中海锦城国际花园 诊所:锂离子电池在电动自行车上的应用

 随着人类对自身生存环境的重视，对现代文明带来的巨大副作用危机的理解加深，对将来人类社会的工业文明及物质文明的重新定义和认识的改变，人们深刻意识到发展经济必须遵循两大原则：环境保护和不可再生资源的合理使用。电动自行车正是顺应这两大主题概念而产生和发展的社会产品。是人类对自身保护的使然，是人与自然关系正确处理的必然。可以这么说，电动自行车是具有初级“后现代文明”鲜明特征的典型产品。
      以电池为动力源的电动自行车，电池的好坏优劣直接影响着电动自行车最主要的使用性能指标和产品的有效使用价值。过去，电动自行车曾有着三起三落的惨痛教训，败就败在电池上。现在，电动自行车功性能指标日臻完善，作为社会商品的可使用性大幅度提高，这也得益于电池技术突飞猛进的发展，故将来成功也成在电池上。可谓关乎于生死存亡的大事，不可等闲视之。
      近十年来，二次电池技术以异乎寻常的速度发展，密封免维护铅酸电池、铅布水平电池、镍氢电池、镍锌电池、锌空电池、燃料电池、锂离子电池、高分子聚合物锂离子电池齐头并进。有的制造工艺获得重大改进，有的材料特性取得极大发展，有的研究开发获得重大突破，带来了令人向往的应用前景。这也就为电动自行车技术和产业发展奠定了基础和带来了迅猛发展的可能。
      将技术更加先进、性能更为优良的电池新技术及技术产品更快的用于电动自行车领域，将会带来电动自行车性能、功能、外观的显著改进，大为提高电动自行车产品可使用性和价值性，增强产品的市场竞争能力。但每个技术和产品在其应用过程中，在带来优点的同时，也都同时存在其特有的、异于过去常规的特点、规律、问题及不足。只有认真解决了这些问题和不足后，才能体现新产品、新技术带来的显著优点，产品的功、性能才会大幅度得以提高。正是基于此目的，本文就锂离子电池在电动自行车上使用的一些观念、问题、不足加以阐述，进而提出相应的对策和解决方法。
一.锂离子电池的优点及不足
      就电动自行车而言，现阶段适合其使用的主要为三种：铅酸类蓄电池、镍镉镍氢类电池、锂离子类电池。铅酸类蓄电池主要是阀控免维护电池，胶体电池和铅布水平电池也开始小批量试用使用。主要特点是价格低廉，技术成熟，使用性能稳定。其主要问题是比能量低，体积大，质量重，循环寿命较短。同时还存在废弃电池残酸液和金属铅的二次污染问题。
      镍氢电池（镍镉电池由于镉对环境的污染，以逐渐淘汰，故不讨论）容量较高，无记忆效应，制造材料对环境污染很少，人们习惯称其为环保电池，是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。它和Nicd蓄电池一脉相承，只是以吸藏氢气的合金材料（MH）取代Nicd蓄电池中的负极材料镉Cd、电动势仍为1．32v。且能量密度高于Nicd，对环境不存在任何污染问题，具备Nicd蓄电池的所有优异特性。但是，Ni-MH蓄电池也有美中不足，那就是吸藏氢气的合金材料远比镍镉Nicd的镉Cd贵重，镍材料也不便宜。因此，Ni-MH蓄电池的重要研究课题之一是降低材料成本，其难度也是很大的。
      锂离子二次电池是继镍氢（Ni-MH）电池后最新一代可充电电池，其质量比能量是Ni-MH电池的1.5-2倍，具有工作电压高（3.6V）、安全、循环寿命长和无记忆效应的优点，工作温度范围可达-20-60℃。锂离子电池既保持了锂电池高电压、高容量的主要优点，又具有循环寿命长、安全性能好的显著特点，锂离子电池将是继镍镉、镍氢电池之后，在下世纪相当长一段时间内市场前景最好，发展最快的一种二次电池。这三种电池的性能性能指标对比见表1。

      由此可见，锂离子电池具有工作电压高（通常单体锂离子电池的电压为3.6V，而镍氢、镍镉电池的电压为1.2V，相差三倍）、体积小、重量轻、比能量高、循环寿命长（锂离子电池的循环寿命远远高于其它电池）、安全快速充电、自放电率低、无记忆效应（无需放电，使用时间长）、允许工作温度范围宽（锂离子电池可在-20℃ ～ +60℃之间工作）等优良特性，对电动自行车生产厂家和设计人员来讲，正好解决电动自行车整体综合指标设计中的困难；对消费者和使用者而言，正好完善和提高了他们最为关注和感受到的几个主要性能使用要求。综合起来，在电动自行车上采用锂离子电池，有如下几个优点：
      减轻了整车重量。电动自行车铅酸电池块的重量为14－15Kg（约30市斤），而锂离子电池块的重量仅4.2-4.5Kg（约8－? 9市斤），相差近10Kg。整车总重量减轻了25％，电池重量减轻了70％。电动自行车重于脚踏自行车，但在骑行、推行时，使用者感觉并不明显。使用者感受最强烈的是电池块的重量，因为每天他们要提上楼和提下楼。因使用锂离子电池而带来的电池块重量大幅度减轻，是让使用者百分之百的感受到。要知道，电动自行车的使用者大部分为中老年、妇女、文职人员，让他们每天提30斤电池上下楼变为提8－9斤，? 不可谓意义不大。
      增加了一次充电的骑行距离。在相同重量电池的情况下，使用锂离子电池将大幅度增加一次充电的骑行距离，这将大为提高电动自行车的实用性和方便性大幅度提高了电池使用寿命。在合理充放电使用的前提下，锂离子电池的循环使用寿命将是铅酸蓄电池的6－? 7倍，将大幅度降低用户的使用成本。
      提供了更合理结构和更美观外形的设计条件、空间和可能性。现阶段由于电池体积、重量的限制，设计师们的设计思想受到极大约束，导致现阶段的电动自行车在结构和外观上“千车一面”、雷同相似、单调划一。这里我们要理解设计师们的难处和无可奈何。而锂离子电池的使用，将会给我们的设计师们提供展示设计思想和设计风格的更大空间及条件。
      真正意义上的绿色环保产品。由于锂离子电池构成材料的特性决定了使用它的电动自行车既无一次污染，也无二次污染，是真正意义上的绿色环保产品。
      但基于锂离子电池的特有电化学工作原理和电极、电解液材料的固有特性，锂离子电池也具有某些不足之处，归纳起来有以下几点：
      大电流充放电过程中（即使用中）的安全问题。首先是充电过程中，锂离子沉积在保护膜上,会逐渐形成树枝状的结晶。在放电的过程中，树枝状结晶虽会溶解，但是无法百分之百的溶解，便会有残存的结晶在下次充电时继续结晶成长。最后会穿刺隔膜，造成短路；其次，在过充状况时，电压太高，导致电解质分解，产生气体和其他不安全的副反应；再者是由于锂离子电池的电解液为易燃有机溶剂，当大电流充放电而导致电池温度过高时易引起燃烧。
      保护、控制电路复杂。这是因为上述原因，锂离子电池的抗过充、过放能力弱，应用中要求有较为完善的保护措施和较高精度的充放电控制电路。这样就增加了电池整体系统的复杂性，降低了可*度，同时也导致了电池整体应用成本的增加。
      容量偏小。相对其它电池而言，现阶段锂离子容量还显得偏小，有待进一步提高。
      现阶段价格过高。由于正极材料、电解液和隔膜的价格原因，整体电池的价格水平较高。