電動(dòng)車(chē)電池的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及展望

1、電動(dòng)車(chē)電池的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀及展望天津電源研究所   畢道治前言 據(jù)近期“世界電動(dòng)車(chē)”1報(bào)導(dǎo)，預(yù)測(cè)到2007年，全世界電動(dòng)車(chē)年銷(xiāo)量可達(dá)百萬(wàn)輛以上（見(jiàn)表1），約占全球汽車(chē)總銷(xiāo)量的1.5%。雖然這樣小的份額不足以說(shuō)明電動(dòng)車(chē)已商品化，但也說(shuō)明經(jīng)過(guò)幾十年，尤其是近10年的全球性努力，電動(dòng)車(chē)在技術(shù)上已取得很大成就。預(yù)測(cè)電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)售的主要依據(jù)仍然是人們對(duì)環(huán)境污染的關(guān)注，尤其是在中心城市。美、歐等發(fā)達(dá)國(guó)家一些中心城市都在限制燃油汽車(chē)的使用。我國(guó)政府也越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)問(wèn)題，把環(huán)境保護(hù)作實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)重要內(nèi)容。我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，汽車(chē)尾氣排放量是城市大氣污染的主要來(lái)源之一。北京市機(jī)動(dòng)車(chē)尾

2、氣排放對(duì)大氣污染物中CO、HC、NOx的分擔(dān)率分別是63.4%，73.5%和46%，非采暖期這一分擔(dān)率更高，分別為80.3%，79.1%和54.8%。上海市更為嚴(yán)重，分別為86%、96%和56%；廣州、天津、重慶等許多大中型城市具有類(lèi)似情況。因此，最近國(guó)務(wù)院有關(guān)部委組織召開(kāi)了一次“清潔汽車(chē)行動(dòng)”的大會(huì)，以推動(dòng)我國(guó)燃油汽車(chē)的清潔化、新型燃?xì)馄?chē)的推廣應(yīng)用和國(guó)家電動(dòng)汽車(chē)重大科技產(chǎn)業(yè)化工程項(xiàng)目的實(shí)施。 表1 電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)售量預(yù)測(cè)(千輛) 年份 1997 2003 2007 北美 西歐 亞太地區(qū) 其他 總計(jì) 0.9 7.5 1.0 9.4 140 285 160 45 630 265 400 260 8

3、5 1010 目前，各種類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)包括以蓄電池驅(qū)動(dòng)的BEV，以?xún)?nèi)燃機(jī)與電池混合驅(qū)動(dòng)的HEV及以燃料電池驅(qū)動(dòng)的FCEV都面臨著與改進(jìn)的燃油汽車(chē)及采用各種替代燃料的低污染汽車(chē)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。電動(dòng)車(chē)必須在性能、價(jià)格上一步改進(jìn)，才能指望在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站住腳。    各種主要電動(dòng)車(chē)用蓄電池對(duì)比見(jiàn)表2。目前能大量生產(chǎn)供應(yīng)的只有鉛蓄電池和鎘鎳蓄電池。由于鎘鎳電池性能價(jià)格比不如鉛蓄電池而且存在鎘污染，性能優(yōu)良的MH-Ni電池有可能很快進(jìn)入市場(chǎng)。本文將重點(diǎn)討論鉛蓄電池、MH-Ni、鋰離子及鈉氯化鎳蓄電池的進(jìn)展情況。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是唯一可以在性能上與燃油汽車(chē)競(jìng)爭(zhēng)的電池

4、，本文將介紹其最近發(fā)展情況情況。 表2 各種主要電動(dòng)車(chē)用蓄電池對(duì)比 性能 電池種類(lèi) 比能量 W·h/kg 能量密度 W·h/L 比功率 W/kg 循環(huán)壽命 (次) 價(jià)格 (相對(duì)) 商品化 程度 鉛酸 鎘鎳 MH-Ni NaNiCl2(ZEBRA) 鋰離子 35 50 65 86 100 90 80 135 132 170 150 200 150 157 300 500 1000 1000 1000 1200 100 500 400 500 1000 大量生產(chǎn) 大量生產(chǎn) 試制 中試 試制 1 電動(dòng)車(chē)電池的研制進(jìn)展1.1 鉛蓄電池   鉛蓄電池是目前唯一能大

5、量生產(chǎn)供應(yīng)的電動(dòng)車(chē)電池。從表2可以看出，它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低，缺點(diǎn)是比能量低，一次充電行駛里程短(約100km)。一項(xiàng)對(duì)比美私人汽車(chē)日行程的調(diào)查表明，日行程在160km以下的占90%，其余10%日行程超過(guò)240km甚至更高。因此有人提出若能將鉛蓄電池比能量適當(dāng)提高，使一次充電行程達(dá)到160km，同時(shí)開(kāi)展快速充電的研究，就有可能使價(jià)格低廉的鉛蓄電池滿(mǎn)足大多數(shù)城市中心區(qū)短途運(yùn)輸及交通用電動(dòng)車(chē)的要求。為此，1992年由國(guó)際鉛鋅組織聯(lián)合世界鉛蓄電池制造廠(chǎng)商成立的“先進(jìn)鉛蓄電池聯(lián)合體（ALABC）”制定了先進(jìn)鉛蓄電池的研制目標(biāo)為2：比能量 50W·hkg-1(一次充電行程160km)比功率 150

6、Wkg-1價(jià) 格 <150美元/kW·h循環(huán)壽命 >500次快充性能 50% 5min 80% 15min上述5項(xiàng)指標(biāo)中，價(jià)格及比功率已為一般鉛蓄電池所具備，因而改進(jìn)的主要力量集中在比能量，循環(huán)壽命及快充性能3項(xiàng)指標(biāo)。(1) 比能量 提高比能量主要從減輕板柵重量及提高正板活性物質(zhì)利用率著手。研究表明，提高鉛鈣合金中錫的含量可以增強(qiáng)板柵耐腐性及抗蠕變強(qiáng)度，從而可以減輕板柵重量（Sn含量0.5%-1%）。從正極活性物質(zhì)中添加吸酸能力強(qiáng)的添加劑（如發(fā)泡聚丙烯）可以提高正極活性物質(zhì)利用率約10%。(2) 循環(huán)壽命 研究結(jié)果表明有4種方法可提高鉛蓄電池的循環(huán)壽命：(i)板柵合金采用

7、錫含量高的鉛鈣合金，可以克服因板柵蠕變而造成的早期失效。(ii)為了防止極板膨脹，采用加大極板法向壓力，試驗(yàn)證明將法向壓力從8kpa增至40kpa，可使循環(huán)壽命由200次提高到700次。為此需改進(jìn)隔膜材料以免在受壓情況下松散。(iii)采用合理的充電制度，尤其要精確掌握充電后期的充電量及充電速率，以保證充足電。(iv)改進(jìn)負(fù)極膨脹劑以避免延長(zhǎng)充放循環(huán)壽命后，負(fù)極活性物質(zhì)海綿狀鉛的硬化。(3) 快速充電 由于近期快速充電技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)的鉛蓄電池快速充電性能不好的概念已有所改變。實(shí)驗(yàn)證明，多數(shù)閥控式鉛酸蓄電池可以承受快速充電制度（50%soc，5min；80%soc，15min）。而且，合理的

8、快速充電制度及方法，對(duì)延長(zhǎng)電池壽命不但無(wú)害而且有利。國(guó)外已將快速充電方法由單組電池?cái)U(kuò)展應(yīng)用到整個(gè)電池組，并且在車(chē)載情況下進(jìn)行試驗(yàn)。1998年公布ALABC的報(bào)告表明，通過(guò)研究改進(jìn)，閥控式鉛酸蓄電池的比能量有望提高到改進(jìn)前的2倍，循環(huán)壽命有可能提高到原有的10倍，而充電時(shí)間縮短一個(gè)數(shù)量極。目前ALABC正在大力支持各有關(guān)方面的研究改進(jìn)工作。假如上述研究改進(jìn)目標(biāo)能在鉛蓄電池的生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)，則鉛蓄電池將在近期電動(dòng)車(chē)的產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中發(fā)揮重要作用。我國(guó)在“八五”計(jì)劃期間，國(guó)家科委和國(guó)家計(jì)委就把電動(dòng)車(chē)用鉛蓄電池的研究和開(kāi)發(fā)列為重點(diǎn)項(xiàng)目予以支持。許多從事電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)和研制的單位認(rèn)為，雖然鉛蓄電池比能量低，但在我國(guó)期

9、望將公交車(chē)、出租車(chē)放在電動(dòng)車(chē)使用的首要地位的情況下，鉛蓄電池以其價(jià)格低廉，能夠大量生產(chǎn)供應(yīng)的優(yōu)勢(shì)，被列入近期電動(dòng)車(chē)產(chǎn)業(yè)化工程項(xiàng)目計(jì)劃中還是可行的。表3列出我國(guó)電動(dòng)車(chē)用密封鉛蓄電池的近期研究發(fā)展目標(biāo)，其中第一階段強(qiáng)調(diào)電池總體性能的提高，第二階段把重點(diǎn)放在電池循環(huán)壽命及電池性能的均勻一致性的改進(jìn)上。 表3 我國(guó)電動(dòng)車(chē)用密封鉛酸電池研制目標(biāo)3 第一階段 19911995年 標(biāo)稱(chēng)電壓 （V） 12 標(biāo)稱(chēng)容量（5h率） （A·h） 150 水損失 （g/ A·h） 5 高倍率放電能力 （A） 2C5 循環(huán)壽命（） （次） 750（75%DOD） 比能量（5h率） （W·h/

10、kg） 30-40 充電至400次 第二階段 19962000年 主要要求循環(huán)壽命600800次 比能量可適當(dāng)降至 （80%DOD） 35W·h/kg左右 19911995期間，保定金風(fēng)帆蓄電池有限公司、輕工業(yè)化學(xué)電源研究所等單位參與電動(dòng)車(chē)用密封鉛蓄電池的研制工作。其中風(fēng)帆電池廠(chǎng)采用正負(fù)極涂膏平板電極，輕工業(yè)化學(xué)電源研究所則正極采用其具有專(zhuān)利權(quán)的橢圓形管式極板，負(fù)極仍為涂膏平板電極。試制結(jié)果表明，我國(guó)的電動(dòng)車(chē)用鉛蓄電池除循環(huán)壽命外其余各項(xiàng)均能達(dá)到第一階段研制目標(biāo)。   目前風(fēng)帆公司及鎮(zhèn)江蓄電池廠(chǎng)的密封鉛蓄電池已在我國(guó)改裝車(chē)上試用，其中在面包車(chē)上采用20只12V&#

11、183;150A·h電池，最高車(chē)速80km/h，充電一次行駛100km；小轎車(chē)用10只12V·150A·h 電池組，車(chē)速可達(dá)80km/h，充電一次行駛100km。存在的最大問(wèn)題是均勻性差，個(gè)別電池累計(jì)行車(chē)?yán)锍滩蛔?000km就需要換。 1.2 金屬氫化物鎳電池 金屬氫化物鎳電池(MH-Ni)是90年代發(fā)展起來(lái)的一種新型綠色電池，它與鎘鎳電池有很好的互換性，但沒(méi)有鎘污染而且比能量較高。小型圓柱式MH-Ni電池在日本已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于便攜式信息設(shè)備。電動(dòng)車(chē)用MH-Ni電池主要在美國(guó)及日本進(jìn)行開(kāi)發(fā)。美國(guó)Ovonic公司在美國(guó)先進(jìn)電池開(kāi)發(fā)聯(lián)合體（USABC）

12、的資助下開(kāi)展了電動(dòng)車(chē)用MH-Ni電池的開(kāi)發(fā)，據(jù)報(bào)導(dǎo)研制水平已接近USABC制定的中期發(fā)展目標(biāo)（見(jiàn)表4），但成本仍較高，目前MH-Ni電池的價(jià)格為500700美元/kW·h，據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)通用汽車(chē)公司今年已開(kāi)始生產(chǎn)裝有高性能MH-Ni電池的EV-1電動(dòng)轎車(chē)，采用24只13.2V、90A·h、12kW·h的電池模塊，重量410kg（若用鉛蓄電池重量為553kg）一次充電可按城市行駛模式行駛150km（鉛蓄電池為112km）。整車(chē)售價(jià)為43995美元，租賃的月租費(fèi)為499美元。而采用鉛酸電池的整車(chē)售價(jià)為33959美元，月租費(fèi)為424美元。 表4 USABC中長(zhǎng)期目標(biāo)及Ov

13、onic公司MH-Ni電池性能4 指標(biāo) USABC（中期） USABC（長(zhǎng)期） Ovonic公司 比能量W·h/kg 80-100 200 70-80 比功率W/kg 150-200 400 200-250 充電時(shí)間 h <6 3-6 15min（60%） 壽命 年（次） 5（600） 10（1000） （600） 成本 美元/kW·h <150 <100 500-700 工作溫度 -30-65 -40-85 -30-60 日本從事電動(dòng)車(chē)用MH-Ni電池開(kāi)發(fā)的主要代表性廠(chǎng)家為松下電池公司，不但開(kāi)發(fā)了純電池電動(dòng)車(chē)用的EV型電池組，還開(kāi)發(fā)了供汽油機(jī)-電池混合動(dòng)

14、力的HEV用的高功率型MH-Ni電池，其主要性能參數(shù)見(jiàn)表5。其中HHR650D型電池就用在豐田公司于1997年12月率先宣布的全世界一次批量生產(chǎn)的EV-Prius混合動(dòng)力電動(dòng)轎車(chē)上。該車(chē)除裝有1.5L 42.6kW汽油發(fā)動(dòng)機(jī)外,還裝有40塊7.2V、6.5A·h電池模塊，構(gòu)成288V、6kW·h電池組，電池重136kg。在高速行駛時(shí)采用汽油機(jī)動(dòng)力；低速、起動(dòng)、爬坡時(shí)采用電池動(dòng)力。最高車(chē)速為160km/h，一次加油（50L）可行駛1400km，是普通燃油汽車(chē)的2倍。與普通燃油汽車(chē)相比，其CO2排放量減少50%，CO、CH及NO排入量減少了90%。這種混合動(dòng)力車(chē)的售價(jià)為1800

15、0美元，約為純電池動(dòng)力車(chē)的一半。該車(chē)已投放日本市場(chǎng)，并在1998年形成熱銷(xiāo)，售出18000輛。目前的生產(chǎn)能力為每月2000輛，并計(jì)劃在2000年銷(xiāo)往北美及歐洲，計(jì)劃銷(xiāo)售20000輛。 表5 松下公司電動(dòng)車(chē)用MH-Ni電池主要性能4 電池型號(hào) EV-95 EV-28 HHR650D 標(biāo)稱(chēng)電壓V 12 12 7.2 標(biāo)稱(chēng)容量A·h 95 28 6.5 比能量W·h/kg 63 58 41 比功率W/kg(80%DOD) 200 300 430 目前世界各大汽車(chē)公司都在研制、開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)混合電動(dòng)車(chē)。預(yù)計(jì)在零排放的純電池電動(dòng)車(chē)成為主流之前，混合電動(dòng)車(chē)在一段時(shí)間內(nèi)可以取代部份燃油汽車(chē)，

16、形成一定的規(guī)模。我國(guó)在政府863計(jì)劃支持下，北京有色金屬總院3進(jìn)行了電動(dòng)車(chē)用方形MH-Ni電池的研究試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)了10A·h、44A·h、80A·h、100A·h 4種單體電池，比能量分別為55W·h/kg、58W·h/kg、60W·h/kg及67W·h/kg。若組合成6V·100A·h電池組，則比能量為54W·h/kg3。曾在電動(dòng)摩托車(chē)及電動(dòng)轎車(chē)上進(jìn)行了演示。另外，和平海灣電源集團(tuán)公司在消化日本東芝引進(jìn)生產(chǎn)線(xiàn)技術(shù)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了電動(dòng)車(chē)用方形MH-Ni電池，共開(kāi)發(fā)出QNF12、QNF18

17、、QNF25、QNF100 4種型號(hào)，重量比能量60W·h/kg，體積比能量190W·h/L5。與國(guó)外開(kāi)發(fā)水平相比，尚有差距。 還有不少電池研究和生產(chǎn)單位，正在開(kāi)發(fā)用于電動(dòng)自行車(chē)的MH-Ni電池。多數(shù)為D型MH-Ni電池組成電池組，容量6-8A·h，電池組電壓24V。每組售價(jià)1000元，相當(dāng)于鉛酸電池的4倍，因此，未能大量投放市場(chǎng)。1.3 鋰離子電池 鋰離子電池是1990年由日本索尼公司首先推向市場(chǎng)的新型高能蓄電池。其優(yōu)點(diǎn)是比能量高，是當(dāng)前比能量最高的蓄電池。已經(jīng)在便攜式信息產(chǎn)品中獲得推廣應(yīng)用。1995年，索尼公司又開(kāi)發(fā)成功用于電動(dòng)車(chē)的鋰離子蓄電池，共分兩種類(lèi)型，

18、一種是用于純電動(dòng)車(chē)（EV）容量為100A·h的圓柱形單體電池，8只串聯(lián)成一個(gè)電池模塊；另一種是用于混合動(dòng)力車(chē)（HEV），容量為22A·h，8只串聯(lián)成電池模塊，但其輸出功率為前者的2.7倍。表6列出這兩種電池的主要技術(shù)性能。用于純電動(dòng)車(chē)的電池稱(chēng)為高能型鋰離子蓄電池，用于混合動(dòng)力車(chē)的電池稱(chēng)為高功率型鋰離子電池。高能型電池已于1996年裝在日產(chǎn)汽車(chē)公司開(kāi)發(fā)的第一輛鋰離子電動(dòng)汽車(chē)上（日產(chǎn)Al-traEV），在北京第一屆國(guó)際電動(dòng)車(chē)展覽會(huì)上展出。該車(chē)裝人12塊28.8V、94A·h鋰離子電池模塊構(gòu)成的345V、31.2kW·h電池組。一次充電可行駛200km，最高時(shí)

19、速120Km/h。售價(jià)現(xiàn)為50999美元，月租價(jià)為599美元6。其運(yùn)行費(fèi)用僅為燃油汽車(chē)的1/4。 表6 索尼公司電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池主要技術(shù)性能7 技術(shù) 圓柱形單體電池 方形組合電池(8串) 性能 高能型 高功率型 高能型 高功率性 重量(kg) 3.3 1.2 29 12.5 尺寸(mm) 67×410 50×250 290×150×140 220×300×160 工作電壓(V) 3.6 3.6 28.8 28.8 額定容量(A·h) 100 22 100 22 比能量(W·h/kg) 110 62 100 55

20、比功率(W·kg) 300 800 300 700 充放電壽命(次) 1200 1200 電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池推廣應(yīng)用的障礙之一是其價(jià)格太高。法國(guó)薩弗特公司則致力于LiNiO2及LiNixMyO2等較便宜的正極材料的開(kāi)發(fā)并已取得技術(shù)進(jìn)展。已制成1kW·h的小組合電池，由6只44A·h電池串聯(lián)及并聯(lián)構(gòu)成，配有智能電子控制及熱管理系統(tǒng)。裝車(chē)聯(lián)試一次充電可行駛200km，比能量達(dá)120W·h/lg，200W·h/L/該公司開(kāi)發(fā)的大容量工業(yè)用鋰離子電池有方形及圓柱形兩種，主要技術(shù)性能見(jiàn)表7。  表7 法國(guó)薩弗特公司鋰離子電池主要性能7 技術(shù)參數(shù)

21、 方形電池 圓柱形電池 單體電池 組合電池(6只) 重量(kg) 3.30 1.10 7.40 尺寸(mm2) 137×53×216 體積(L) 1.57 0.49 4.7 額定容量(A·h) 115 44 88 額定能量(W·h) 415 158 950 重量比能量(W·h/kg) 125 143 128 體積比能量(W·h/L) 265 322 202 比功率(80%DOD)(W/kg) 300 345 300 工作溫度() -1050 -1050 -1050 德國(guó)瓦塔公司也在開(kāi)發(fā)車(chē)用鋰離子電池，特點(diǎn)是采要更廉價(jià)的尖晶石LiMn2

22、O4正極材料。1997年制成60A·h，比能量為115W·h/kg，充放電壽命為900次，脈沖比功率為500W/kg?；旌蟿?dòng)力車(chē)用電池比能量為35 W·h/kg，脈沖比功率850 W/kg。    目前鋰離子電池除鈷以外的廉價(jià)正極材料雖然已試制成相應(yīng)的車(chē)用電池及電池組，但在技術(shù)性能上都不夠穩(wěn)定，還有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。據(jù)分析，正極加隔膜的成本占鋰離子電池總成本的60%以上，因此如何努力降低隔膜及正極的成本將是今后的努力方向。與此同時(shí)，索尼公司也在努力降低其鋰離子電池的售價(jià)，最近的消息是索尼公司已將其電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池的出廠(chǎng)價(jià)降至600美

23、元/kW·h，以加強(qiáng)它與MH-Ni電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。    在我國(guó)鋰離子電池發(fā)展計(jì)劃中，天津電源研究所在小型鋰離子電池的研制上已取得成果，18650型圓柱形更攜式信息設(shè)備用小型鋰離子電池已進(jìn)入中試生產(chǎn)階段。與此同時(shí)，該所在也進(jìn)行了大容量鋰離子電池的研制，已達(dá)到的研制水平如表8所示。目前，該所正按照我國(guó)電動(dòng)車(chē)概念車(chē)的要求，進(jìn)行電動(dòng)車(chē)用鋰離子電池的研制。 表8 天津電源研究所所方形鋰離子電池主要性能7 技術(shù)參數(shù) 35A·h 100 A·h 重量 (kg) 1.16 3.7 體積 (L) 0.52 1.5 工作電壓 (V) 3.6 3.6

24、 額定容量 (A·h) 35 100 重量比能量 (W·h/kg) 110 110 體積比能量 (W·h/L) 240 240 比功率 (W/kg) 200 220 充放壽命,0.3C,60%DOD (次) 200 200 月自放電 (%) 10 10 1.4 鈉氯化鎳電池（Zebra電池）8 ZEBRA電池是80年代中期以來(lái)研究開(kāi)發(fā)的一種新型高能量電動(dòng)車(chē)用電池，其名稱(chēng)ZEBRA是“Zero Emission Battery Research Activity”的縮寫(xiě)。最早由南非ZEBRA Power Systems Ltd的Dr。Coetyer J發(fā)明，近來(lái)該電

25、池發(fā)展較快。德國(guó)AEG Angto Battery CmbH及美國(guó)的Beta R and D Ltd都進(jìn)行開(kāi)發(fā)，前者多次在國(guó)際電動(dòng)車(chē)會(huì)議上（EVS）進(jìn)行介紹，后者已成為ZEBRA電池的研究開(kāi)發(fā)中心并已進(jìn)行中試生產(chǎn)和工業(yè)化設(shè)計(jì)。ZEBRA電池與Na-S電池相似（參見(jiàn)圖9）。 表9 ZEBRA電池與Na-S電池的對(duì)比8 電池特性 Na-NiCl2(ZEBRA) Na-S 比能量 (W·h/kg) 790(理論),100(實(shí)際) 760(理論),100(實(shí)際) 能量轉(zhuǎn)換效率 % -100,無(wú)自放電 -100,無(wú)自放電 容量與放電率關(guān)系 無(wú)關(guān)(電池主要為歐姆內(nèi)阻) 無(wú)關(guān)(電池主要為歐姆內(nèi)阻)

26、 開(kāi)路電壓 (V) 2.58(300) 2.075(350) 工作溫度 () 270350 320350 制造環(huán)境 干燥氣氛(無(wú)液態(tài)鈉操作) 惰性氣氛(有液態(tài)鈉操作) 連接方式 可任意組合(單電損壞呈短路導(dǎo)通) 需旁路系統(tǒng)(單電損壞呈開(kāi)路斷開(kāi)) 過(guò)充過(guò)放 可(NaClCl4可參與反應(yīng)) 不可(無(wú)其他反應(yīng)發(fā)生) 冷熱循環(huán) 能承受 很敏感 安全程度 可靠性好(無(wú)低沸點(diǎn),高蒸氣壓物) 可靠性差(有低沸點(diǎn),高蒸汽壓物) 負(fù)極都是液態(tài)鈉，電解質(zhì)都是Al2O3，不同的是正極由分散在NaAlCl4熔鹽中的固態(tài)Ni和NiCl2構(gòu)成，取代了Na-S電池中的液態(tài)S和多硫化鈉。其工作溫度為270350，屬于高溫蓄電

27、池。其性能除具有Na-S電池相同的高能量密度，高轉(zhuǎn)換效率，無(wú)自放電等特點(diǎn)外，還具有Na-S電池更高的開(kāi)路電壓（2.58V），較寬的工作溫度范圍（270350）并在制造過(guò)程中免除了液態(tài)鈉的操作麻煩（電池裝配時(shí)是放電態(tài)NaCl），提高了安全可靠性。ZEBRA電池的表達(dá)式為：（一）Na(1)-Al2O3(S)|NaAlCl4(1)/Ni(S)NiCl(S)(+) 反應(yīng)式為: 放 2Na+NiCl2 2NaCl+Ni 充 至今已設(shè)計(jì)了3代ZEBRA單電池: 第1代 型號(hào)為SL，于1994年中試生產(chǎn)至1996年底，共生產(chǎn)134000只單電池作為臺(tái)架、試車(chē)及安全評(píng)估試驗(yàn)，缺點(diǎn)是峰值功率低（70W/kg）。

28、 第2代 型號(hào)為ML，改進(jìn)后功率達(dá)150W/kg，1996年在EVS-13宣布研制成功并生產(chǎn)6000電池用于各種試驗(yàn)。 第3代 1997年在EVS-14宣布，功率>250W/kg，比能量>100W·h/kg。 表10是用第2代ML型單電池組裝的Z11型電動(dòng)車(chē)電池組（299V，96A·h，28.7kW·h）與USABC中期目標(biāo)性能的對(duì)照。可以看出，ZEBRA電池已達(dá)到中期目標(biāo)，個(gè)別項(xiàng)目還超過(guò)指標(biāo)要求。其中初始生產(chǎn)價(jià)格雖然還達(dá)不到指標(biāo)，但因該電池的材料成本只占售價(jià)的20%，因此大量生產(chǎn)后的降低余地較大據(jù)估算，生產(chǎn)量達(dá)30萬(wàn)組電池時(shí)，價(jià)格即可降至150美元/

29、kW·h。另外該電池雖然自放電很低幾乎為零，但由于電池組工作溫度高，停車(chē)時(shí)的熱損失以及啟動(dòng)時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間加熱等缺點(diǎn)，使該電池只適用于經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)的車(chē)隊(duì)車(chē)輛，不太適合于私人小轎車(chē)。 表10 ZEBRA電動(dòng)車(chē)電池組性能與USABC中期目標(biāo)比較8 技術(shù)參數(shù) USABC中期目標(biāo) ZEBRA Z11電池組 比能量 (W·h/kg) 80(100期望值) 86() 比功率 (W/kg) 150(200期望值) 150() 循環(huán)壽命 (次) 600(80%DOD) 1000(100%DOD) 里程壽命 (km) 160000 112000(顯示) 年份壽命 (車(chē)) 5 5(顯示)10(潛在)

30、價(jià)格 (S/kW·h) 150 300(初始生產(chǎn)) 再生比功率 (W/kg) 75 200() 工作環(huán)境溫度 () -30-65 -40-+70 正常充電 (h) 6(20%-100%soc) 6(20%-100%soc) 快速充電 (min) <15(40%-80%soc) 36(50%soc) 壽命終了時(shí)充電效率(%) 75 >80 電池組能量損失(W/kW·h) 熱損失<3.2 熱損失5.5 自放電48hr<15% 無(wú)自放電 :系統(tǒng)重量包括BMS、IFB、冷卻 至今，ZEBRA電池已有多年的路試歷史，目前仍有300多個(gè)電池組在進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)及路試

31、。近百輛用ZEBRA電池裝備的電動(dòng)車(chē)已有累積2000000km的行駛里程，其中部份試驗(yàn)已超過(guò)5年，個(gè)別車(chē)還創(chuàng)造了實(shí)際路試100000km電池?zé)o故障的記錄。 1.5 質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC) PEMFC的優(yōu)點(diǎn)是以固體物質(zhì)（聚合物膜）為電解質(zhì)，易操作無(wú)腐蝕，結(jié)構(gòu)緊湊，耐沖擊振動(dòng)，工作溫度低（80），易常溫起動(dòng)，具有比其他類(lèi)型燃料電池更高的功率密度，比蓄電池電動(dòng)車(chē)行駛距離長(zhǎng)。90年代以來(lái)成為各發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)的電動(dòng)車(chē)用電池。加、美、日、德等國(guó)處于領(lǐng)先地位，其中以加拿大巴拉德（Ballard）公司（BPS）最先進(jìn)。迄今加拿大的BPS公司已開(kāi)發(fā)了3代PEMFC電動(dòng)車(chē)電池9：  

32、;  第1代：PEMFC電堆MK5，單體平均工作電壓 0.57V時(shí)可輸出功率5kW，功率密度為150W/kg，150W/L，24個(gè)電堆構(gòu)成PEMFC電池發(fā)動(dòng)機(jī)用于1993年世界第一輛PEMFC電動(dòng)公共汽車(chē)，總功率43kW，車(chē)長(zhǎng)9.8m，載客20人，一次加燃料行駛160km，超動(dòng)時(shí)間20S，時(shí)速48km，最高時(shí)速72km。    第2代 MK513，單體平均工作電壓為0.58V時(shí)可輸出功率13kW，功率密度300W/kg，300W。L，20個(gè)電堆串聯(lián)構(gòu)成總功率200kW以上的PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)，相當(dāng)于常規(guī)公交車(chē)所裝柴油機(jī)功率并占有與柴油機(jī)相同的體積。不僅提供

33、行車(chē)動(dòng)力而且提供照明，空調(diào)用電。以存放于車(chē)身頂部的高壓貯氫為燃料，氫瓶壓力21MPa，一次加燃料可行駛400km，載客60人，最高時(shí)速95km。    第3代 MK7，單體平均工作電壓0.68V時(shí)可輸出功率32.3kW，功率密度700W/kg，1000W/L，已滿(mǎn)足并超過(guò)汽車(chē)制造商、美國(guó)能源部及PNGV（Partnership for a New Ceneration Vehicle）所確定的研制目標(biāo)。   目前，美、日、德等國(guó)大汽車(chē)公司都致力于PEMFC電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)，而且?guī)缀醵际怯眉幽么驜PS公司開(kāi)發(fā)的PEMFC電堆，實(shí)用化PEMFC電堆水平

34、如下：    （1）用純H2為燃料：70kW BPS/Daimler-Benz電堆，正在進(jìn)行車(chē)上試驗(yàn)，（NECAR4，4座小轎車(chē)），采用7kg液態(tài)H2，可行駛450km，效率36%。這是由于使用液態(tài)H2必需有一定泄漏量。實(shí)際PEMFC電堆的性能是0.7kW/kg,1kW/L，轉(zhuǎn)換效率65%，系統(tǒng)效率45%-50%。    （2）用重整氣為燃料 30kW BPS/GM電堆，達(dá)到水平為0.3kW/L，0.25kW/kg，使用甲醇轉(zhuǎn)化氫，含CO15×10-6。    （3）低Pt載量10kW MTI（

35、美國(guó)機(jī)械技術(shù)公司）電堆，Pt載量0.17mg/cm2，純H2為燃料，演示性能850mA/cm2，0.6V；功率密度0.25kW/kg。   PEMPC電動(dòng)車(chē)的演示成功，說(shuō)明在技術(shù)上已取得突破，性能上已可與燃油汽車(chē)相比。目前商品化的障礙是價(jià)格及氫源問(wèn)題。為此PNGV擬定了技術(shù)及價(jià)格目標(biāo)。   （1）市區(qū)及高速公路混合行駛，燃料電池系統(tǒng)效率55%（LHV）    （2）比功率：0.4kW/kg。      0.4kW/L     （3）成本：$30/

36、kW(電堆)    $60/kW(系統(tǒng))     （4）啟動(dòng)時(shí)間：30s（滿(mǎn)功率）     （5）壽命：5000h和160000km    降低價(jià)格的措施為降低鉑載量，已由0.4mg/cm2降至0.13 mg/cm2，并將繼續(xù)降低到0.1 mg/cm2。0.05-0.025 mg/cm2；降低PEM膜價(jià)格：已由$700m2降至$50m2相當(dāng)于$10/kW(0.65V)和$17kW(0.75V)；降低集流板價(jià)格，目前機(jī)加工石墨板造價(jià)是電堆造價(jià)的60%，措施是用不銹鋼表面改性、輕金屬鍍鈦或炭黑聚合物

37、模壓復(fù)合材料（電阻率<0.01cm2）以及研究膜電極組件的大規(guī)模生產(chǎn)工藝等。   為了將來(lái)不必大規(guī)模發(fā)行當(dāng)前汽車(chē)燃料的供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施，各大汽車(chē)公司正集中力量研究車(chē)載生整器如小型高集成重整器，可用汽油，甲醇、乙醇等以及部份氧化甲醇重整器，優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須加熱，直接加入甲醇即可起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)間可以<100s。但這樣的重整氣含CO達(dá)到1%，必需處理后方送入燃料電池。盡管已有上述降價(jià)途徑，但要達(dá)到目標(biāo)，可能還需較長(zhǎng)時(shí)間（7-10年）。 2 展望從長(zhǎng)遠(yuǎn)的能源及環(huán)境保護(hù)角度來(lái)看，發(fā)展電動(dòng)車(chē)將成為必然的趨勢(shì)。自1996年以來(lái)，已有3種類(lèi)型電動(dòng)車(chē)問(wèn)世，即以線(xiàn)性蓄電池驅(qū)動(dòng)的零排放的BEV、以燃油機(jī)與蓄電池混合驅(qū)動(dòng)的HEV及以燃料電池驅(qū)動(dòng)的FCEV。下面方試圖討論一個(gè)這3種電動(dòng)車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。（1）BEV電動(dòng)車(chē) 這種車(chē)的優(yōu)點(diǎn)是零排放，缺點(diǎn)是一次充電行程短，因此只適用于城市中心及小區(qū)內(nèi)的短途運(yùn)輸。改進(jìn)