純電動(dòng)汽車以動(dòng)力電池組作為唯一的動(dòng)力來源，其動(dòng)力性能、續(xù)駛里程和安全性能都受到動(dòng)力電池組的制約，這也是限制純電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。而快速發(fā)展的純電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)在對(duì)動(dòng)力電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命等提出更高要求的同時(shí)，對(duì)其經(jīng)濟(jì)型、安全可靠性也制定了更為嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)。目前，動(dòng)力電池己經(jīng)從最常見的的鉛酸電池發(fā)展到鎳金屬電池、鋰離子電池(包括磷酸鐵鋰和三元材料)等。

2.1.1鉛酸電池

鉛酸電池模型結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。鉛酸電池采用絨狀金屬鉛作負(fù)極，二氧化鉛作正極，用硫酸溶液作為電解液。放電時(shí)，鉛和二氧化鉛都與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛，充電的反應(yīng)過程則是其逆過程。其電反應(yīng)原理如下:

Pb02+Pb+ZHZSO4= 2PbSO4+2H20                   

鉛酸電池經(jīng)過一百五十多年的發(fā)展，技術(shù)成熟可靠、性能可靠、使用安全，原料易獲取、成本低廉、可大批量生產(chǎn)，鉛酸蓄電池是目前在各種車輛中應(yīng)用得最為廣泛的電池，主要作為燃油汽車內(nèi)部電子設(shè)備的電源，作為動(dòng)力源應(yīng)用于旅行參觀車、老年代步車等，但其本身能量密度小、循環(huán)壽命短、體積大、可維護(hù)性差，以及腐蝕性酸造成的環(huán)境污染等問題，使其越來越難以適應(yīng)未來電動(dòng)汽車的發(fā)展要求。

2.1.2鎳金屬電池

鎳金屬電池主要包括鎳鉻電池和鎳氫電池。

鎳鉻電池因綜合機(jī)能穩(wěn)定、使用溫度跨度寬(-30 ℃~-50 ℃ )、維護(hù)簡單，且具有較好的耐過充、放電能力，成為最早應(yīng)用在手機(jī)、個(gè)人電腦等移動(dòng)設(shè)備上的電池。但鎳鉻電池在低溫環(huán)境下性能很差，金屬福的污染問題也不容忽視，且存在“記憶效應(yīng)”這一致命弱點(diǎn)。“記憶效應(yīng)”是指電池充電前電量沒有100%放盡，或者電池使用前電量未充滿，使用時(shí)間長后導(dǎo)致電池容量的降低。正因如此，鎳鉻電池在純電動(dòng)汽車中大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的路還很遠(yuǎn)。

鎳氫電池解決了鎳鉻電池的“記憶效應(yīng)”缺陷，且比能量更高，無毒、無污染。相比鉛酸電池，鎳氫電池的比功率提高了10倍，能夠有效地給電動(dòng)車減重。

鎳氫電池在充放電過程中的反應(yīng)式:

但是鎳氫電池的價(jià)格較高，且電池儲(chǔ)存的大部分能量并不能被使用，能量利用率低，綜合性能也不及鋰離子電池，因此目前僅在混合動(dòng)力汽車上使用。

2.1.3鋰離子電池

鋰離子電池的負(fù)極多為呈層狀結(jié)構(gòu)的石墨，有很多微孔，電池中沒有活性極強(qiáng)的

金屬鋰存在，鋰作為離子狀態(tài)存在。與上述電池相比，鋰離子電池的很多性能指標(biāo)表現(xiàn)突出，其能量密度和工作電壓是鎳氫電池的3倍左右，使用溫度范圍寬(-20 ℃~60 ℃ )、循環(huán)壽命長、自放電小(每月2%左右)、無“記憶效應(yīng)”，不含有毒有害物質(zhì)。鋰離子電池優(yōu)良的性能受到了使其成為了產(chǎn)商主要的研發(fā)對(duì)象，被認(rèn)為是最有發(fā)展前景的動(dòng)力電池。

另一方面，鋰離子電池也存在缺陷。其一，相較其它電池，鋰離子電池的加工工藝更為復(fù)雜，導(dǎo)致加工成本更高，市場價(jià)格較高;其二，鋰離子電池在非正常工作溫度下的性能迅速下降;其三，鋰離子電池的電解液多為易燃易爆的有機(jī)溶劑，電池在過充放電、短路等狀態(tài)下會(huì)迅速升溫，導(dǎo)致電池起火甚至爆炸[[40]。這些缺陷是其迅速商業(yè)化并成為汽車動(dòng)力電池的障礙。

鋰離子電池在充放電過程中的反應(yīng)式:

其中:M表示金屬離子，X表示陰離子基團(tuán)。

從以上鋰離子電池反應(yīng)式中可以看到，鋰離子在正極和負(fù)極間通過電解液反復(fù)嵌入和脫出，電池性能的好壞完全基于單位時(shí)間里鋰離子的遷移數(shù)目。鋰離子電池有較多的電極組合方式，其中陰極材料主要有鋰鉆氧化物、鋰鎳氧化物、鋰錳氧化物、磷酸鐵鋰等，陽極材料主要有石墨、欽酸鋰等，不同的組合在性能上存在一定差異。其中磷酸鐵鋰電池具有磷氧共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)難以被破壞也難以發(fā)生反應(yīng)，因此熱穩(wěn)定性和安全性較好，又因?yàn)槠涑杀静桓撸栽擃愲姵卦谛⌒碗妱?dòng)車應(yīng)用廣泛。但是磷酸鐵鋰電池的比能量和運(yùn)行電壓相對(duì)較低，大型純電動(dòng)車更傾向于選擇鉆酸鋰或錳酸鋰電池。

三元鋰電池是指正極原料使用鎳鉆錳酸Li((NiCoMr)O2)三元材料的鋰電池。2016年以來，三元鋰電池由于其平臺(tái)電壓高、能量密度高、循環(huán)性能好等特性，成為鋰電池界的新秀，市場份額增長迅速，但其安全性在飽受質(zhì)疑， 2016年中磷酸鐵鋰電池仍占主導(dǎo)地位。表2.1為不同鋰離子電池性能對(duì)比表

上述幾種類型的電池性能各有千秋，在不同的行業(yè)內(nèi)發(fā)揮重要的作用，目前沒有一種電池能完全取代其它電池，成為純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的“標(biāo)配”，但鋰離子電池各方面性能指標(biāo)綜合考慮是最佳，其己經(jīng)激起各大汽車廠商的研發(fā)熱潮，它們都致力于突破大功率、高容量鋰離子電池技術(shù)。因此，鋰離子電池是最具研究價(jià)值、最具推廣意義的動(dòng)力電池，勢必在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域占據(jù)更重要份額。本文研究的對(duì)象為某公司電動(dòng)物流車用方型磷酸鐵鋰電池。