.7～4V，其中应用规模较大的磷酸铁锂动力电池单体工作电压为3.2V，是镍氢动力电池的3倍、铅酸动力电池的2倍。当前乘用车用的锂动力电池能量密度接近200W·h/kg，预计2020年达到300W·h/kg。

由于电化学材料特性的制约，锂动力电池的循环次数没有取得突破，以磷酸铁锂动力电池为例，动力电池单体循环次数可以达到2000次以上，成组后仅为1000次以上。锂动力电池采用轻金属锂，不含汞、铅、有害重金属，被认为是绿色动力电池，对环境污染较小。

由于锂动力电池正负极材料、电解液含有镍和金属物，美国已经将锂动力电池归类为一种包含易燃、锰、反应性、浸出毒性、腐蚀性、有毒有害性的动力电池，是目前各类动力电池中包含毒性物质最多的动力电池，并且因为其回收再利用的工艺较为复杂，导致成本较高，因此目前的回收再利用率不高，废弃的锂动力电池对环境影响较大。