...氢燃料电池汽车通过氢燃料电池将储存在燃料和氧化剂中的化学能通...
冯子良
中图分类号：TM912；U469.72 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）05-0108-02
汽车在这两个世纪中在人类社会中一直占据着举足轻重的地位，给人类出行提供着便利。但随着地球化石资源的日益枯萎，汽车用以为系动力的根本--汽油、柴油，也变得岌岌可危。因此，寻找一种可以替代化石能源的新能源便是这个时代人类要面临的主要难题与挑战，这种新能源便是--电。研究并探讨汽车中的电化学也便是这篇文章的主题。
电的发明比汽车要早，但两者投入人类生活并被应用皆是在19世纪下半叶。因此，在漫长的汽车发展史中总能看到电化学的身影。
而电池便是电化学之于汽车的一大应用，如今，不同品牌的汽车在应用不同种类的化学电池，世界汽车品牌的竞争也使得这些电池不断得到改良，以下我便简单介绍电池的发展史并列举几个常见品牌汽车的电池。
电池发展：
不同品牌汽车电池种类及数据（图1）：
丰田-氢燃料电池 电压：1.2V 使用寿命为：1000次 放电温度为：-10度～45度 充电温度为：10度～45度
特斯拉-锂电池 电压：3.6V 使用寿命为：500次 放电温度为：-20度～60度 充电温度为：0度～45度 备注：重量比镍氢电池轻30%～40%，容量高出镍氢电池60%以上。
沃尔沃-铅蓄电池电压：2V 使用寿命为：200～300次 放电温度为：0度～45度 充电温度为：0度～45度 备注：就是一般车用电瓶（它是以6个2V串联成12V的），免加水的电池使用寿命长达10年，但体积和重量是最大的。
不同的电池各有优劣，要了解不同电池的优缺之处就先要了解其结构与原理。
首先介绍特斯拉公司所使用的锂电池：
所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”（图2，图3）。
Positive electrode-正电极 Negative electrode-负电极
Charge-充电 discharge-放电Specoalty carbon-石墨
◎当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物等。
◎电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。
◎隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。
◎外壳采用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。
根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池两大类。液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正负极材料与液态锂离子都是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用LiCoO2，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜做集流体。
它们的主要区别在于电解质的不同，锂离子电池使用的是液体电解质， 而聚合物锂离子電池则以聚合物电解质来代替， 这种聚合物可以是“干态”的，也可以是“胶态”的，目前大部分采用聚合物胶体电解质。而特斯拉汽车使用的锂电池也多以液态锂电池为主，因为该种锂电池的技术较为成熟，但由于聚合物锂电池使用了胶体电解质不会象液体电液泄露，所以装配很容易，使得整体电池很轻、很薄。也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，从而可以提高整个电池的比容量；聚合物锂离子电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂离子电池提高50%以上，所以越来越多的汽车也在将聚合物锂电池投以应用。
氢燃料电池工作时向负极供给燃料（氢气），向正极供给氧化剂（氧气）。氢在负极上的催化剂的作用下分解成正离子H+和电子e-。氢离子进入电解液中，而电子则沿外部电路移向正极。用电的负载就接在外部电路中。在正极上，氧气同电解液中的氢离子吸收抵达正极上的电子形成水。这正是水的电解反应的逆过程（图4）。
氢氧燃料电池不需要将还原剂和氧化剂 全部储藏在电池内的装置
氢氧燃料电池的反应物都在电池外部它只是提供一个反应的容器2H2+O2==2H2O，氢气和氧气都可以由电池外提供（图5）。
氢燃料电池也是当今被使用最广泛的汽车电池，因为其高效的工作效率和简单的构造，被众多汽车品牌所青睐，如戴姆勒奔驰、本田、丰田、马自达、大众，拥有极大的发展前景。氢燃料电池优点非常突出，缺点也非常突出。氢气一般都是从别的资源中取得的，比如用煤制氢气，燃料电池不受石油的限制，用氢没有污染，而且加氢很快，只需要一两分钟，非常便利。
缺点在于现状技术还不太成熟，现在还没有形成产业化，而且对膜的要求很高。另外，催化剂还需要使用铂金，造价比较高，而且在使用中可能会产生有害气体。
最后介绍沃尔沃公司使用的铅蓄电池
铅蓄电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，两极间会产生2V的电力，这是根据铅蓄电池原理，经由充放电，则阴阳极及电解液即会发生如下的变化：
（阳极） （电解液） （阴极）
PbO2 + 2H2SO4 + Pb ---> PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放电反应）
PbO2 中Pb的化合价降低，被还原，负电荷流动；海绵状铅中Pb的化合价升高，正电荷流动。
（阳极） （电解液） （阴极）
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 ---> PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充电反应） （必须在通电条件下）
第一个硫酸铅中铅的化合价升高，被氧化，正电荷流入正极；第二个硫酸铅中铅的化合价降低，被还原，负电荷流入负极
1.放电中的化学变化
蓄电池连接外部电路放电时，稀硫酸即会与阴、阳极板上的活性物质产生反应，生成新化合物『硫酸铅』。经由放电硫酸成分从电解液中释出，放电愈久，硫酸浓度愈稀薄。所消耗之成份与放电量成比例，只要测得电解液中的硫酸浓度，亦即测其比重，即可得知放电量或残余电量。
2.充电中的化学变化
由于充电时在阳极板，阴极板上所产生的硫酸铅会在充电时被分解还原成硫酸，铅及过氧化铅，因此电池内电解液的浓度逐渐增加， 亦即电解液之比重上升，并逐渐回复到放电前的浓度，这种变化显示出蓄电池中的活性物质已还原到可以再度供电的状态，当两极的硫酸铅被还原成原来的活性物质时，即等于充电结束，而阴极板就产生氢，阳极板则产生氧，充电到最后阶段时，电流几乎都用在水的电解，因而电解液会减少，此时应以纯水补充之（图6）。
当前比较主流的电池包括超级电容器、金属氢化物镍电池、锂离子电池、燃料电池。超级电容器的特点是可承受瞬间大电流充放电，但储电量低，不能驱动车辆长时间的使用；金属氢化物电池具备大电流充放电能力，安全性好，但是比容量低，体积较大；锂离子电池的电压在这几类电池中最高，比容量高，但它的是安全性、低温性能差；燃料电池从去年开始走进更多人的视线，能量储备充足，可快速补充燃料，但成本高，瞬间输出能力差，致命的缺陷是不能进行能量的回馈，导致驱动的车辆不能只用燃料电池实现刹车时能量的回收。
所以，动力电池的各项性能是相互平衡的，或者 说“牵制”的，电池性能的优劣不取决于单个电池的某项特性，而取决于综合性能。从上图中我们可以看出，容量与耐久性、高温性能与低温性能、散热性与绝缘性、容忍性与成本是四组互相“矛盾”的参数。endprint
