新能源材料在汽车领域的应用.docx

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新能源材料在汽车领域的应用

新能源材料在汽车中的应用

复材1301-17-李正祥

摘要

20世纪90年代以来，随着技术的进步，以混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为代表的新能源汽车涌现出来。

近年来，随着国际能源供应的持续紧张、原油价格的持续上涨以及全球环境保护呼声的日益高涨，新能源汽车的技术研发和产业化发展受到了越来越多的重视，以美国、欧洲和日本为代表的发达国家和以巴西为代表的发展中国家都积极展开了新能源汽车产业发展的实践。

中国作为崛起中的大国，近年来汽车销售量快速增长，石油需求大幅增加，导致石油对外依存度急剧上升，并且快速的工业化导致了污染加重、温室气体排放大幅增加的局面。

在这样的背景下，中国发展新能源汽车就具有了重大的现实意义，不

仅有利于降低对石油的依赖、保证我国的能源安全，也有利于我国的环境保护和可持续发展，并为我国汽车产业实现跨越式发展提供了重要的战略机遇，可以说，中国对于新能源汽车的需要是越来越迫切了。

但是，新能源汽车不仅技术种类多，各种技术在技术成熟度、成本、使用燃料、清洁性等各个方面都存在许多差异，并且新能源汽车的产业化发展涉及燃料与基础设施发展、市场需求培育、对传统汽车的替代等方面往往都需要大规模的投入，因此中国如何根据自身的实际情况，结合新能源汽车技术的特点，制定合理的技术发展路线和产业化发展战略，就成为我国新能源汽车产业发展的重要课题。

abstract

Since1990s,AlternativeFuelVehicleslikeHybridElectricVehicle,ElectricVehicleandFuelCellVehiclewereemergingasthedevelopmentofautomobiletechnology.Inrecentyears,withthesoaringcrudeoilpriceduetoshortageofsupplyandrisingdemandonenvironmentprotection,theR&Dandcommercializationactivitieswerehighlyinvested,especiallyinUS,Europe,Japan,Brazilandetc.Asanemerginggiant,Chinaisincreasinglysufferingfromhighdependencyonimportedcrudeoilduetosoaringvehiclesalesandalsothegrowingdemandonoil.Meanwhile,increasingconsumptionofoilandquickindustrializationareleadingtoheavypollutionandexhaustionofgreenhousegas.Therefore,ChinaishighlyexpectedtorelyonAlternationFuelVehiclesthatmaysecurenationalenergysupplybyreducingthedependencyonoil,promoteenvironmentprotectionandsustainabledevelopment,andalsobringagreatopportunityofleapsontechnologyfordomesticautomakers.However,AlternativeFuelVehiclesarehighlydiverseintechnologiesandalsocharacterizedbydifferentlevelsoftechnologymaturity,cost,fuel,cleannessandetc.Furthermore,thecommercializationofAlternativeFuelVehiclesneedsheavyinvestmentonfuelandinfrastructuredevelopment,marketdemandextension,substitutiontotraditionalvehiclesandetc.Therefore,itwillbeanimportantissuefor

ChinatodesignreasonabletechnologydevelopmentroadmapandcommercializationstrategyforAlternativeFuelVehiclesaccordingtothefactofChinaandthetraitsofdifferentAlternativeFuelVehiclestechnologies.

一、导言

20世纪90年代以来，随着环境保护呼声的提高和近年来国际能源供应尤其是原油供应的持续紧张，主要发达国家的研究机构和汽车厂商纷纷加大了对新能源汽车技术的开发投入，以替代以石油为燃料的传统汽车，形成了多种技术共同发展的局面，部分技术已经在商业化领域取得了重要进展。

以日本、美国和欧盟为代表的主要国家和地区，特别是丰田、宝马、通用、本田、大众等主要汽车厂商根据本国和公司的实际情况，先后采取了不同的新能源汽车技术发展策略，研发成功了多款新能源概念车型和应用车型，其中一些成熟的技术己经成功实现了产业化。

目前的新能源汽车技术主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车、乙醇燃料汽车、生物柴油汽车、天然气汽车、二甲醚汽车等类型。

日本在混合动力汽车方面技术最为先进;美国将新能源汽车研发重点放在氢能和燃料电池汽车，同时大力推动生物燃料汽车的产业化;欧洲在混合动力、纯电动汽车、氢能和燃料电池汽车方面都有设计，在产业化领域也大力推广生物燃料汽车。

其他国家也积极加入到新能源汽车的研发与应用领域，巴西在生物燃料汽车应用方面处于世界领先水平，是目前最大的乙醇汽油和生物柴油汽车应用国家之一;挪威和加拿大积极发展氢能源，都提出了建设“氢高速公路”计划，并已经取得了重要进展。

随着我国经济发展和居民收入的提高，加入WTO后从2002年开始我国汽车产业出现了快速发展的趋势，经过短短6年的发展，我国汽车年销售量就实现了翻番，达到了800万辆以上，成为世界第二大市场。

但是在汽车产业快速发展的同时，我国石油供应却持续出现紧张，对外依存度不断提高，汽车造成的环境污染和温室气体排放严重威胁我国的可持续发展。

因此，在发展汽车产业方面，我国应当避免重走发达国家的“先污染后治理”的老路，积极发展新能源汽车，降低对石油燃料的依赖，促进我国的可持续发展。

二、新能源汽车

2.1新能源汽车的定义

新能源汽车是相对于传统燃料汽车而言的，由于新能源汽车发展较晚，目前尚没有被统一认可的定义。

按照定义范围的大小，可以分为广义新能源汽车和狭义新能源汽车两种。

广义新能源汽车，又称代用燃料汽车，是指使用了除汽油和柴油等石油能源作为动力来源的汽车，既包括了全部使用非石油燃料的汽车如纯电动汽车、燃料电池电动汽车，也包括部分使用非石油燃料的汽车如混合动力电动车、乙醇汽油汽车等。

这种定义涵盖了目前新型动力汽车，主要可以分为混合动力电动汽车（HEV，又称混合动力汽车）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池电动汽车（FCHV或FCV，又称燃料电池汽车）、氢燃料汽车、二甲醚汽车、甲醇汽车、天然气（包括压缩天然气CNG，液化天然气LNG和液化石油气LPG）汽车、乙醇燃料汽车等。

狭义新能源汽车的定义缩小了汽车动力来源范围。

按照2007年公布的国家《新能源汽车生产准入管理规则》的定义，新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。

非常规的车用燃料指除汽油、柴油、天然气（NG）、液化石油气（LPG）,乙醇汽油（EG）、甲醇、二甲醚之外的燃料。

新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）,氢发动机汽车、其他新能源（如高效储能器）汽车等。

按照这个定义，甲醇汽车、天然气（包括压缩天然气CNG，液化天然气LNG和液化石油气LPG）汽车、乙醇汽油汽车等均被排除在外。

狭义新能源汽车代表了新能源汽车中科技含量高、燃料清洁的技术，这样的分类方法有助于国家制定相关产业政策。

但是这样的分类方法也将很多有潜力的代用燃料汽车如乙醇燃料汽车、天然气汽车等排除在外，可能造成公众对这些代用燃料的能量效率和环保效果产生错误的认识，不利于这些代用燃料汽车的推广。

特别是对中国这样的发展中国家来说，由于狭义新能源汽车都属

于新兴技术、技术要求和成本都比较高，短期内很难进行产业化，而代用燃料汽车如天然气汽车、生物燃料汽车等在能量效率和环保方面存在积极作用，尤其是对于中国这样一个发展中的汽车新兴市场来说，这些代用燃料汽车具有成本较低、技术过渡相对容易的优点，完全可以成为我国汽车技术革新的过渡性技术。

因此，本文所定义的新能源汽车采用的是广义新能源汽车定义。

由目前的研发状况可知，新能源汽车分类的主要依据是动力创新，其主要可以分为以下3种:

①混合动力汽车。

选择电动机加发动机的模式，利用电能和油耗来产生动力。

②纯电动汽车。

电力驱动是研发新能源汽车的大方向，虽然它的优点很多，但是，车载电池储电、电池寿命、电车成本等是影响其发展的主要因素。

③氢动力汽车。

传统的汽车油耗大，会排放大量的污染物，而氢能源汽车排放的则是纯净水。

另外，新能源汽车还包括燃气汽车、空气动力汽车、甲醇汽车、飞轮储能汽车和超级电容汽车等。

2.2新能源汽车所用新材料的调研

要想让新能源汽车真正超越传统能源汽车，就一定要加大对关键材料的研究力度，并有所突破。

现阶段，这些关键材料的研发工作已经基本完成。

这些材料主要有:

①驱动电机材料，它是将能源转化成汽车驱动力的核心材料;②动力电池材料，它能够保证汽车的电力存储;③轻量化材料，它能适应新能源驱动、减少能源淆耗。

与新能源汽车电池技术相比，驱动电机技术比较成熟。

自从国家“863”重点科技公关项目颁布后，我国在这方面取得了一定的成绩。

虽然现有的驱动电机基本符合整车的需求，但是，仍然没有研发出驱动电机的上游部件，即驱动系统控制元件，它还是依靠进口。

在不同的驱动电机中，永磁同步电机可以满足电动汽车的动力要求。

其中，永磁材料是永磁同步电机的核心部分。

稀土资源尤其是稀土资源中的钦元素是新能源汽车驱动电机研究的主要方向，它在新能源汽车的研究开发过程中是无可替代的。

因为新能源汽车的整体设计趋于小型化、大功率，而稀土元素正好符合这种设计的需求，所以，稀土元素对于新能源汽车中的混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车的驱动电机是十分重要的，并且其需求量很大。

如今，全世界磁性最优的永磁体就是钦铁硼，而稀土中的钦是制造高功率轻质磁铁，即钱铁硼永磁体的主要材料之一。

自21世纪以来，丰田、日产、本田、尼桑、三菱和通用等一些汽车生产厂家在新能源汽车的研究方面投人了很大的精力，并且大多数的新能源汽车都运用了稀土永磁电机。

近期，国内电池工业获得了较大的发展，在国际上有一定的影响力。

我国的锉资源藏量十分丰富，位居世界第三，这为新能源汽车锉离子动力电池的研究和开发创新奠定了坚实的基础。

在镍氢电池的成本造价中，镍占到全部造价的3/S.在铿离子电池的四大主要组成材料中，电解液、正极材料、负极材料和隔膜大约各自占成本造价的1/4.通常情况下，我国新能源动力电池的正极材料选用磷酸铁锉，因此，锰酸锉也得到了相应的发展。

在日系电池中，新能源动力电池大多采用锰酸锉和镍、钻、锰三元材料;在美系电池中，大多选用磷酸铁铿作为新能源动力电池的正极材料。

在新能源动力电池材料的应用方面，因为稀土具有高环保性、极低污染度、高安全性和十分耐用等优点，所以，稀土贮金合氢被广泛应用于混合动力汽车配套的镍氢动力电池中。

动力电池的介绍

目前，混合动力汽车采用的动力电池主要是铅酸、镍氢以及理离子电池。

随着混合动力汽车的日益推广，近年来，相关电池技术的研发取得到了突破性进展，电池的多种性能取得了提高。

1.铅酸蓄电池是目前汽车领域应用最为广泛的电池。

其技术成熟，产量大，成本低。

新一代阀控式密封铅酸蓄电池（valve-regulatedleadacidbattery,VRLA）不须维护，允许深度放电，可循环使用。

在混合动力汽车的应用中，动力电池经常工作于一个高倍率荷电状态，对电池的比功率要求较高。

成本低、技术成熟、性能可靠使阀控式密封铅酸蓄电池在轻度、中度混合动力汽车中具有一定的应用前景。

例如戴姆勒公司开发、生产的轻度混合动力Onion，使用铅酸电池作为动力电池。

虽然铅酸电池的开路电压较高，但是铅酸电池的比能量较低，而且在高倍率充放电时会严重降低电池的寿命。

2.镍氢电池由镍基和碱性溶液电解液构成，是目前混合动力汽车最具竞争力的动力电池之一。

商业化的混合动力汽车大多数采用镍氢电池技术。

镍氢电池由氢氧化镍的阳极和由钒、锰、镍等金属形成的多成分合金阴极组成。

相对铅酸电池，镍氢电池能量密度比提高了近3倍，如表1.2所示，比功率方面提高了近10倍。

但是镍氢电池的SOC实际的利用范围很小，以至于镍氢电池储存的大部分能量并没有被实际使用。

例如Prius只能使用电池20%的能量。

另外，是否可以准确测量镍氢电池的SOC直接影响其使用寿命及充放电效率。

3.离子电池以碳为阳极，以碳酸乙烯酷和碳酸二甲酷溶解六氟磷酸理溶液为电解液，以二氧化锰酸理为阴极。

锂离子电池比镍氢电池具有更高的工作电压和的比能量，大致是镍氢电池的3倍。

锂离子电池体积小，质量轻，循环寿命长，自放电率低，无记忆效应且无污染。

但是，在使用过程中发现，锂离子电池仍然存在问题，如安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应。

目前，由于锂电池组的管理系统中一些核心技术不成熟（如均衡充电技术），商业化的锂电池主要以小容量为主。

大容量、高功率的理离子电池尚未大规模量产，同时，成本过高也是锂离子电池并未普及的重要原因之一。

目前在混合动力汽车中，应用较多的是磷酸铁理电池，它具有磷氧共价键结构，热稳定性和安全性较好，价格相对便宜。

在部分混合动力汽车和插电式混合动力汽车上有应用。

电池工作原理

当电池为负载供电时，电子从负极（或者电池外部的阳极+）流向负载，并经由负载流回正极（或者电池外部的阴极一）。

此时，负极被氧化，正极被还原。

当蓄电池充电时，电流流动方向与放电方向相反。

正极被氧化，负极被还原，电能被转化为化学能存储在电池内部。

电池内部的过电势分析

当电池中发生化学反应时，电极上发生化学反应和电反应等两方面反应，属于非均相反应。

电池反应机理复杂，常常包括多个步骤，带电粒子通过迁移、扩散和对流形式完成物质传递，然后发生反应。

电化学反应涵盖于整个电极反应过程之中。

但是，电化学反应的整体速度由反应中最慢的步骤决定，这一步骤也称为决定步骤。

设定还原电极的电势比电解液低时，则还原电极中的电子就具有更高的能量。

当能量足够高时，电子就可以跃迁到新轨道上。

因此，就发生了电子从还原电极向电解液的移动。

反之，就会发生电子由电解液向还原电极的移动。

电池电势，即反应过程中氧化、还原电极之间具有驱动电荷能量的尺度。

电池电势几乎全部落在化学反应池中的两相界面上，界面电势影响着化学反应中两极间的相对能量，并且控制着化学反应方向和发生的速度。

电池反应中，如果氧化、还原反应速度一致，则电池反应整体速度为零。

此时，氧化、还原反应具备的能量一致，电池的等效电势为平衡电势。

当反应向一侧倾斜时，电池电势偏离平衡点，产生的电势偏差为电池内部过电势。

同时，由于反应物在电解液内部和电解液/电极的界面处浓度产生偏差，形成了浓度差，进一步导致物质传递的发生;另一个需要考虑的因素，即放电电压和电流对应的阻抗关系，在某种情况下，对应的阻抗为变值。

电池反应的可逆性

电池反应中存在多种能量传递的过程，在区分其可逆性时通常会涉及以下几种划分方式。

1北学可逆性:

在电池的反应中，如果电流方向的改变只改变了电池反应的方向，并且没有发生新的反应，则电池反应在化学上是可逆的。

如果伴随着电流方向的改变，还有新的反应发生，该电池反应在化学上是不可逆的。

2.热力学可逆性:

只要存在一个反向驱动就可以使电池反应在连续的平衡状态间反向进行，则称该电池反应为热力学可逆。

如果电池是化学不可逆，则不具备热力学可逆性。

3.实际意义上的可逆:

具体的化学过程都不能满足严格的热力学可逆性，但可以在一定的前提条件下满足热力学可逆性。

判断可逆性的依据:

如果化学过程符合Nernst公式，即称其反应符合热力学可逆性。

充放电过程中发生在MH/Ni电池正负极上的电化学反应均属于固相转变机制，整个反应过程中不发生任何中间态的可溶性金属离子，也没有任何电解液组成的消耗和生成。

因此，MH/Ni电池可以实现完全密封和免维护，其充放电过程可以看成是氢原子或质子从一个电极移向另一个电极的往复过程。

充电过程中，正极活性物质中的H'首先扩散到正极/溶液界面与溶液中的OH一反应生成Hz0。

接着，溶液中游离的H'通过电解质扩散到负极/溶液界面发生电化学反应生成氢原子并进一步扩散到负极材料贮氢合金中与之结合形成金属氢化物。

放电过程正好是充电过程的逆过程。

电池在进行过充放电时，其反应原理可表示为

从上面的过程可以看出，在过充和过放过程中，由于贮氢合金的催化作用，可以消除正极产生的Oz和HZ，从而使电池具有耐过充过放电能力。

为了保证氧的复合反应，在电池设计方面，MH/Ni电池采用正极限容的方法设计，负极的容量大于正极的容量，正负极容量之比为1:

l.2到1:

1.4。

这样，在充电末期和过充电时，正极上析出的氧气可以通过隔膜扩散到负极表面与氢复合还原为HZO和OH一进入电解液，从而避免或减轻了电池内部压力积累升高的现象，否则，在电池过充时，MH电极又会产生大量氢气，造成电池内压上升;而在过放电时，正极上析出的氢气通过隔膜扩散到负极表面可以被贮氢合金迅速吸收，否则，在电池过放电时，MH电极上会析出氧，从而使MH合金被氧化。

锂离子电池

锂离子电池的概念由M.Armand在1980年提出。

他提出了摇椅式锂二次电池的想法，即正负极材料均采用可以储存和交换锂离子的层状化合物，充放电过程中锂离子在正负极间来回穿梭。

Sony公司于1989年申请了以石油焦为负极、LiCoO2:

为正极、LiPFb6溶于PC+EC混合溶剂作为电解液的二次电池体系的专利。

并在1990年开始将其推向商业市场。

由于这一体系不含金属锂，日本人命名为锂离子电池，这种说法最终被广泛使用。

锂离子电池工作原理如图1-3所示。

充电过程中，锂离子从正极材料中脱出，通过电解质扩散到负极，并嵌入到负极晶格中，同时得到由外电路从正极流入的电子，放电过程则与之相反。

正负极材料一般均为嵌入化合物，在这些化合物的晶体结构中存在着可供锂离子占据的空位。

空位组成1维，2维或3维的离子输运通道。

锂离子电池根据正极材料的不同，又分为钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离电池、磷酸铁锂锂离子电池和三元材料锉离子电池。

使用不同正极材料的锂离子电池其电池特性不尽相同，但作为电动汽车用动力电池，首要考虑的是安全问题，基于此点，目前国际上的锂离子电池以尖晶石型锰酸锂锂离子电池和橄榄石型磷酸铁理锂离子动力电池为主。

两种材料各有优点:

尖晶石型锰酸铿具备更高的工作电压平台，因此其具备更好的质量比能量和体积比能量;橄榄石型磷酸铁锂则具备更优的循环寿命和热稳定性[[20]。

从目前的主流来看，橄榄石型的磷酸铁埋锂离子电池占据了更大的市场，欧洲、美国包括我国的锂离子动力电池均是主要以磷酸铁锂为正极材料。

而锰酸锂锂离子电池则主要有日本的支持，虽然从数量上来看，锰酸锂的支持率较低，但日本本身是电池行业的技术强国和制造大国，因此，锰酸锂材料的发展不容忽视。

LiFePO6是一种稍微扭曲的六方密堆积结构。

在LiFePO4晶格中，P占据四面体位置，锉、铁填充在八面体的空隙中，晶体由FeO6八面体和P06四面体构成空间骨架。

每一个FeO6八面体与周围4个Fe0。

八面体通过公共顶点连接起来，形成锯齿形的平面，这个过渡金属层能够传输电子。

各Fe-0平面间相互平行，由P06四面体连接起来，每一个P06与一Fe0。

层有一个公共点，与另一Fe06层的有一个公共边和一个公共点，PO6四面体之间彼此没有任何连接。

根据能量传输机制的不同，无线充电的种类可以分为一下四种形式:

（1）电场祸合式能量传输。

电场祸合方式，即静电感应式，利用容性藕合传递能量。

该系统主要由能量发射部分和能量接收部分组成，能量的传输过程中，在发射端和接收端分别设置电极，通过极板间产生的电场来实现能量的无线传输。

这种传输方式主要用于小功率传输方面，且技术相对不成熟，不适用于电动汽车充电。

（2）电磁感应式能量传输。

磁场祸合式又称ICPT（InductivelyCoupledPowerTransfer），利用电磁藕合原理传输能量。

ICPT主要以磁场为媒介，利用初级线圈与次级线圈的松藕合，在次级线圈产生交变电流，从而将能量从传输端传递到接收端，实现无电气连接的电能传输。

电磁场可以穿透一切非金属的物体，所以电能可以穿透很多非金属材料进行传输。

ICPT传输功率大，理论模型与技术都相对较为成熟。

同时，在原、副边线圈接入谐振电容使其工作在谐振状态，可大大提高系统效率与传输距离。

电磁感应式电能传输是一种传输功率与效率较高且最易实现的非接触式电能传输方式，也是现阶段研究和发展的重点方向〔}z}，非常适合用于电动汽车无线充电。

（3）磁共振式能量传输。

磁共振式又称为WiTricity技术，是由美国麻省理工学院的研究

人员于2007年提出来的，利用共振电路之间的共振现象进行供电，符合祸合模理论。

当发射线圈与接收线圈调整到相同频率或者说在一个特定的频率上共振时，它们就可以交换彼此的能量。

拥有相同自谐振频率的两个线圈可以通过电磁场高效传能，而频率不同的物体却基本不受磁场的影响，它是一种近场非辐射电能传输技。

磁共振式无线能量传输实现了磁场的高效祸合以及中等距离能量的高效传递，适用于大功率传输，是当前的研究热点。

但是Writricity技术理论模型比较复杂，国内应用较少，正处于研究阶段。

（4）电磁波式能量传输。

就是以电磁波（频率在300MHz-300}Hz之间的电磁波）为载体，在自由空间无线传输电磁能量。

将电能转化为电磁波，电磁波通过自由空间传送到确定位置，再经整流滤波转化成直流电能供给负载，现己经应用于卫星供电等外太空远距离无线电能传输领域。

电磁波式电能传输存在电磁污染等问题，在有人的地方不适于大规模发展与应用，不适合电动汽车无线充电。

近年来，复合材料作为一种应用材料发展迅速且应用广泛，它具有刚度大、强度高、耐热、耐磨、质量轻等特点，可以满足各种特殊用途，所以也是汽车轻量化材料的选材之一。

可以根据实际需要对复合材料的力学性能和功能进行设计，可以通过适当选材和优化设计来得到[3-5]。

随着对新型复合材料的不断研究和发展，复合材料将会广泛应用于汽车上，未来的“复合材料汽车”将倍受人们的关注。

作为复合材料的一种特殊结构，复合材料夹层结构由于其比刚度大、重量轻等突出优点，己被广泛应用于航空航天、汽车、建筑及其它工程领域中。

蜂窝夹层结构不仅具有重量