0 前言

　　據近期“世界電動車”報導， 預測到2007 年，全世界電動車年銷量可達百萬輛以上（見表1），約占全球汽車總銷量的1. 5 %.雖然這樣小的份額不足以說明電動車已商品化， 但也說明經過幾十年，尤其是近10 年的全球性努力，電動車在技術上已取得很大成就。預測電動車銷售的主要依據仍然是人們對環境污染的關注，尤其是在中心城市。美、歐等發達國家的一些中心城市都在限制燃油汽車的使用。我國政府也越來越重視環境保護問題， 把環境保護作為實施可持續發展戰略的一項重要內容。我國環境監測數據表明， 汽車尾氣排放是城市大氣污染的主要來源之一。北京市機動車尾氣排放對大氣污染物中CO、HC、NOx 的分擔率分別為63. 4 % ，73. 5 %和46 % ， 非采暖期這一分擔率更高， 分別為80. 3 % ，79. 1 %和54. 8 %.上海市更為嚴重，分別為86 %、96 %和56 %;廣州、天津、重慶等許多大中型城市具有類似情況。因此， 最近國務院有關部委組織召開了一次“清潔汽車行動”的大會， 以推動我國燃油汽車的清潔化、新型燃氣汽車的推廣應用和國家電動汽車重大科技產業化工程項目的實施。

　　表1 電動汽車銷售量預測（千輛）

　　目前， 各種類型的電動汽車包括以蓄電池驅動的BEV，以內燃機與電池混合驅動的HEV及以燃料電池驅動的FCEV都面臨著與改進的燃油汽車及采用各種替代燃料的低污染汽車的市場競爭。電動車必須在性能、價格上進一步改進， 才能指望在市場競爭中站住腳。

　　各種主要電動車用蓄電池的對比見表2。目前能大量生產供應的只有鉛蓄電池和鎘鎳蓄電池， 由于鎘鎳電池性能價格比不如鉛蓄電池而且存在鎘污染，性能優良的MH2Ni 電池有可能很快進入市場。本文將重點討論鉛蓄電池、MH2Ni 、鋰離子及鈉氯化鎳蓄電池的進展情況。質子交換膜燃料電池（ PEMFC）是唯一可以在性能上與燃油汽車競爭的電池， 本文將介紹其最近發展情況。

　　表2 各種主要電動車用蓄電池對比

　　1 電動車電池的研制進展

　　1. 1 鉛蓄電池

　　鉛蓄電池是目前唯一能大量生產供應的電動車電池。從表2 可以看出，它的優點是價格低，缺點是比能量低，一次充電行駛里程短（約100km） 。一項對北美私人汽車日行程的調查表明， 日行程在160km以下的占90 % ， 其余10 %日行程超過240km甚至更高。因此有人提出若能將鉛蓄電池比能量適當提高，使一次充電行程達到160km，同時開展快速充電的研究， 就有可能使價格低廉的鉛蓄電池滿足大多數城市中心區短途運輸及交通用電動車的要求。為此， 1992 年由國際鉛鋅組織聯合世界鉛蓄電池制造廠商成立的“先進鉛蓄電池聯合體（ALABC） ”制定了先進鉛蓄電池的研制目標為：

　　比能量50W·hkg- 1 （一次充電行程160km）

　　比功率150Wkg- 1

　　價格《 150 美元/ kW·h

　　循環壽命》 500 次

　　快充性能：

　　50 % 5min

　　80 % 15min

　　上述5 項指標中， 價格及比功率已為一般鉛蓄電池所具備， 因而改進的主要力量集中在比能量，循環壽命及快充性能3 項指標。

　?。?） 比能量提高比能量主要從減輕板柵重量及提高正極活性物質利用率著手。研究表明， 提高鉛鈣合金中錫的含量可以增強板柵耐腐性及抗蠕變強度， 從而可以減輕板柵重量（Sn 含量0. 5 %~1 %） 。在正極活性物質中添加吸酸能力強的添加劑（如發泡聚丙烯） 可以提高正極活性物質利用率約10 %.

　　（2） 循環壽命研究結果表明有4 種方法可提高鉛蓄電池的循環壽命： （i） 板柵合金采用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，試驗證明將法向壓力從8kpa 增至40kpa ，可使循環壽命由200 次提高到700 次。為此需改進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） 改進負極膨脹劑以避免延長充放循環壽命后，負極活性物質海綿狀鉛的硬化。

　　（3） 快速充電由于近期快速充電技術的發展，使傳統的鉛蓄電池快速充電性能不好的概念已有所改變。實驗證明， 多數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，合理的快速充電制度及方法，對延長電池壽命不但無害而且有利。國外已將快速充電方法由單組電池擴展應用到整個電池組， 并且在車載情況下進行試驗。1998 年公布的ALABC 的報告表明，通過研究改進， 閥控式鉛酸蓄電池的比能量有望提高到改進前的2 倍， 循環壽命有可能提高到原有的10 倍， 而充電時間縮短一個數量級。目前ALABC 正在大力支持各有關方面的研究改進工作。假如上述研究改進目標能在鉛蓄電池的生產中實現， 則鉛蓄電池將在近期電動車的產業化過程中發揮重要作用。

　　我國在“八五”計劃期間， 國家科委和國家計委就把電動車用鉛蓄電池的研究和開發列為重點項目予以支持。許多從事電動車設計和研制的單位認為， 雖然鉛蓄電池比能量低， 但在我國期望將公交車、出租車放在電動車使用的首要地位的情況下，鉛蓄電池以其價格低廉， 能夠大量生產供應的優勢， 被列入近期電動車產業化工程項目計劃中還是可行的。

　　表3 列出我國電動車用密封鉛蓄電池的近期研究發展目標， 其中第一階段強調電池總體性能的提高， 第二階段把重點放在電池循環壽命及電池性能的均勻一致性的改進上。

　　表3 我國電動車用密封鉛酸電池研制目標

　　1991~1995 期間， 保定金風帆蓄電池有限公司、輕工業化學電源研究所等單位參與電動車用密封鉛蓄電池的研制工作。其中風帆電池廠采用正負極涂膏平板電極， 輕工業化學電源研究所則正極采用其具有專利權的橢圓形管式極板， 負極仍為涂膏平板電極。試制結果表明， 我國的電動車用鉛蓄電池除循環壽命外其余各項均能達到第一階段研制目標。

　　目前風帆公司及鎮江蓄電池廠的密封鉛蓄電池已在我國改裝車上試用， 其中在面包車上采用20只12V·150A·h 電池， 最高車速80km/ h ， 充電一次行駛100km; 小轎車使用10 只12V ·150A·h 電池組，車速可達80km/ h ，充電一次行駛100km.存在的最大問題是均勻性差， 個別電池累計行車里程不足1 000km就需更換。

　　1. 2 金屬氫化物鎳電池

　　金屬氫化物鎳電池（MH2Ni） 是90 年代發展起來的一種新型綠色電池， 它與鎘鎳電池有很好的互換性， 但沒有鎘污染而且比能量較高。小型圓柱式MH2Ni 電池在日本已達到產業化規模生產， 廣泛應用于便攜式信息設備。電動車用MH2Ni 電池主要在美國及日本進行開發。美國OvONic 公司在美國先進電池開發聯合體（USABC） 的資助下開展了電動車用MH2Ni 電池的開發， 據報導研制水平已接近USABC制定的中期發展目標（見表4） ，但成本仍較高，目前MH2Ni 電池的價格為500~700美元/ kW·h ，據報導，美國通用汽車公司今年已開始生產裝有高性能MH2Ni 電池的EV21 電動轎車， 采用24 只13. 2V、90A·h、1. 2kW·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） 。整車售價為43 995 美元，租賃的月租費為499 美元。而采用鉛酸電池的整車售價為33 959 美元，月租費為424 美元。

　　表4 USABC中長期目標及Ovonic 公司MH2Ni 電池性能

　　日本從事電動車用MH2Ni 電池開發的主要代表性廠家為松下電池公司， 不但開發了純電池電動車用的EV 型電池組， 還開發了供汽油機- 電池混合動力的HEV用的高功率型MH2Ni 電池， 其主要性能參數見表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第一次批量生產的EV - Prius 混合動力電動轎車上。該車除裝有1. 5L 42. 6kW汽油發動機外， 還裝有40 塊7. 2V、6. 5A·h 電池模塊，構成288V、6kW·h 電池組， 電池重136kg.在高速行駛時采用汽油機動力； 低速、起動、爬坡時采用電池動力。最高車速為160km/ h ，一次加油（50L） 可行駛1 400km， 是普通燃油汽車的2倍。與普通燃油汽車相比，其CO2 排放量減少50 % ，CO、CH及NOx 排放量減少了90 %.這種混合動力車的售價為18 000 美元， 約為純電池動力車的一半。

　　該車已投放日本市場， 并在1998 年形成熱銷， 售出18 000 輛。目前的生產能力為每月2 000 輛，并計劃在2000 年銷往北美及歐洲，計劃銷售20 000 輛。

　　表5 松下公司電動車用MH2Ni 電池主要性能

　　目前世界各大汽車公司都在研制、開發并生產混合電動車。預計在零排放的純電池電動車成為主流之前， 混合電動車在一段時間內可以取代部份燃油汽車，形成一定的規模。我國在政府863 計劃支持下， 北京有色金屬總院進行了電動車用方形MH2Ni 電池的研究試驗， 共設計了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/ kg［3 ］ 。曾在電動摩托車及電動轎車上進行了演示。另外， 和平海灣電源集團公司在消化日本東芝引進生產線技術基礎上， 開發了電動車用方形MH2Ni 電池， 共開發出QNF12、QNF18、QNF25、QNF100 4 種型號，重量比能量≥60W·h/ kg ，體積比能量≥190W·h/ L。與國外開發水平相比，尚有差距。

　　還有不少電池研究和生產單位， 正在開發用于電動自行車的MH2Ni 電池。多數為D 型MH2Ni 電池組成電池組，容量628A·h ，電池組電壓24V.每組售價1 000 元，相當于鉛酸電池的4 倍，因此，未能大量投放市場。

　　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的新型高能蓄電池。其優點是比能量高， 是當前比能量最高的蓄電池。已經在便攜式信息產品中獲得推廣應用。1995 年， 索尼公司又開發成功用于電動車的鋰離子蓄電池，共分兩種類型，一種是用于純電動車（ EV） 容量為100A·h 的圓柱形單體電池， 8 只串聯成一個電池模塊； 另一種是用于混合動力車（HEV） ，容量為22A·h ，8 只串聯成電池模塊，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性能。用于純電動車的電池稱為高能型鋰離子蓄電池， 用于混合動力車的電池稱為高功率型鋰離子蓄電池。高能型電池已于1996 年裝在日產汽車公司開發的第一輛鋰離子電動汽車上（日產Al2traEV） ，在北京第一屆國際電動車展覽會上展出。該車裝有12 塊28. 8V、94A ·h 鋰離子電池模塊構成的345V、31. 2kW·h 電池組。一次充電可行駛200km，最高時速120Km/ h.售價現為50 999 美元，月租價為599 美元。其運行費用僅為燃油汽車的1/ 4.

　　表6 索尼公司電動車用鋰離子電池主要技術性能

　　電動車用鋰離子電池推廣應用的障礙之一是其價格太高。法國薩弗特公司則致力于LiNiO2 及LiNixMyO2 等較便宜的正極材料的開發并已取得技術進展。已制成1kW·h 的小組合電池， 由6 只44A·h 電池串聯及并聯構成， 配有智能電子控制及熱管理系統。裝車聯試一次充電可行駛200km，比能量達120W·h/ kg ， 200W·h/ L.該公司開發的大容量工業用鋰離子電池有方形及圓柱形兩種， 主要技術性能見表7.

　　表7 法國薩弗特公司鋰離子電池主要性能

　　德國瓦爾塔公司也在開發車用鋰離子電池， 特點是采要更廉價的尖晶石LiMn2O4 正極材料。1997年制成60A·h 電池，比能量為115W·h/ kg ，充放電壽命為900 次，脈沖比功率為500W/ kg.混合動力車用電池比能量為35W·h/ kg ，脈沖比功率850W/ kg。

　　目前鋰離子電池除鈷以外的廉價正極材料雖然已試制成相應的車用電池及電池組， 但在技術性能上都不夠穩定，還有待進一步研究改進。據分析，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， 索尼公司也在努力降低其鋰離子電池的售價， 最近的消息是索尼公司已將其電動車用鋰離子電池的出廠價降至600 美元/ kW·h ，以加強它與MH2Ni 電池的市場競爭能力。

　　在我國鋰離子電池發展計劃中， 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型圓柱形便攜式信息設備用小型鋰離子電池已進入中試生產階段。與此同時， 該所也進行了大容量鋰離子電池的研制， 已達到的研制水平如表8 所示。目前，該所正按照我國電動車概念車的要求，進行電動車用鋰離子電池的研制。

　　表8 天津電源研究所方形鋰離子電池主要性能

　　
??????? 1. 4 鈉氯化鎳電池（Zebra 電池）

　　ZEBRA 電池是80 年代中期以來研究開發的一種新型高能量電動車用電池，其名稱ZEBRA 是“ZeroEmission Battery Research AcTIvity”的縮寫。最早由南非ZEBRA Power SySTems Ltd 的Dr. Coetyer J 發明，近來該電池發展較快。德國AEGAngto Battery GmbH及美國的Beta R and D Ltd 都進行開發， 前者多次在國際電動車會議上（ EVS） 進行介紹， 后者已成為ZE2BRA 電池的研究開發中心并已進行中試生產和工業化設計。

　　ZEBRA 電池與Na2S 電池相似（參見表9）。

　　表9 ZEBRA 電池與Na2S 電池的對比

　　負極都是液態鈉， 電解質都是β″Al2O3 ， 不同的是正極由分散在NaAlCl4 熔鹽中的固態Ni 和NiCl2構成， 取代了Na2S 電池中的液態S 和多硫化鈉。其工作溫度為270 ℃~350 ℃， 屬于高溫蓄電池。其性能除具有Na2S 電池相同的高能量密度， 高轉換效率， 無自放電等特點外， 還具有比Na2S 電池更高的開路電壓（2. 58V） ， 較寬的工作溫度范圍（270 ℃~350 ℃） 并在制造過程中免除了液態鈉的操作麻煩（電池裝配時是放電態NaCl） ，提高了安全可靠性。

　　ZEBRA 電池的表達式為：

　　至今已設計了3 代ZEBRA 單電池：

　　第1 代型號為SL ， 于1994 年中試生產至1996 年底，共生產134 000 只單電池作為臺架、試車及安全評估試驗，缺點是峰值功率低（70W/ kg） 。

　　第2 代型號為ML ， 改進后功率達150W/ kg ，1996 年在EVS213 宣布研制成功并生產6 000 個電池用于各種試驗。

　　第3 代1997 年在EVS214 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 型電動車電池組（299V， 96A ·h ， 28. 7kW·h） 與USABC中期目標性能的對照。可以看出， ZEBRA 電池已達到中期目標， 個別項目還超過指標要求。其中初始生產價格雖然還達不到指標， 但因該電池的材料成本只占售價的20 % ， 因此大量生產后的降價余地較大據估算， 生產量達30 萬組電池時， 價格即可降至150 美元/ 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，停車時的熱損失以及啟動時需要長時間加熱等缺點， 使該電池只適用于經常運轉的車隊車輛，不太適合于私人小轎車。

　　表10 ZEBRA 電動車電池組性能與USABC中期目標比較

　　至今， ZEBRA 電池已有多年的路試歷史， 目前仍有300 多個電池組在進行臺架試驗及路試。近百輛用ZEBRA 電池裝備的電動車已有累積2000 000km的行駛里程， 其中部份試驗已超過5 年， 個別車還創造了實際路試100 000km電池無故障的記錄。

　　1. 5 質子交換膜燃料電池（ PEMFC）

　　PEMFC 的優點是以固體物質（聚合物膜） 為電解質， 易操作無腐蝕， 結構緊湊， 耐沖擊振動， 工作溫度低（80 ℃） ， 易常溫起動， 具有比其他類型燃料電池更高的功率密度， 比蓄電池電動車行駛距離長。90 年代以來成為各發達國家競相開發的電動車用電池。加、美、日、德等國處于領先地位，其中以加拿大巴拉德（Ballard） 公司（BPS） 最先進。迄今加拿大的BPS 公司已開發了3 代PEMFC 電動車電池［9 ］ ：

　　第1 代： PEMFC 電堆MK5 ， 單體平均工作電壓0. 57V 時可輸出功率5kW， 功率密度為150W/ kg ，150W/ L ， 24 個電堆構成PEMFC 電池發動機用于1993 年世界第一輛PEMFC 電動公共汽車， 總功率43kW， 車長9. 8m， 載客20 人， 一次加燃料行駛160km，起動時間20S ，時速48km，最高時速72km.

　　第2 代MK513 ， 單體平均工作電壓為0. 58V時可輸出功率13kW，功率密度300W/ kg ，300W/ L ，20個電堆串聯構成總功率200kW以上的PEMFC 發動機， 相當于常規公交車所裝柴油機功率并占有與柴油機相同的體積。不僅提供行車動力而且提供照明， 空調用電。以存放于車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，最高時速95km.

　　第3 代MK7 ， 單體平均工作電壓0. 68V時可輸出功率32. 3kW，功率密度700W/ kg ，1 000W/ L ，已滿足并超過汽車制造商、美國能源部及PNGV（ Partnership for a New Generation Vehicle） 所確定的研制目標。

　　目前，美、日、德等國大汽車公司都致力于PEM2FC 電動車的開發，而且幾乎都是用加拿大BPS 公司開發的PEMFC 電堆，實用化PEMFC 電堆水平如下：

　?。?） 用純H2 為燃料： 70kWBPS/ Daimler2Benz 電堆，正在進行車上試驗， （NECAR 4 ， 4 座小轎車） ，采用7kg 液態H2 ，可行駛450km，效率36 %.這是由于使用液態H2 必需有一定泄漏量。實際PEMFC 電堆的性能是0. 7kW/ kg ，1kW/ L ，轉換效率65 % ，系統效率45 %~50 %.

　?。?） 用重整氣為燃料30kWBPS/ GM電堆， 達到水平為0. 3kW/ L ， 0. 25kW/ kg ， 使用甲醇轉化氫，含CO 15 ×10- 6 。

　?。?） 低Pt 載量10kW MTI（美國機械技術公司）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.

　　PEMFC 電動車的演示成功， 說明在技術上已取得突破， 性能上已可與燃油汽車相比。目前商品化的障礙是價格及氫源問題。為此PNGV擬定了技術及價格目標：

　　（1） 市區及高速公路混合行駛， 燃料電池系統效率55 %（LHV）

　?。?） 比功率：0. 4kW/ kg ，0. 4kW/ L

　?。?） 成本：

　　＄30/ kW（電堆）

　　＄60/ kW（系統）

　?。?） 啟動時間：30s （滿功率）

　?。?） 壽命：5 000h 和160 000km

　　降低價格的措施為降低鉑載量， 已由0. 4mg/ cm2降至0. 13mg/ cm2 ， 并將繼續降低至0. 1mg/ cm2 ，0. 05~0. 025mg/ cm2 ; 降低PEM膜價格： 已由＄700/m2 降至＄50/ m2 相當于＄10/ kW（0. 65V） 和＄17/ kW（0. 75V） ; 降低集流板價格， 目前機加工石墨板造價是電堆造價的60 % ， 措施是用不銹鋼表面改性、輕金屬鍍鈦或炭黑聚合物模壓復合材料（ 電阻率《 0. 01Ωcm2） 以及研究膜電極組件的大規模生產工藝等。

　　為了將來不必大規模改造當前汽車燃料的供應基礎設施， 各大汽車公司正集中力量研究車載重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， 優點是無須加熱， 直接加入甲醇即可起動。起動時間可以《 100s.但這樣的重整氣含CO 達到1 % ，必需處理后方可送入燃料電池。

　　盡管已有上述降價途徑，但要達到目標，可能還需較長時間（7~10 年）。

　　2 展望

　　從長遠的能源及環境保護角度來看， 發展電動車將成為必然的趨勢。自1996 年以來， 已有3 種類型電動車問世，即以純蓄電池驅動的零排放的BEV、以燃油機與蓄電池混合驅動的HEV 及以燃料電池驅動的FCEV.下面試圖討論一下這3 種電動車的發展趨勢。

　?。?）BEV電動車這種車的優點是零排放，缺點是一次充電行程短， 因此只適用于城市中心及小區內的短途運輸。改進的鉛蓄電池將成為此類車的首先商品化電池。以后，當MH2Ni 電池，鋰離子電池及Na2NiCl2 電池的技術及生產逐漸達到市場接受的性能價格比時，將部份取代鉛蓄電池。按我國的國情，發展小型電動車，包括電動兩輪車、三輪車及微型四輪車是符合我國國情的個人交通工具， 比發達國家具有更廣泛的市場前景， 政府應鼓勵這類車按市場機制開發， 同時要抓緊充電站等基礎設施建設及在政策、法規上予以支持，尤其要注意建立廢電池回收體制，防止不規范的廢電池回收造成更大污染。

　?。?） HEV混合電動車國外這類車正在形成新一輪的技術開發熱點。其優點是能提高燃油經濟性，缺點是不能達到零排放，只能改善其排放。在零排放電動車未成主流之前， 可起到過渡性發展的作用。日本豐田Prius 產品的出現，給整個工業以極大推動作用。這類車將以高功率型MH2Ni 電池及鋰離子電池為主。展望未來，盡管目前Prius 車的售價是受政府補貼的，但可以預期隨著油價的上升，技術的進步， 銷售量的擴大， 其成本會不斷降低， 最后達到有限商品化的程度。我國汽車工業水平相對落后，對HEV的開發， 剛剛提到議事日程， 它牽涉到我國整個汽車工業的發展戰略問題， 有待有關部門的深入研究。

　?。?） FCEV燃料電池電動車這是一種唯一能與燃油汽車相比的電動車， 有可能成為未來的主流技術。但燃料電池要達到商品化還要克服許多難題，如氫的貯存、產氫供氫基礎設施、液體燃料轉化器的開發， 系統響應性的提高等。為了分擔技術開發費用及風險， 國外各大汽車公司均采用攜手合作的辦法， 如福特和戴姆勒克萊斯勒于1997 年底宣布共同投資近10 億美元合作開發燃料電池電動汽車技術，設定2004 年推出燃料電池電動車產品的目標。通用和豐田公司最近也宣布聯合開發意向?？梢灶A期在今后5~10 年內， 燃料電池電動車技術會得到較快發展。

　　我國以大連化物所為中心，正在開發PEMFC 技術及氣體燃料轉化器技術并計劃在2000 年底進行裝車演示。鑒于燃料電池電動車是一個復雜的高新技術系統工程，很有必要采取強強聯合，分擔技術開發費用及風險， 發揮政府、企業和科研的聯合力量，加快技術開發進度。