超低温(-40℃)动力电池基本特性介绍及分析

目前新能源汽车产业链(全行业)都在为磷酸铁锂系的动力电池在低温下的充放电性能不佳而发愁，尤其是低温条件下充电无法满足我国北方地区的市场要求。客车厂想通过对动力电池加热而提高动力电池温度，但是车上加热的能源从什么地方来？有些动力电池厂家对外宣称已经成功研究出低温环境下的动力电池，笔者一直等待看到实际效果。2016年10月29号淄博国利新电源科技公司石总工向笔者介绍了他研发的镍氢动力电池在超低温(-40℃)环境下能正常充放电，引起了我的兴趣。石总工给了技术资料，我进行了认真的学习，同时他邀请我到淄博市公交车场站的现场，查看实际应用情况。现将有关体会分享给大家。

　　一、目前用户端对纯电动汽车的抱怨情况

　　一次持续里程太短。目前纯电动汽车实际工况下里程不到200公里，这与燃油车相比还差400公里。此瓶颈不能解决的话，纯电动汽车的大面积推广可能性不大。

　　电能补给的时间太长，燃油车补给时间在10分钟以内，而纯电动车的电能补给在3个小时以上，这对大众消费者而言，是很难接受的。

　　车辆要保障安全是底线，即车辆自己不能燃烧、不能爆炸。

　　我国北方(西北、华北、东北等)地区对车辆适宜的环境温度更为苛刻，温度在(-40 ℃ ～+50 ℃)范围内，车辆要能正常运行。目前大家都在努力。

　　二、解决用户抱怨的基本途径分析

　　(一)持续里程太短的解决办法

　　1)提高电池比能量，这是电池企业的科技攻关课题。目前官方公布的磷酸铁锂动力电池的比能量是140wh/kg，三元电池是180wh/kg，而市场的基本要求是300wh/kg以上，实现这个目标，估计还要等5年以上的时间。

　　2)提高充电的方便性。这要以建设成本的经济性为代价。综合思考，要在10分钟以内完成充电(电能补给)，目前技术上已经成熟的，但是经济上太不划算，主要是充电桩布局要充分、全面，供电功率要满足需要。国家电网在高速公路上予以全面推进。如济南到青岛的高速公路上，开纯电动汽车可以安全、按计划节点到达目的地，已经没有问题。

　　3)车辆结构上轻量化。这是一个漫长的过程，要颠覆传统车辆设计理论及生产工艺。轻量幅度比传统车也要轻到40%以上，其经济性才会有明显效果。客车厂家都在积极推进。如扬子江汽车集团公司的纯公交车的轻量化目标是超过50%。

　　4)慢充快补模式已经得到全国公交公司大部分领导接受。如扬子江汽车集团的“在线充纯电动公交车”是一个典型成功案例。公交公司推进纯电动公交车已经没有。

　　(二)动力电池不燃烧、不爆炸的解决办法

　　1)要对目前的动力电池机理进行创新。动力电池厂家都已经在开展这方面研发的工作，也有一些厂家已经取得一定实际成果。如淄博国利新电源科技公司生产的镍氢电池。

　　2)不爆炸是纯电动汽车的底线。即使在机理上做不到不燃烧，电池厂家和整车厂家，必须保障动力电池不爆炸是基本要求，目前的技术和管理水平上是可以做到的，方法也是比较多的。我国目前纯电动汽车是安全的，也是基于目前的技术和管理水平上理解的，实际情况也是如此。几个事故案例的发生，如果措施到位，是完全可以避免的。

　　(三)低温下，动力电池能正常充放电的解决办法

　　1)低温是指零下(-20℃以下)环境温度。目前磷酸铁锂系的动力电池一般在零下(-10℃以下 )能正常充放电已经是水平很高了，尤其充电更是困难。不少厂家想从工艺进行优化，从机理上提升空间不大，实际效果也不明显。

　　2)PACK厂家采用外部加热技术，逻辑上令人很难理解，其效果也不佳。车辆是高速、长距离移动的运输工具，加热能量如何从外部取得？

　　3)整车厂想在动力电池以外再加一套燃油装置，来给纯电动汽车的车载动力电池系统加热。给人印象是，纯外行的处理方案，没有一定技术含量。

　　三、 超低温(-40℃)动力电池基本特性介绍

　　石总研发的电池是镍氢电池，在镍氢动力电池基础上通过配方工艺结构改进，使之兼具超级电容器及镍氢电池双重特性，称之为电容型镍氢动力电池，简称电容电池。由于其具有较好的低温特性，又称为超低温(-40℃)动力电池。

　　目前此单体比能量是60，成组后的比能量是50，而磷酸铁锂电池单体比能量是140，而成组后的比能量是100。其电池基本结构原理示意图(见图1)：

　　“运营里程担忧”的烦恼。1)电池组成。正极主要材料采用氧化镍，负极主要采用储氢材料(镧鈰稀土材料)，在配方中增加了超级电容材料，采用特殊湿法涂布极板表面修饰，加强了集流体导电，不锈钢壳体，添加了水基电解液(氢氧化钾水溶液)。

　　2)安全性原理。采用水基电解液(氢氧化钾水溶液)，电解液本身不着火不爆炸。电池各部件中没有易燃易爆材料，并有电解液浸润，也不会着火爆炸。壳体采用不锈钢，不但不燃烧，还可承受2兆帕压力。即使是在极端条件下，比如电池内部短路，也不会产生着火爆炸危险，该电池本质是安全的。

　　3)快速充电原理。该电池采用碱性水剂电解液，氢离子体积非常小，导电十分顺畅；各元器件采用低内阻设计；增加了超级电容材料，加强了物理储存电荷能力，延迟和减小了极板极化，降低了电池内阻，保障了快速充电。比如200Ah电池内阻只有0.4毫欧。

　　4)低温特性。厂家精心电解液配方政策下，零下50℃水基电解液不结冰，保障了氢离子的正常导电；各元器件采用低内阻设计；增加超级电容材料，加强了物理储存电荷能力，延迟和减小了极板极化，保障了有较好的低温特性。

　　四、镍氢电池市场应用分析

　　上面对此电池机理进行了解剖，其优点较为明显。动力电池的比功率与比能量这个指标是相互矛盾的。此电池偏于比功率型即电容型。相对纯电动汽车而言，比能量高是要追求的指标。但是此电池超低温(-40℃)特性特别优秀，对我国北方地区冬季纯电动公交车基本不能用的瓶颈，笔者理解如下：

　　1)此电池在我国南方地区，基本没有市场，理由是目前比能量低了一些，而磷酸铁锂系的动力电池快充技术也有明显进步；

　　2)主要车型是公交车、混合动的乘用车及部分通勤客车车；

　　3)镍氢与稀土关系决定了此电池会有大的发展趋势。中国稀土资源丰富，镍氢成本下降空间还是相当大的。

　　4)在中国，镍氢电池与磷酸铁锂系的动力电池会平分市场，磷酸铁锂主要市场在中国南方，而镍氢电池主要市场在北方。

　　五、超低温(-40℃)动力电池研发成功的意义

　　1)对发展纯电动汽车的质疑的回答有好处。磷酸铁锂系的动力电池在北方地方不能用，对纯电动汽车发展路线的质疑是有道理的。有了超低温(-40℃)动力电池，对发展纯电动公交车而言，信心更足。

　　2)有了超低温(-40℃)动力电池，我国北方城市发展新能源汽车步伐会明显加快。以上介绍资料表明，其安全性从机理有保障，有望能彻底回复人们的质疑；

　　3)以上介绍资料表明，其快充功能，对公交车而言，运营里程完全能确保。我国无论是北方还是南方地区，纯电动化推进步伐会明显加快。

　　4)超低温(-40℃)动力电池研发成功，对客车企业是一个利好信息。同时该电池含有30%的镍和10%的稀土，均可回收再利用。该电池采用高含量的镧鈰储氢材料，一辆12米纯电动公交大约需要1吨稀土材料，为镧鈰找到了新的用途。