摘要:針對電動汽車產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及存在的問題作了簡要分析,并對新型鐵電池技術的特點作了簡單介紹,分析了鐵電池技術在電動汽車上的應用和發(fā)展前景。指出電動汽車的研究對于解決能源緊缺、緩解環(huán)境污染等有著重要意義,同時電動汽車也是未來汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。
1 電動汽車產(chǎn)業(yè)化的意義與瓶頸
1.1 電動汽車產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)增長和人民生活水平的不斷提高,以及我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展,我國機動車保有量急劇增加。據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的《2006年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》顯示:2006年末全國民用汽車保有量達到4985萬輛(包括三輪汽車和低速貨車1399萬輛)。巨大的汽車保有量帶來的不僅僅是交通擁堵等問題,更為突出的是能源緊缺和大氣污染,汽車對能源與環(huán)境的影響已成為當前全球最為關注的問題。中國作為能源消費大國,近幾年能源需求快速增長,對國家能源安全構(gòu)成了嚴重威脅,形勢十分嚴峻。
近十多年來,電動汽車以其節(jié)省燃料、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等技術優(yōu)勢成為全球汽車業(yè)重點研發(fā)對象。我國的電動汽車已從20世紀90年代初的純理論試驗階段逐步過渡到商品化試生產(chǎn)階段,并有一些低端產(chǎn)品已實現(xiàn)市場化,但與實現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有一定距離。
電動汽車主要以電池為動力源,全部或部分由電機驅(qū)動,是涉及到機械、電子、電力、微機控制等多學科的高科技產(chǎn)品。按照目前技術狀態(tài)和車輛驅(qū)動原理,劃分為純電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池電動汽車三種類型。
純電動汽車是完全由二次電池(如鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池或鋰離子電池)提供動力的汽車。由于一次石化能源的日趨缺乏,純電動汽車被認為是汽車工業(yè)的未來。純電動汽車利用動力電池組輸出電能驅(qū)動電機,推動車輛行駛。電池的電能通過充電系統(tǒng)在車輛行駛一定的里程后進行補充,純電動汽車的突出優(yōu)點在于用戶端真正實現(xiàn)了“零排放”。純電動汽車發(fā)展的關鍵問題是還沒有完全解決動力電池的技術和成本?;旌蟿恿﹄妱悠囀窃诩冸妱悠囬_發(fā)過程中為有利于市場化而產(chǎn)生的一種新車型。目前,混合動力電動汽車一般是指采用內(nèi)燃機和電動機兩種動力,將現(xiàn)有內(nèi)燃機與一定容量的儲能器件,如:高性能電池或超級電容器通過先進控制系統(tǒng)相結(jié)合,提供車輛行駛所需要的動力。因此混合動力電動汽車沒有從根本上擺脫對石油資源的依賴問題。同時,在以內(nèi)燃機為主提供動力時,無法有效降低車輛對環(huán)境的影響。因此從技術角度分析,混合動力電動汽車只能是電動汽車發(fā)展過程中的一種過渡技術。
燃料電池電動汽車是以燃料電池作為動力源的電動汽車。燃料電池是利用氫氣和氧氣(或空氣)在催化劑的作用下直接經(jīng)電化學反應產(chǎn)生電能的裝置。具有無污染,只有水作為排放物的優(yōu)點。燃料電池電動汽車就是利用這種電能實現(xiàn)車輛驅(qū)動。但現(xiàn)階段,燃料電池的許多關鍵技術還處于研發(fā)試驗階段。
此外,燃料電池的理想燃料—氫氣,在制備、供應、儲運等方面距離產(chǎn)業(yè)化還有大量的技術與經(jīng)濟問題有待解決,在車上存儲大量壓縮氫氣的安全性也需要認真對待。
1.2 動力電池是制約電動汽車產(chǎn)業(yè)化進程的瓶頸
目前制約電動汽車發(fā)展的主要問題是電動汽車制造成本和運行成本,根本原因還是動力電池技術問題。動力蓄電池目前存在的主要問題是:能量密度較低而使電動汽車續(xù)駛里程較短;生產(chǎn)工藝不成熟而導致循環(huán)壽命不高( 400~1000次);體積和質(zhì)量較大而使車輛有效載荷降低;電池價格較高而使電動汽車使用成本增加。就目前的技術和生產(chǎn)水平而言,每輛電動公交車的動力蓄電池組的價格在10萬元(鉛酸電池)到40萬元之間(鋰離子電池),使用壽命在1年到2年之間。
2 鐵電池技術的優(yōu)點
2.1 鐵電池技術簡介
近年來,高鐵化合物在電化學領域的研究非?;钴S,并取得了較大進展。由于高鐵作為電池的正極材料時,該電極反應為三電子反應,電池的電勢以及能量都比傳統(tǒng)的鋅錳電池高。而且這種材料價格低廉對環(huán)境無污染,因此受到電化學界的廣泛注意。
高鐵酸鹽物質(zhì)在電池反應中可以得到3個電子,所以有相對較高的容量。從表 1可以看出,高鐵酸鋰的理論容量高達601Ah/kg。高鐵酸鋇的理論容量也有313Ah/kg。而 Mn02 的容量為308Ah/kg。
圖1是高鐵酸鉀—鋅電池和鋅—錳電池放電曲線比較。7號電池在 0.5mA/cm2 的電流密度下恒電流放電,K2FeO4 正極材料對 Zn 的平均放電電壓是 1.58V。該電壓高出鋅錳電池平均放電電壓( 1.27V) 24%,前者的放電容量比后者高32% 。在以上條件下其放電效率為85% 。與傳統(tǒng)的鋅錳電池相比,高鐵一次電池具有高電壓( OPV: 1.9V) 、高能量( 1.55Wh, AAA) 、不消耗電解液和不污染環(huán)境等優(yōu)點。
2.2 高鐵電池的優(yōu)點
高鐵電池是以合成穩(wěn)定的高鐵酸鹽(K2FeO4、BaFeO4 等)作為高鐵電池的正極材料,來制作能量密度大、體積小 、重量輕、壽命長、無污染的新型化學電池,與普通蓄電池相比具有以下優(yōu)點:
( 1) 高能高容量。目前市場上的民用電池比功率只有 60~135W/kg,而高鐵電池可以達到 1000W/kg 以上 , 放電電流是普通電池的 3~10 倍。特別適合需要大功率、大電流的場合。
( 2) 高鐵電池性價比高。堿錳電池不能滿足目前需大電流大容量用電的數(shù)碼相機、攝影機等電子產(chǎn)品的需要,鋰離子電池因成本在此方面不具很強的競爭力。
( 3) 高鐵電池放電曲線平坦。如 Zn- K2FeO4, 70%以上的放電時間在 1.2~1.5V。
( 4) 原料豐富。地殼中最為豐富的元素為鋁和鐵 , 鐵在地殼中的含量為 4.75%,錳的含量為 0.088%。同時每 mol+6 價鐵能產(chǎn)生 3mol 電子 ,而每 mol+4 價錳僅能產(chǎn)生 1mol 電子,鐵的用量在自身非常豐富的情況下,僅是錳的1/3,大大節(jié)約了社會資源,降低了原料的成本。
( 5) 綠色無污染。高鐵酸鹽放電后的產(chǎn)物為 FeOOH 或Fe2O3- H2O, 無毒無污染 , 不需要回收。
2.3 鐵電池技術的市場應用
近日 , 在深圳第九屆中國國際高新技術成果交易會上,比亞迪股份公司展示了自行研制的 F6 雙模電動汽車,成為業(yè)界關注的焦點。這款雙模電動汽車使用的動力電池是名為“ET- POWER”的鐵動力電池,它是比亞迪在電池領域的最新成果。
比亞迪股份公司的“鐵電池”在“低成本”、 高容量”及“高安全”等三個指標上都取得了實質(zhì)性突破。該電池采用的是資源豐富、價格低廉鐵元素材料,成本低;而材料本身的高比容量及后續(xù)的性能設計保證了此電池與其它常用鋰離子電池的能量密度相近;高熱穩(wěn)定性材料的選擇和縝密的工藝設計也使該電池通過了系列安全測試,安全性能穩(wěn)定。此外,它還具有長循環(huán)壽命、寬使用溫度范圍和優(yōu)異的大電流放電性能等一系列優(yōu)良特性。
從 DM 雙模電動汽車本身來講,F6DM真正解決了能源問題、安全問題、充電問題和產(chǎn)業(yè)化問題,鐵電池不僅無污染,無安全隱患,還可以回收;DM雙模電動車可以用家用電源進行充電,10min 可以快充50%,慢充 9h 完成。據(jù)悉,整個DM系統(tǒng)的成本費用為5萬元,產(chǎn)量提高后成本還可大幅降低。
3 結(jié)束語
鐵電池技術具有高電壓、高能量、無污染等優(yōu)點,而且目前已開始從實驗室走向產(chǎn)品商業(yè)化,市場前景不可估量,大力發(fā)展鐵電池技術對我國電動汽車產(chǎn)業(yè)化進程的推進有著重要而深遠的意義。