作者：文浩 等,韩维建 主编
出版社：机械工业出版社
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电动汽车前沿技术及应用试读：
前言
汽车已经成为人们优质的现代生活中不可缺少的部分。然而，近100多年历史的以燃油为动力的内燃机汽车正面临着原油枯竭和人类生存环境不断恶化的挑战，以电能为动力的电动汽车可能在能源和碳排放两个限制条件下赋予汽车新的生命力。因为电动汽车不仅可能利用人们正在开发的清洁、可再生的新能源而避免或者减少使用原油这一化石燃料，而且电动汽车以电机提供动力，大大减少了动力传递的机械复杂程度，提高了能量转换效率和使用效率。然而，如果电动汽车不是用清洁、再生能源发电来充电，而继续使用化石燃料，特别是煤作为电能的来源，那么碳排放量并不能得到减少，甚至还会增加。在这个意义上，电动汽车并非等同于使用新能源汽车。锂电池作为电能的储存设备如果不能进一步提高单位重量和体积的电能储藏密度，那么电动汽车能量转换的高效率会大打折扣。氢燃料电池汽车也许能在电动汽车中弥补碳排放和高效率两个方面的不足，可昂贵的氢燃料电池汽车和加氢站的普及也面临着市场化的艰难步履。电动化汽车产业的发展方向仍然迷雾重重，并非一蹴而就，也不可以弯道超车。本书以能量转换效率和碳排放这两个潜在的要素为指南，阐述电动汽车的基本原理和在未来发展中的优势与挑战。
第1章以内燃机燃油汽车、锂电池电动汽车以及氢燃料电池汽车的对比，说明了电动汽车的显著优势和市场化挑战。作者从储能方式上的对比，对汽车的动力源能量密度和能量转换效率方面做了简要阐述。本章由文浩、徐淳川博士联合编写。
第2章介绍了电池的电化学原理，类比水的势能对电池的电化学势能进行了描述。然后从工业应用的角度，对如何以低成本实现大量生产进行了介绍。在单电池的基础上，对如何进一步使用串并联的方式，将其组装成高达300V、可以驱动汽车的电池组进行了阐述。最后，作者对当前的电动汽车行业和相关电池产业进行了描绘。本章由文浩博士编写。
第3章重点介绍了新能源车用电机，作者从电磁场以及电机用磁性材料出发，导出了旋转电机的机-电转换机制，以帮助读者理解电机工作原理，并介绍了电动汽车驱动电机的主要类型、结构以及这些类型的电机在电动汽车上的应用。最后作者讨论了电机中的能量损耗，以及驱动电机的发展趋势。本章由李万锋博士编写。
第4章介绍了车用动力电机（直流电机和交流电机）的建模原理及其常用控制方法，即直流电机的定压定流控制、交流电机的矢量控制，以及直流电机的滑模控制等。本章由曾涛博士编写。
第5章介绍了混合动力汽车的基本原理以及控制方法，其中包括混合动力的分类方法和运行原理、发动机的工作过程，细分混合动力常见的控制和优化问题，还介绍了常用混合动力控制策略和方法。本章由曾涛博士编写。
第6章介绍了氢燃料电池。作者试图从燃料电池的理论基础和在汽车上的应用两个方面做一个较为详细的介绍。在前两节中作者简单介绍了汽车用聚合物电解质燃料电池的构造和物理化学过程。从6.3节开始，作者讨论了燃料电池的热力学原理和动力学过程，目标是揭示燃料电池的运行机制和影响因素。6.3节介绍了燃料电池的理论最大输出电压及其影响因素。6.4节介绍了燃料电池的电极电荷转移过程及其引起的极化电压损失。6.5节和6.6节讨论了物质的传输，包括电荷（特别是质子在电解质中）（6.5节）和中性物质（6.6节）的传输及其导致的燃料电池电压的降低。6.7节简单介绍了燃料电池堆和辅助系统，并介绍了燃料电池系统的水热管理。本章由鲁自界博士编写。
第7章介绍了燃料电池在汽车动力运用上的基本测试技术，通过分析燃料电池材料的微观结构、燃料电池的电化学性能，从而达到评价燃料电池材料的物理特性的优劣、电化学性能的好坏和电堆设计是否足够优化的目的。本章由张财志博士编著。
在第8章中，作者以氢气物质特性为基础，对氢气这一能量的载体进行了阐述，并以其与其他能量载体进行的比较，说明了氢气作为一种清洁、可再生能源在未来电动汽车能源中的重要地位；还讨论了使用氢气的安全性以及氢燃料电池汽车的氢气储存方式，并提供了氢燃料电池汽车的氢气储存相关参数和氢气体积及重量密度的目标。本章由徐淳川博士编写。
由于本书的知识面跨度比较大，特别是燃料电池汽车部分属于正在发展中的新能源汽车技术，所以我们邀请了在电动汽车领域工作的多名作者参与编写。他们都分别在美国及新加坡获得博士学位，并长期从事电动汽车领域的工作。鲁自界博士、李万锋博士、徐淳川博士、曾涛博士和文浩博士是美国福特汽车公司的高级工程师，张财志博士是重庆大学、汽车工程学院汽车协同创新中心和机械传动国家重点实验室的博士生导师。由于作者能力所限，书中错误在所难免，恳请各位读者指正。第1章电动汽车概述
电动汽车（Electric Vehicle，EV）作为一个新能源汽车的主力发展方向，近年来得到了越来越多的关注。在节能减排的大背景下，电动汽车的零排放特点使其能够在新的时期承担起人们交通出行的任务。然而，电动汽车的电力产能和电池生产，可能又是一个高碳排放的产业链。那么，如何解读电动汽车？它的生产制造有哪些环节？车辆的动力驱动原理和工程学解决方案如何实现？这些问题将是本书探讨的话题。1.1 电动汽车的定义
开宗明义，什么是电动汽车？简单地说，电动汽车就是以电力为动力源驱动的汽车。在本书的讨论中，除了以蓄电池为辅助动力源的混合动力汽车（HEV、PHEV）和以蓄电池为动力源的纯电动汽车（BEV）外，电动汽车还包括氢燃料电池汽车（HFCV），但是没有讨论在国内无须上牌的代步车，或者电动滑板这类代步工具。电动汽车包括的几种常见类型如表1-1所示。表1-1 电动汽车的分类
混合动力汽车是当代电动汽车中最早进入大众视野的车型。该车型不需要充电，只需要供应燃油。电池单元完成能量的采集和分配的任务，极大地提高了能量使用效率。从黑盒子的观点来看，混合动力汽车相当于一辆耗油量极低的燃油车，不改变用户基本的使用体验。插电式混合动力汽车不强制要求用户充电，但是短距离代步可以使用全电池动力，很多上下班距离在40千米以内的上班族可以通过充电满足每天的行驶需要，从而很长时间不用去加油。而纯电动汽车则必须充电才能行驶，一般充电时间需要4～8小时，快充也需要半小时以上，目前还远远落后于汽油加油站10分钟的加油速度。1.2 电动汽车简史1.2.1 史前时代
电动汽车的出现实际上早于内燃机汽车（Internal Combustion Engine Vehicle，ICEV）。1828年，匈牙利人耶德利克·阿纽升（Jedlik Anyos）把自己发明的电机放到了一辆模型车上，这算是有记载的最早的电动汽车。然而，再过31年，1859年法国人加勒东·普兰特（Gaston Planté）才发明了铅蓄电池，又过22年，1881年铅蓄电池才终于有了质的改进，使得工业化大生产成为可能。这之后，电动汽车才发展起来。
半个世纪，这是电动汽车从实验室概念到平常百姓家的距离。1.2.2 黄金时代
铅蓄电池被发明后，19世纪末20世纪初，电动汽车迎来了黄金时代。最开始，纽约和伦敦这两个世界中心开始使用EV作为出租车。值得一提的是，在1916年，世界上第一辆油电混合动力的EV在芝加哥诞生。这就是后来丰田普锐斯的“爷爷”，不过产品销售惨淡。那时候的EV已经具备了当代EV的一些优点：无须换挡、安静无噪声、启动速度快。不过，由于行驶里程短、速度低，其只能在城市代步当买菜车，那时的EV就被冠以“女人车”的尴尬绰号，以至于有车厂故意在车头安放假的进气口以安抚车主。这像不像当今特斯拉弄一个假车头，里面不是引擎却是储物槽？历史总是惊人的相似。
在EV的全盛时期的世纪之交，汽、电、油三种动力分别占据40%、38%、22%的市场。那时，甚至出现了直接换电池的服务站点。1.2.3 黑暗世纪
在黄金时代之后，便是漫长的黑暗世纪。道路状况的改善，让人们希望能够去更远的地方；石油勘探的进步，让燃油车在长距离行驶的情况下更加经济。而且，谁不想在兜风的时候一脚油门一骑绝尘呢？EV的蜗牛速度无法满足人们对于自由的向往，渐渐被冷落下来。与此同时，燃油车的短板在不停地被补齐：电子打火器让人们不用手摇启动（参考早期的解放牌卡车），消音器让引擎更安静，最后，福特汽车的流水线让内燃机汽车被大量地、低成本地制造出来。工薪阶层两个月的工资，就能买上一辆安静、有速度且能彰显中产地位的福特T型车。电动汽车最后只能沦为有钱人博物馆里的收藏品。著名电视脱口秀主持人杰·雷诺（Jay Leno）家里就有一辆。
黑暗中世纪的漫长，延续了几乎一个世纪。不过，EV的技术还是以分散的形式在发展：电池在手提式设备的商业应用中慢慢进步，电机驱动着工业机器人的手臂，控制理论在宇航和通信中不断前行。偶尔，EV也会露个脸，比如1971年人类放在月球上的第一辆车。1.2.4 文艺复兴
内燃机汽车兴盛的背景是，在长达一个世纪中，石油作为人类可传递的高密度能源的兴盛。19世纪，洛克菲勒开采出的石油，在卡内基的钢铁中，驱动了亨利·福特的汽车，让整个工业帝国运转起来。然而，盛极必衰，在中东国家探明石油的巨大储量，并且成为全球工业机器的输血站的20世纪七八十年代，能源产业的上下游文明发生了冲突，输血站关上了门，石油危机爆发，车轮上的老百姓突然发现自己开不起车了。
对美国这样的车轮上的国家来说，有车开，等于有自由。寻找替代出行能源和出行方式的努力，在巨大的市场前景下大范围展开。在1990年的洛杉矶车展上，车企巨头通用汽车展示了GM Impact EV概念车，并宣布将会制造EV卖给消费者，拉开了EV“文艺复兴”的序幕。随后，克莱斯勒、福特、丰田纷纷宣布了自己的EV计划。20世纪90年代，丰田推出了普锐斯。这款车型现在几乎成为混合动力汽车的代名词。然而，由于那时并没有足够先进的电池技术，各大车厂的EV其实主要是针对各地区的节能减排政策的应对措施，虽有口碑，但并无市场和进一步的研发动力。很快，各大车企施加的压力就让政客们低下了头，EV再次沉寂。
进入21世纪，埃隆·马斯克（Elon Musk）的特斯拉开始登上电动汽车的舞台。从2004年的Roadster开始，特斯拉力求将电动汽车缺乏但燃油车能够提供的高端、速度、身份、时尚感赋予电动汽车。新时代的电机，配合最新的高密度锂离子电池，特斯拉可以实现媲美百万超级跑车的加速性能和身份认同。一辆成功的电动汽车，一定不能只有对环境保护的情怀和国家政策的扶持，而一定要有市场的认同。最早期的特斯拉车主，买的不是电动汽车，而是一辆好车。特斯拉带来的产业冲击，开辟了前所未见的高端EV市场，也促进了传统车企的重兵进入。
时间前进到当下，雪佛兰Bolt和特斯拉Model 3，首次将BEV价格降到4万美元以下，成为大众买得起的纯电动汽车。1.3 锂电产业
回看历史，继往开来。当我们细数电动汽车的发展史的时候，中国的角色是缺失的。幸运的是，在这个领域，我们不需要再去引用四大发明领先西方多少年的举例。中国已经和日韩两国一起，成为世界上三大最重要的电池生产国，而我国的汽车市场早已经在2009年超越美国成为世界第一大国。巨大的市场和技术的积累，让我国有条件发展自己的电动汽车产业。
然而，必须要清醒地认识到，一个产品的设计，其背后是一整套工程学方法；一套工程学方法，其背后是上百年沉淀下来的科学理念。一个高中生就可以通过网络搜索告诉你古德里奇发明了当代锂电池的钴酸锂正极，然而，他是怎么找到钴酸锂的，如何验证的，又是如何最后将它应用到生产中去的，这些都需要一个国家、一个民族慢慢去摸索。
当前，我国的电动汽车新能源产业是由政府牵头补贴，政企联合自上而下地发展起来的。由于缺乏市场推动，电动汽车企业往往冲着新能源补贴政策的福利敷衍造车。当下，政策红利正在慢慢褪去，大浪淘沙，只有真正做出了能够被市场认可的电动汽车的企业，才会获得市场丰厚的回报。1.4 挑战
真理越辩越明。电动汽车不完美，它也不一定是解决问题的最优解。这里，我们尝试带着批判性思维，去剖析电动汽车当前遇到的一些问题。
首先，是底层的电池性能问题。当代电动汽车使用的锂离子电池，相比1910年的铅酸电池，能量密度提升了接近10倍。然而，和燃油车所使用的汽油相比，电动汽车的能量密度还是不足其1/10。能量密度不足，自然带来行驶里程不足的问题。
其次，是充电时间的问题。当前最好的快速充电技术也需要半小时才能充电80%，而且会带来电池寿命损耗，再提高充电效率则会带来充电站功率过高的挑战。加油站加油只需要5分钟，如果电动汽车无法超越这条线，那么究竟应该如何设计使用体验，使充电时间不再是问题？
最后，是碳排放的问题。电动汽车在生命周期之中，是否实现了比燃油车更低的碳排放？显然，如果使用高污染的火力发电，电动汽车的碳排放得不偿失。同时，电池制造伴随着大量的工业流程、矿石开采，包括广泛使用的石墨、铁、磷、钴，这会不会比石化开采带来更多的环境影响？这方面的研究已经展开，使用的是生命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）方法。目前的结论是具体问题具体[1]分析，电动汽车大有可为。
除了LCA方法以外，电动汽车带来的附加效应和新机会，虽然不容易量化，但不容忽视。一方面，电动汽车促进了创新，带来了大量的就业机会和产业升级。另一方面，电动汽车带来的技术升级，促进了包括电网储能（Grid Storage）在内的大量技术升级。电网储能是风能、太阳能、潮汐能等大量清洁能源目前的发展瓶颈。只有电网储能才能实现异步发电，才能把不定期产生的清洁能源储存起来，等到需要时再输出。1.5 氢燃料电池汽车
燃料或能量的来源不同，会带来汽车动力系统的不同，对环境的影响也不一样。全球生产的90%以上的石油都用于交通运输工具，汽车的碳排放量为世界总排放量的20%～25%。汽油和柴油作为汽车的燃料具有体积小、重量轻和能量密度高的优点。然而地球上储存的石油越来越少，目前世界上各大汽车公司都在为未来的新能源汽车进行探索和投入。与以可充电的锂电池为储能装置的电动汽车相比较，氢燃料电池汽车是以氢气为燃料，通过氢燃料电池产生电力来驱动的电动汽车。氢燃料电池的概念可以追溯到1838年，威尔士物理学家威廉·格罗夫（William Grove）发明了用氢气和氧气产生电流的燃料电池装置，但用它产生电力驱动汽车是最近25年才发展起来的技术。下面我们将简要地从几个方面阐述一下BEV、HFCV与ICEV的不同和优势。1.6 能源对汽车与环境的影响
能源与环境在现代高速发展的社会中也许是一个最热门的话题，2017年前后新旧两届美国总统都有截然不同的认识和政策。中国领导人和世界上其他国家的领导人（联合国政府间气候变化专门委员会，Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）一道坚持共同保护和治理人类的生存环境，减少碳排放量，开发清洁、可再生能源的政策。在这里我们只是以能源的物质概念为基础，简要地介绍了不同能量的转换和利用方式给环境带来的影响。
能量从转换、传输到利用必须有物质载体。比如汽油，它是由原油精炼生产的，大约2L原油能提炼生产出1.1L汽油；汽油的主要化学成分是CH（辛烷或者异辛烷）等，简单地说，汽油就是一种高能818量密度的碳氢化合物，这样的化石燃料还有天然气、可燃冰和煤等。能量转换过程中的质量守恒定律告诉我们碳和氢将会变成其他化合物，但原子数量和质量不会变，也不会消失。汽油与氧气燃烧以后将产生二氧化碳（CO）和水（HO），并释放大量的热，化学反应方22程如下：
这里碳和氢便是汽油的能量载体。人们可以说碳和氢是一种燃料，但是严格地说，在反应式（1-1）中，氢是能量的一种载体，碳也是能量的一种载体。氢与碳作为能量的载体比较不同的是，氢气与氧气反应释放热量以后产生的是水，碳完全氧化燃烧放出能量后产生的则是二氧化碳。自然界中多数的化石燃料都属于碳氢化合物，氢和碳都是生命必需的元素，二氧化碳是植物在新陈代谢循环过程中所必不可少的，而水更是生命之源泉。在常压下，二氧化碳几乎不会形成液态；固态二氧化碳（干冰）的温度是-78.5℃。在地球表面的温度和压力下，二氧化碳几乎都是以气体的形式存在于地球的大气层、海洋和地壳表层中的，而且二氧化碳在大气中需要经过上千年的时间，在宇宙射线的作用下才会在自然中分解。数十万年以来，二氧化碳在大气中的浓度是280～300ppm。过高浓度的二氧化碳在大气中会造成温室效应。然而对生命之源泉的水来说，大自然给予了地球表面一个近乎完美的温度变化范围（地球表面平均温度为14℃），使得水在不同地理位置和季节中可以以气态、液态和固态三个不同的相态形式存在于地球表面。在地球表面温度范围内，水蒸气在大气中不会产生显著、持续的温室效应，水以固态、液态和气态随着四季与昼夜的变换在地球表面及大气层中循环，并且给生命以源泉。但自从1900年以来，特别是1980年以后，人类过度排放的二氧化碳在大气层中不断积累，使得其在大气中的浓度快速上升，目前二氧化碳浓度已超过了400ppm。由于过量的二氧化碳在大气中吸收了过多的太阳光能量，大气温度不断升高，现在大气的平均温度已经提高了1.5℃（到15.5℃）。如果不减排二氧化碳，预计到2050年二氧化碳排放量将升到每年700亿吨以上，积累在大气层中的二氧化碳将会超过600ppm，这会使地球表面的大气层温度加快上升至少6℃，以至于人类没有足够的时间和技术来应对全球气候的快速变迁。IPCC的科学家计算和预测，在2050年以前，只有把二氧化碳在大气中的浓度控制在[2]450ppm之下，地球表面的平均温度才能保持在只升高2℃以内，地球的大气层温度也才能继续通过大自然自身进行调控，一旦超过这条[3]警戒线，大气层温度的变化将难以预测，地球的大气层很可能将失去对温度的自然调控能力，也就将导致全球气候的快速变迁。这样，水的固态、气态和液态在地球表面的平衡循环将会面临被破坏，地球表面的大气层温度上升使得占70%以上地球表面积的海洋蒸发大量水蒸气到大气层中，过量的水蒸气在大气中产生的温室效应将比二氧化碳更大，这将导致一系列地球地质和生态环境的急速变迁，夏季就会出现频繁、严重的洪灾和旱灾，在南北极的冰山会不断融化，沉积在南极冰山下面数百万年的细菌微生物将释放到大气和海洋中，进一步污染人类的生存环境，海洋温度上升也会引起水体积的增加，融化的冰山将会淹没更多的大陆，从而加剧大陆板块的漂移速度，整个地球表面的温度将失去自然的控制而失去平衡。如果这样，人类和地球上的生命将会面临无法估量的损失与灾难。要将大气的二氧化碳浓度在2050年以前控制在450ppm以内，这就需要人们将现在的350亿吨的二氧化碳排放量降低到150亿吨左右，这需要人类从现在起做出巨大的努力，做出物质上的牺牲。目前，世界上约有70亿人口，平均每人排放大约5吨二氧化碳——每位地球村民都有减排责任。人们除了不断提高优质的产品生产过程中的能源使用效率外，还必须不断增加使用可再生的、洁净的能源，逐步取代化石燃料能源，从而达到减少二氧化碳排放的目的。
电能的使用和传输效率是最高的，但电能也是最不容易储存的能量。电容器通过储存电荷（自由电子）是可以储存电能的，但电容器的能量密度很小。因为同性电荷相斥，异性电荷相吸，自由电子与自由电子相互排斥，不愿意待在一起，所以储存电能大的电容器通常占的体积也大，这样降低了电容器的能量密度。电能的载体是电子或者其他正负电荷。尽管原子和分子是由正负电荷组成的，但通常情况下单一的原子和分子都处于电中性，蕴藏的电能为零，一旦被原子约束的电子与原子核分离并发生定向运动，电能就产生了。1831年迈克尔·法拉第（Michael Faraday）认识到了在金属中存在大量的自由电子，让金属导体在磁场中运动，电子就会从金属的一端向另一端移动，从而产生电流，之后能产生电能（力）的发电机就诞生了。发电机发电并不是这里讨论的重点。发电机发电的机械能来源可以是不同的，对环境的影响也不一样。从蒸汽机到内燃机，近150多年来人们都在使用化石燃料发电，直到近30年人们才发现使用化石燃料排放的二氧化碳对地球环境造成了恶劣的影响并且越来越严重。使用原子能、太阳能、水能和风能发电会大大减少二氧化碳的排放，但也难以避免其他形式的环境破坏和技术应用的局限性。
利用电化学原理可以产生电能，这是电池和燃料电池的基本原理，将在下面的章节中讨论。这里我们只是把电池和燃料电池做比较，大家都知道，将含有不同化学势的分子和原子放在一起时会产生化学反应，也就是说，在不同的分子和原子中的壳层电子的电势能不相同，电势能相对较高的电子有向电势能低的原子和分子移动的倾向，一旦电子得到一定的激活能，这种移动就会发生并伴随着热能量的释放，这就是化学反应——产生电荷的转移而改变化学成分和释放热量与电能，比如氢气和氧气以适当的比例燃烧并释放热量。如果用电解质（隔膜）把氧气和氢气隔离开来，氧气和氢气的电极之间产生的电势差大约是1.2V，在隔膜一端的阳极，让氢气在催化剂的作用下进行氧+化反应释放电子，并产生氢原子核即质子（H），而隔膜既可以让质子渗透和迁移到阴极，又能阻止电子跨越隔膜。电子通过导线连接传输到阴极端并产生电流。物理学知识告诉我们，金属中有自由电子，电子在有电势差的金属导体中的传递速度几乎是光的速度（电场的传递速度）。隔膜的另一端是阴极。阴极的电势比阳极高1.2V，这也可以叫两极的电动势。让阴极的氧气在催化剂的作用下，吸收从阳极传导来的电子产生还原反应，把氧分子离解为两个氧离子，并与从阳极+跨过隔膜扩散过来的四个质子（4H）在阴极相会，并产生两个水分子（2HO），像这样把氧化和还原两个反应分开在隔膜的两边，让电2子通过导线将能量以电能的形式输出，这样一个把氢和氧之间的化学能转化为电能的装置叫作燃料电池。如果在阳极和阴极能够不断提供氢气与氧气而且将产生的水排走，燃料电池就能不断地产生电流。
锂离子电池实际上用了相似的电化学原理，锂是锂离子电池储存能量的载体，在阳极的锂或锂化合物中电子的电势能要比在阴极的锂或锂化合物中电子的电势能高4V左右，锂离子电池的隔膜能阻挡电子而让锂离子通过，当阳极可离解锂或锂化合物的锂离子完全转移到阴极以后，锂离子电池的能量也就释放完了。但如果提供电能给锂离子电池让电池充电，锂离子又可以从阴极再返回到阳极形成阳极的高电势能混合物，电池可以再获得电能，充电和放电循环工作。与氢燃料电池不同，我们不可能在锂离子电池的阴阳极不断地提供锂或锂化合物，因为锂化合物通常是固体，质量大，不像氢气和氧气在常温下是气体，而且锂是稀有金属，不像氢气和氧气那么丰富。说到这里，我们也可以这样说，氢燃料电池从原理上是可以被充电的，当充电的时候便能使水分别在电池的阳极和阴极产生氢气与氧气。但这一做法在实际中的效率还较低，而且产生的氢气要加压储存，远比锂离子电池充电系统要复杂得多，给氢燃料电池充电的做法目前是不可取的。由于空气中含有21%的氧气，氢燃料电池汽车只要带上足够的氢气并从空气中得到氧气，就能不断地工作产生电力，这样的解决方案是最便利的。锂离子电池和氢燃料电池产生的电能在电化学原理上没有本质的区别，但它们用了不同的能量载体——锂或者氢。当氢失去一个电子以后成为一个质子，在正电荷中它的质量和体积是最小的，运动起来就像短跑运动员，溜起来比兔子还快。锂失去一个电子以后形成锂离子，它还有的两个电子在原子核周围，所以锂离子的质量和半径要比质子大得多，运动起来就像大熊猫似的。这两种电池都需要正++电荷（质子H或锂离子Li）从阳极跨过电解质隔膜扩散运动一段距离（10～200微米），到阴极上去。显然质子要比锂离子迁移得快得多，这就是氢燃料电池提供电能的质量功率密度比锂离子电池要大的原因之一。除金属锂外，其他元素也可以做能量的载体，比如金属钠和镍等，只是大原子量的金属构成的电池提供电能的质量功率和能量密度比锂离子电池要小很多，通常不用来做汽车动力源电池中的能量载体。
氢燃料电池电极内部的材料主要是碳和贵金属铂（Pt），这些材料对环境的污染相对较小，锂离子电池中有大量有污染的金属化合物。目前产生电力的方式主要还是用化石燃料发电，产生电力的效率在45%左右，锂离子电动汽车最终对能源的使用效率要比内燃机汽车高20%左右，但用化石燃料发电，特别是用煤火力发电时，其对环境造成的污染和碳排放量比内燃机汽车还要大。氢气可以从天然气中提炼，也可以从其他生物质燃料中提炼，还可用电解水等方法获得更加清洁、可再生的氢气。1.7 能量密度与汽车的续航能力
表1-2显示了常见燃料在理想条件下的能量密度，一辆普通家用轿车的油箱大约可以装50L（大约37kg），汽油的体积密度大约为9.20kWh/L，以能量来计算，50升汽油相当于460kWh的能量，这个能量能使汽车续航500千米左右。ICEV的能量转换效率在25%左右，也就是说只有115kWh能量用于驱动汽车，另外75%的能量将以热量的形式被排放在空气中。BEV的能量转换效率可以达到95%以上，跑完500千米的距离只需要携带约120kWh的能量，但这里有个前提就是电动汽车的重量和内燃机汽车的重量相等。现在汽车锂电池单电池的能量密度大概是0.25kWh/kg，120kWh的电池组系统将会高达600kg。特斯拉2017Model S P100D（见图1-1）装有100kWh的锂电池，其重量超过500kg，续航能力接近500千米，但整个车重比普通汽车要多约500kg，每天拉着多余的约500kg所耗费的能量大大降低了能量使用效率，图1-2中展现了ICEV、HFCV和BEV轿车动力源（或燃料）系统的体积与重量的差别。表1-2 常见燃料的能量密度19
注：1kWh=3.60MJ=5.76×10MeV。
①燃料在标准状态下的体积能量密度。图1-1 特斯拉Model S P100D底盘（a）和丰田Mirai底盘（b）图1-2 目前有500千米续航能力的ICEV、HFCV和BEV轿车动力源系统的体积与重量对比一览图
对ICEV来说，它是将化石燃料——汽油进行燃烧而通过内燃机转化为机械能的。从热力学定律得知，以这种方式转换能量，理想的能量转换效率极限是卡诺循环效率方程：
T和T分别是卡诺热机工作的低温热源和高温热源的温度，实LH际中的能量转换效率低于40%，加上汽车机械传动部分的能量损耗，传递到车轮的动能就只有25%左右了。对氢燃料电池汽车来说，燃料电池产生电力的效率高于60%，这比ICEV的效率高了一倍多，普通家用车只需带5～6kg的氢气就能跑完500千米的距离。燃料电池系统的重量大约与ICEV系统的重量相等。从能源使用效率上电动汽车显然比ICEV占优势。但HFCV车上的可利用空间比ICEV小（见图1-2）。除了能源使用效率和可利用空间上的不同，这三种汽车在续航能力上也产生了明显的差异，特别是电动汽车与氢燃料电池汽车相比，目前锂电池的储能密度还在不断提高，有望达到0.25kWh/kg以上。这样就有希望将BEV的制造成本降低和续航能力提高到现在普通ICEV的水平，以让BEV的价格可以与ICEV相比。但是BEV不能做得太大，不适用于高能耗的卡车（Pickup）或者是公交车（Bus和Van）等。另外，与家用ICEV轿车的可利用空间相比较，由于电池的体积和储氢罐的体积相对较大，电动汽车在可利用空间方面还不及ICEV，特别是HFCV的储氢罐占了相当大的车辆体积。从可利用空间方面看，HFCV更适合于高能耗的大型汽车，如卡车（Pickup）、公交车（Van或Bus），甚至机车（Train）。
与ICEV的价格相比，电动汽车的价格目前还相对较高，特别HFCV的价格是普通汽车的两倍以上，本书并不深入讨论价格上的差异，但由于技术的进步，在未来10年以内它们的价格可以达到相同水平。
从汽车的生产过程、使用花费和发展来说，ICEV经过100多年的发展，已经达到了相当成熟的水平，但内燃机、变速箱以及动力传动系统等包括了2万多个零部件，高度复杂的机械传动装置导致能源的使用效率减小。而电动汽车大大减小了机械传动装置的复杂性，并提高了能量转换的效率，零部件数目已减少近100倍，这使得汽车生产过程的复杂性也大大降低。从汽车的维护和寿命来看，电动汽车不仅免去了ICEV的引擎和变速箱的润滑与维护费，而且电机的寿命也比燃油引擎寿命平均要长很多。从未来的自动驾驶汽车的发展看，电动汽车动力系统的简单性使其比ICEV容易实现汽车完全自动驾驶，这也为未来的电动汽车发展开辟了道路，选择了雏形。1.8 电动汽车的基础设施
为了让人们便利地驾驶电动汽车，基础设施的建设将是未来电动汽车发展的关键性硬件。BEV的充电设施依赖于输油网的普及，未来的电力系统将担负BEV不断增加的负载。为适应BEV的不断发展，用于电力系统的能源来源将面临更大的挑战。对氢燃料电池汽车来说，除了面临不断降低燃料电池系统的造价以外，还面临的一大挑战就是氢气的储存和输运问题。虽然氢气的质量能量密度很大，但它的体积能量密度很小，即使把氢气压缩到700个大气压，它的体积能量密度（1.30kWh/L）也只是汽油体积能量密度（9.2kWh/L）的七分之一左右。尽管燃料电池的效率比内燃机的效率高一倍，FCV储氢罐的体积还是比汽油箱的体积大三倍多。为了减少储氢罐的体积和制造成本，增加储氢量，研究人员一直在探索基于材料的储存方法，改进储氢罐的制造技术。氢气的来源很广，但目前氢气的储运和分配还没形成网络，加氢站在大多数国家和城市并没有普及。人们还无法方便地给氢燃料电池汽车加氢气，这使得氢燃料电池汽车的普及存在很大的障碍和局限性。但是氢作为一种清洁能源，将会在未来20～50年逐步代替化石燃料成为汽车的主要燃料，这是大势所趋。参考文献
［1］ Salvatore Mellino，Petrillo A，Cigolotti V，et al.A Life Cycle Assessment of Lithium Battery and Hydrogen-FC Powered Electric Bicycles：Searching for Cleaner Solutions to Urban Mobility[J].International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（3）：1830-1840.
［2］ Bernstein L，Bosch P，Canziani O，et al.Climate Change 2007：Synthesis Report[M]//Climate Change 2007：Synthesis Report.Cambridge：IPCC Summary for Policymakers，2007.
［3］ International Energy Agency.World Energy Outlook 2016[J].SourceOECD Energy，2016（15）：19-23.第2章汽车充电电池概述
电动汽车相比内燃机汽车，具有安静、转化效率高，且能量来源多样等优点。传统的车载铅酸（Lead Acid）电池，作为汽车启动和基本车内元器件供电单元，已经存在多年。虽然其化学反应安全（产物是水），工况温度区间大，功率密度大，但是能量密度只有大约0.04kWh/kg，无法在电动汽车领域担当主要储能单元。而锂离子电池有着0.25kWh/kg的高能量密度，已经可以实现单次充电后接近500千米（约310英里）的续航里程（Chevy Bolt），这已经是大多数人日常生活中一天行车的极限里程。只要能够找到充电桩，利用当晚的休息时间便可让电池充满电。因此，锂离子充电电池是当前电动汽车动力电池的最佳选择。
然而，要想让充电汽车进入大众视野，电动汽车的对手是内燃机汽车。排除价格因素，在使用体验上，内燃机汽车能够做到5分钟内充满油缸，其续航里程达到400英里。此外，两者的差距便是依然相差一万美元的基本售价（以目前最接近大众市场的Chevy Bolt和特斯拉Model 3为例），还有不保值的二手买卖市场价格。冰冻三尺非一日之寒，内燃机汽车能够走到今天，是百年历史和政企联手的资金政策合力之果。电动汽车还有很长的路要走。
本章将从电池的内部材料、结构、安全、应用等角度出发，给读者一个简明扼要的对电动汽车动力电池的基本了解。作者希望能够达到两个目标：一是让读者对专有名词的中英文都有了解，方便其进一步的学习和与国际同行进行交流；二是让读者对新闻中和业内出现的电池领域的新鲜事物能够有一个基本的科学判断，知道一个好的电池至少应该满足怎样的条件。为此，在介绍一些电池材料结构的特点的同时，作者会尽量给出该领域的发展方向。
让我们开始吧。2.1 电化学原理
电压、电势、电势能、阴阳极，这些概念你可能在高中物理课上学到过，但已经不太熟悉。关于半反应的概念，你可能在本科化学课上用试管做过标准氢电极实验。然而，面对一个叫作电池的商品，这些概念是怎么实现的呢？
任何一本化学教材都早已详尽地解释这些概念，这里，为避免堆叠公式，让我们换一种亲切的表达：比喻。以水作为比喻
势，态势，汉语中表示情况、样子。势能，便是当下情况对应的能量。水库的势能，可以用水位来度量，水位越高，重力势能越大。电池的势能，可以用电压来度量，电压越高，电势能越大。
水库里的水被水泵抽到高处，水泵消耗能量，能量转化为水的重力势能储存在水库里，这是储能过程，类似充电。水坝开闸放水，重力势能转化为电能，点亮千家万户，这是释能过程，类似放电。电池与此类同：输入能量，提高电势能；输出能量，降低电势能。
关于水位，需要进一步思考。水库的水位是相对河床底部的水位，还是相对海平面的海拔高度？什么样的水位最能够描述一个水库究竟能放多少电呢？显然，它是指水坝两边的水位之差，参考图2-1，水位差最能描述水能放多少电。水位的势能之差，是水压。电池的电极的电势能之差，是电压。图2-1 以两个连通的试管中的水来比喻锂电池势能
水位有海拔，取标准的海平面作为基准，就可以测量全球任何一个水域的海拔。这样，想要知道两个水域连通起来的水位之差，只需要求两个水域海拔高度的差值，就可以知道水压。每一个电极可以选取一个基准，然后把它的“海拔”找出来。这样，两个电极配成一对，对它们的“海拔”求差，就可以知道电压。这个“海拔”就是标准电压（Standard Potential），这个基准就是标准氢电极。然而，标准氢电极需要水作为电解质，而锂电池不能用水，所以我们选用锂金属作为反应基准。
所以，当你看很多锂电池电极的标定电势的时候，会发现常有+vs.Li/Li的字样，这表示使用了上述反应作为基准。另外，电势和电压在文献资料中常常混用，请读者注意。
比喻到此为止。水的势能变化只涉及水分子的高度变化。单种分子仅有物理过程，变化可见。而电池的电化学过程涉及阴阳两种离子、物理扩散和得失电子两套过程，还标配了让人头疼的副反应，以及基本上肉眼不可见的过程。（有些反应完全是可见的，比如，石墨电极[1]在充电过程中会由黑色变成红色，最后变成金色。）
图2-2展示了在放电过程中电池内部的化学反应流程。图中的正负极电解液在后文中还会有详述。在这个反应中，带正电的锂离子和带负电的电子，分别通过外部的金属导线和内部的电解液进行传导，而正负极则是它们发生分离与结合的地方。
这里请注意两个极易混淆的概念：正负极和阴阳极。在放电过程中，正极是阴极，负极是阳极。阴阳极是电化学概念。得到电子，电荷变负，为阴极；反之为阳极。但正负极却是电池的概念。放电时，电流从正极流向负极（见图2-3）。为了避免混淆，本章都以正负极进行区分。图2-2 电池放电的电化学过程
注：电流采集金属箔、正负极和电解液都是直接接触的，这里为了描述方便将其分开。图2-3 阴阳极和正负极示意图
让我们从几个不同的角度进一步理解这个过程：锂是一种能量载体，在锂电池两极的锂或锂化合物经历失去或得到电子，同时产生锂离子。这种得失电子伴随着化学能与电能的转化反应是一种电化学反应。放电对应一个无须外力就可以自然发生的过程，类似于水从高处往低处流。这样的自然过程，从微观角度看，负极很容易失去锂离子，正极很容易得到锂离子，中间又有电解液通路，锂离子自然会流向正极；从宏观角度看，锂离子进入正极，对应了更低的系统势能；从可测量的电压来看，在放电过程中，电压必定降低。
图2-2中的物理过程不容忽视。锂离子在电解液中是离子扩散过程。这个物理过程受到电场、溶液离子导电性、离子本身的活性的影响。电子在外电路传导便形成电流，正是这个电流，驱动了你我手中的手机和电动汽车的车轴。2.2 活性材料2.2.1 电压曲线
说到新材料，就不能不提电压曲线（Voltage Profile）。
如今，由于巨大的市场利益和公众的关注，新型正负极材料的报道层出不穷。纳米、石墨烯、碳纳米管等目不暇接。然而，万变不离其宗，面对一个新材料，我们最关心的就是图2-4中所展示的：半电池充放电电压曲线。图2-4 石墨电极的半电池充放电电压曲线（Voltage Profile）
注：这是判断一个新的电极材料是否优秀最重要的参考数据之一。
所谓半电池（Half Cell），不是指半个电池，而是把实际的锂电池中的一个电极拿出来，和锂金属配对做成一个电池。所以，半电池是一个完整的电池，只不过由于配对了电势非常稳定的锂金属，能够对我们感兴趣的电极材料进行表征。因此，半电池就是一个测试平台。在实验室中，半电池常常使用纽扣电池（Coin Cell）进行组装，好处是材料使用量少，测试结果也能够广泛地被同行认可。
那么，这个充放电电压曲线又是怎么来的呢？我们需要从中得到什么有用的信息呢？电压曲线是在控制电流的情况下，测试时间和电压（t，U）得到的曲线。以图2-4中展示的石墨充放电电压曲线为例，我们可以从中提取到以下重要的有用信息。（1）该石墨材料的电容大约为300mAh/g。这个数值是充电曲线的电压接近0V时对应的电容。为什么是0V而不是0.5V？因为这里的0V，就是锂金属自身氧化还原的反应电压。即使继续给电池充电，石墨也将不再继续充电，电流将导致锂金属沉积，从而生成枝晶，造成短路甚至起火的灾难性后果，这是负极的情况。在正极，为了安全起见，常常将4.2V作为电压上限。（2）石墨的放电电压大约在0.2V，而且在全电容区间内都比较稳定，放电曲线说明了这一点。电压、稳定性，缺一不可。近期的明星材料石墨烯，如果单独作为负极材料进行半电池测试，则会有不错的电容，也会有0.3V左右的电压，但是电压非常不稳定，在电容区间内会不停地升高，导致做出来的全电池（Full Cell，相对于Half Cell）能量输出下降得很快。而近期很火的金属氧化物（Metal Oxide）负极，电压很稳，可惜都在1.5V甚至更高，会导致全电池只能稳稳地输出很低的功率，没有实用意义。
总结一下，就是电压曲线看电压、电压稳定性和电容。
因此，下次再有人告诉你，他发明了一个很厉害的电极材料，你需要问的第一个问题就是：“能给我看看你的电压曲线吗？”2.2.2 正负极材料
电池中，具有电化学活性的部件只有两个：正极和负极，具体地说，就是正负极之中的活性材料。在实际应用中所谓的正负极，还往往包括了高分子黏结剂、导电碳和底部的金属电流采集箔（Current Collector）。
说到正负极材料，我们可以稍微回顾一下，看看当下还有哪些其他的可充电电池，因为大多数电池分类都是按照正负极材料来进行的。从表2-1中可以看到，除锂电池之外，可充电电池还有很多选择。铅酸电池更是因其高功率和稳定性依然在传统汽车中发挥着点火与备用电源的作用。但是，对于电动汽车来说，当下最大的挑战依然是行驶里程，所以锂电池才成为当前的选择。即使如此，锂电池的安全性也是经过了多年打磨，才被应用在电动汽车上。毕竟，手机电池发生故障甚至起火还可以一扔了事，而汽车电池故障就是抛锚、起火，就是人命，所以它需要大量的实验和消费级电子产品的验证，才能实现应用。表2-1 当前最主要的可充电电池系统参数
①寿命降低为初始容量的80%时的数据。
当前，锂电池负极的选择不多，商业应用的只有石墨和钛酸锂（LiTiO，LTO）。石墨是应用最广的负极，价格便宜，循环寿命长23（>1000次充放电），电势低且稳定（0.2V，几乎在整个放电过程中不变），但是其375mAh/g的电容量不够理想。钛酸锂的电学性能比不上石墨，但是其零应变（Zero Strain）特性使其在超快速充电中能够保持稳定，从而在需要快速充电的场合中有其独特的应用。
下一代负极的发展方向，目前主要是以硅材料为基础的添加改性。特斯拉和LG化学都在这方面进行了大量投入，并且有了投产。+硅材料的优点在于接近4000mAh/g的超大电容量和0.4V的vs.Li/Li且比较稳定的低压。缺点是晶体体积在锂化过程中的变化达到300%，会导致去锂化过程中颗粒崩裂失活，从而导致在多次充放电循环中电容量严重下降，制约使用寿命。短期的解决方法是通过添加改性的办法，直接把硅或者硅化合物添加到石墨负极中，目标甚至可能不是提高电容量，而是极大地减小负极的体积，从而增加电芯的能量密度与总体体积之比。长期的解决方法是使用微米或者纳米颗粒，通过减小颗粒尺度的方法来避免崩裂，从而维持活性。该方法的难度在于成本控制，纳米制备工艺常采用的化学和物理气相沉积都与工业中的卷对卷（Roll to Roll）方法不兼容，或者沉积速率过低，暂时无法降低成本。
锂电池的正极当前主要有磷酸铁锂（LFP）、钴酸锂（LCO）、锰酸锂（LMO）、镍钴铝（NCA）和镍钴锰三元（NMC）等几种。从元素上来说，钴能够极大地增加性能，但是供应量有限（刚果控制了全球一半以上的钴生产），减少用钴是行业趋势。磷酸铁锂有着比较好的安全性，但是能量密度比不上三元材料，故常用在对能量密度要求不那么高的电动大巴上。当前，电动汽车的主要问题在于续航能力，因此三元材料以其最高的能量密度，成为电动汽车的主流正极材料（见图2-5）。
正极的发展趋势很多，富镍NCM或者NCA是目前讨论的热点。这两种材料的好处是：①基于已经有的材料进行改性，可以直接利用现成的制备流水线；②更高的理论电容量密度。然而，世上没有免费的午餐，富镍导致了正极晶体结构的不稳定，从而使其在充放电循环中容量降低得很快。另一个发展方向是提高正极的工作电压。目前普遍采用的全电池标准电压是3.0～4.2V，而实际上正极的理论电容量可以到达4.7V甚至更高，但是这也就意味着电解液的不稳定。在这方面，加拿大的杰夫·达恩（Jeff Dahn）报道了氧化铝作为正极的表面[2]涂层的正面作用。
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