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          動力電池技術分析及應用領域

          動力電池技術分析及應用領域


            電動化大趨勢愈演愈烈,我國通過政策的引導和扶持,已經成為全球最大的新能源汽車市場。眾所周知,新能源汽車的重要瓶頸在于電池的續航里程。在此背景下,國家出臺了《促進汽車動力電池發展行動方案》、《節能與新能源汽車技術路線圖》,鼓勵高能量密度電池的使用,近期《外商投資產業指導目錄(2017年修行)》政策提出解除純電動汽車合資企業限制以及取消汽車電子和動力電池股比限制,這也是促進新能源汽車市場推廣應用高能量密度電池的重要舉措。


            電池是一門非常深的學科,因為這東西從發明起便在我們的生活中有著非常非常廣泛的應用,比如3C、比如儲能。


            動力電池是指具有較大電能容量和輸出功率,可配置電動自行車、電動汽車、電動設備及工具驅動電源的電池,通常也包括軍事(潛艇,高級智能機器人等)及企事業單位使用的蓄能設備通訊指揮系統的常備電源等。隨著新興的電動自行車、電動汽車的開發和商業化生產、新型潛艇及無人水下航行器(UUV)的發展,使得社會對新型綠色動力電池的需求大幅度增加。當前國際上,應用得最為廣泛的動力電池主要包括鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池、太陽能電池。這些動力電池各具優勢,已經廣泛應用于不同的領域。


            動力電池的類型及性能


            鉛酸蓄電池


            鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特(R.G..Plante)發明,是最早得到應用的蓄電池。Plante電池使用兩塊鉛板作為電極,置于硫酸溶液中進行電解,通過不斷變化電解的電流方向,使鉛板的蓄電容量逐漸增加,但電池比能很低。


            傳統的鉛酸蓄電池有兩個主要缺點:一是在使用壽命期間,需不斷加水維護;二是由于富液有漏酸危險不能任意方向放置。經過不斷研究,20世紀中期,發明了膠體電解質技術和免維護密封技術:1955年德國陽光公司首次把凝膠電解質技術用于鉛酸電池并投放市場。20世紀60年代中期該公司開發出“Dryfit”實用膠體電解質密封鉛酸蓄電池系列。1968年Desai提交了第一篇描述氣體密封式鉛酸蓄電池的專利,1974年正式發表。1972年美國Gates公司的D.H McLelland和J.L.Devitt發明了吸附式超細玻璃纖維隔板(AGM),從實踐上解決了電池內部氧氣的復合循環問題,研制出圓柱形的AGM型閥控密封鉛酸蓄電池(VRLAB),這種電池的電解液吸附在玻璃纖維隔膜中,電解液不能自由流動,相對于傳統的富液式鉛酸蓄電池(電解液可自由流動),閥控式鉛酸蓄電池為貧液式電池。此后的30多年內,VRLAB電池得到迅速發展,在電力、鐵路、船舶、通訊等各個專業部門中得到了廣泛應用。VRLA技術的出現推動了鉛酸蓄電池的發展,使之進入了一個繁榮發展的時期。


            鉛酸蓄電池是所有化學電源中技術最成熟的電池,它具有價格低廉、安全性高、大電流放電性能好、電池回收率高等優點,己廣泛用于電動自行車、電動摩托車、通信行業、電力工業后備電源、鐵路內燃機車等領域。然而,由于比能低、不夠環保等缺點,鉛酸電池新材料、新結構、新技術仍在不斷研究中,如耐腐蝕鉛合金正極板柵、泡沫鉛板柵、泡沫炭板柵、新型負極添加劑、超級鉛酸電池等。


            鎳基電池


            堿性鎳基電池主要包括有鎳鎘電池、鎳鋅電池和鎳氫電池。其中鎳鎘電池已經在諸多領域得到廣泛應用,但廢舊的鎳鎘電池存在鎘污染的風險,大大限制了其應用,歐盟各國已禁止將鎳鎘電池用于動力電池,基本處于淘汰邊緣;鎳鋅電池在充電時,負極鋅容易產生枝晶,而導致隔膜穿刺,影響電池的使用壽命;相比之下,鎳氫電池是綜合性能最佳的動力電池。目前鎳氫電池已經廣泛應用于商業化的電動汽車。


            鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳組成的電池,正極活性物質為氫氧化鎳,負極活性物質為貯氫合金,電解液采用6 M的氫氧化鉀溶液。其電化學式可表示為:


            (-)M/MH︱KOH︱Ni(OH)2/NiOOH(+)充電時,KOH電解液中的氫離子(H+)會釋放出來,由儲氫合金吸收,正極由Ni(OH)2變成NiOOH和H2O;放電時氫氣在負極上被消耗掉,正極由NiOOH變成Ni(OH)2。


            鎳氫電池具有高比能和高比功率的特性,其比能量較鉛酸電池提高了3倍;比功率較鉛酸電池提高了近10倍。除此之外,鎳氫電池還具有較好的過度充放電耐受性和熱性能,因此具有較高的安全可靠性能。充電快、環保污染、壽命長等也是鎳氫電池的優點。


            但是,由于原材料鎳和儲氫合金非常昂貴,因此鎳氫電池的成本較高,價格成為制約鎳氫電池發展的主要因素。鎳氫電池在電動汽車領域的應用已經表現出局限性。


            鋰離子電池


            鋰離子電池研究始于1990年Nagoura等人研制成的以石油焦為負極、以鈷酸鋰為正極的鋰離子電池;同年日本Sony和加拿大Moli兩大電池公司宣稱將推出以碳為負極的鋰離子電池;1991年,日本索尼能源技術公司與電池部聯合開發了以聚糖醇熱解碳(PFA)為負極的鋰離子電池;1993年,美國Bellcore公司首先報道了聚合物鋰離子電池。


            鋰離子電池是指其中的Li+反復嵌入和脫嵌正負極材料的一種高能二次電池。通常由下述元件組成:

            (1)負極,在放電時發生氧化反應,應用較多的是碳材料;

            (2)正極,放電時發生還原反應,采用較多的是過渡金屬氧化物,如LiCoO2;

            (3)電解液,為離子運動提供運輸介質;

            (4)隔膜,為正負極提供電子隔離。通常用鋁箔作為正極集流體,用銅箔作為負極集流體。


            與其他動力電池相比,鋰離子電池的優勢十分明顯:

            1)能量密度大,體積比能量和質量比能量分別可達300 Wh/cm3和125 Wh/kg,最高可達350 Wh/cm3;

            2)平均輸出電壓高(約3.9 V),為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍;

            3)輸出功率大;

            4)自放電小,每月在10%以下,不到Ni-Cd\Ni-NH自放電的一半;

            5)沒有Ni-Cd\Ni-NH電池一樣的記憶效應;

            6)可快速充放電;

            7)充電效率高。可達100%;

            8)工作溫度范圍寬,為-25Co~70Co;

            9)沒有環境污染,稱為綠色電池;

            10)使用壽命長,可達1200次左右,最長的可達3000次。


            因此,鋰離子電池廣泛應用于消費電子產品、軍用產品、航空產品等。然而,伴隨著鋰離子電池爆炸、起火等事故報道,安全問題已經成為鋰離子電池技術發展的關鍵難題。鋰離子電池內部存在著一系列潛在的放熱反應,這是誘發鋰離子電池安全問題的根源。能否有效地解決熱失控帶來的安全問題也成為促進或制約鋰離子電池進一步發展的關鍵因素。


            燃料電池


            燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的發電裝置。與一般傳統電池一樣,也是依據電化學原理而工作的發電裝置,不同之處在于只要燃料源源不斷地供給,燃料電池就能持續不斷地提供電能。燃料電池中不存在熱機過程,即不受卡諾循環的限制,因而能量轉化效率很高,并且其反應過程中不會產生任何污染,產物只有水。


            燃料電池的種類繁多,基于其電解質性質的不同,可以將其分為質子交換膜燃料電池,磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和堿性燃料電池等五種燃料電池。


            作為一種新型的發電技術,燃料電池有如下特點:

            1)能量轉化效率高:燃料電池中燃料不經過燃燒直接轉化成為電能,不受卡諾循環限制,所以燃料電池比普通熱機的效率高,能量轉換效率理論值高達60%以上,實際使用效率是普通內燃機的2~3倍。

            2)環境友好:燃料直接經過燃料電池電化學反應,與空氣中產生水,在這個過程中幾乎不排放氮氧化物(NOx)和硫氧化合物(SOx)等環境污染物,而且燃料電池結構簡單、沒有可移動部件,噪聲振動水平低。

            3)燃料多樣性:燃料電池燃料來源廣,可以是氫氣、天然氣和沼氣等氣體燃料,汽油、柴油、甲醇、乙醇和甲酸等液體燃料,非常符合能源多樣化的趨勢,應對以石油和煤炭等化石能源的日益枯竭問題。

            4)應用領域廣:不同于普通電池,燃料電池允許在功率(由燃料電池尺寸決定)和容量(由燃料存儲尺寸決定)之間隨意地縮放,可以很容易地從1 W級做到MW級,應用于便攜式電源、分布式發電站和集中式發電站,也應用于航空航天、船舶、汽車等交通工具。

            正是由于這些突出的優越性,燃料電池技術的研究與開發備受各國政府和各個公司的青睞,將引爆21世紀新能源與環保的綠色革命。燃料電池為動力汽車提供了最有效、最環保的車載動力,但是要實現燃料電池的廣泛應用,還有許多問題需要解決,如電池研制成本高(采用貴金屬鉑等作為催化劑)、氫的儲存運輸難題,以及電池循環使用壽命短的問題。


            性能對比


            這些動力電池各具優勢,已經廣泛應用于不同的領域。常見動力電池的主要技術特性見表1

          動力電池技術分析及應用領域


            動力電池的市場及應用


            電動自行車


            歐美等西方國家生產銷售電動自行車較早,英、美、法、意等國都有生產公司推出電動自行車。日本自行車振興協會有一項統計表明,世界上現有電動自行車的廠家超過100家,為其配套用的動力電池生產企業最著名的是日本三洋電機公司、東芝電池公司、法國的薩佛特公司、德國的瓦爾塔公司等。


            電動自行車作為發展中國家的代步工具,近年來也發展迅速,特別是在中國。自1998年以來,國內電動自行車產量一直以年均40%的速度增長。2012年中國電動自行車的保有量已達到2億輛。據權威機構預測,到2015年我國電動自行車的產值將達到1000億元,其中配套電池的產值將達到160億元。


            電動摩托車


            摩托車作為一種靈活方便的交通工具,在中國南方以及一些東南亞國家有著巨大的市場。摩托車雖然給人們帶來了很多方便,但摩托車排放的尾氣污染被認為是我國大、中城市大氣的主要空氣污染源之一。據說一輛小小摩托車的排污相當一輛桑塔納轎車的排污。為了凈化環境,保證城市的藍天碧空,我國已有60多個城市禁限摩托車。


            世界各國著名摩托車廠家已經在積極研制開發電動摩托車,包括日本的雅馬哈與本田等企業。我國一些摩托車企業也在積極為摩托車尋找更為環保的動力來源。目前,新大洲、春蘭、重慶嘉陵等摩托車廠商紛紛將目光投向極具優勢的鋰離子動力電池,正在與動力電池生產廠家共同開發電動摩托車。這種局面無疑給動力電池的未來市場創造了無限的商機,其輝煌的市場前景是無法估量的。


            混合動力汽車


            電動汽車是以車載電池為動力,依靠大功率電動機提供動力的新型交通工具。電動汽車具有污染小至無污染、動力源多樣化、能量利用率高、使用維修方便等優點,被認為是二十一世紀最具應用前景的潔凈車型,越來越受到當今社會的認可和青睞。一般把電動汽車分為純電動汽車(EV)、混合式電動汽車(HEV)和燃料電池電動汽車(FCEV)三大類。EV的動力來自于各種蓄電池。HEV的動力來源于兩種或兩種以上的不同能源,如蓄電池和汽油發動機或柴油發動機。這些能源可分別用作汽車的動力能源,也可相互協作來驅動汽車。按照電池相對于燃油發動機的功率比大小,HEV可以分為助力型(輕度混合)雙模式型(中度混合)和續駛里程延長型(高度混合)。PHEV的動力則來自燃料電池。電池和燃油兩種動力的混合程度不同,對電池的要求也不同。不同類型的電動汽車對動力電池的技術要求如表2所示。


          動力電池技術分析及應用領域


            目前,大部分電動汽車的動力電池采用鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池。其中,鉛酸蓄電池的技術最為成熟,但其能量密度和功率密度不高,不適合電動汽車的應用。就當前技術水平看,鎳氫電池的綜合優勢最為明顯,國際上知名汽車制造廠家如日本豐田,美國通用和德國大眾等,大部分選用鎳氫動力電池作為HEV的動力電池,如已經上市的Prius等車型。這表明大功率鎳氫動力電池技術已基本成熟。由于鋰離子電池具有重量輕、單體電池電壓高等優點,是業內公認的動力汽車電池的新的發展方向。目前,松下、LG化學、NEC等日韓企業正在積極開發錳酸鋰電池作為電動汽車的動力電池;而Asystem123和比亞迪等企業的發展方向是磷酸鐵鋰動力電池。各大汽車企業均將鋰離子電池作為未來的發展重點。目前,已經上市的安裝有鋰離子電池的汽車車型詳見下表。鋰離子電池很有發展前途,有可能在將來代替鎳氫電池組,但在安全性、循環穩定性和生產成本等方面尚有很多工作要進一步完善。


            軍事領域


            由于高科技在軍事上的廣泛應用,現代戰爭已成為以數字化、信息化武器為主的高科技戰爭。這種戰爭模式使得高效、高比能量密度和可快速充填燃料的軍用能源成為現代戰場上的迫切需要。當今世界各國對高能動力電池的技術開發一直在緊張進行,如新型鉛酸電池、鋰離子電池和燃料電池的使用。


            鉛酸蓄電池是常規潛艇水下動力電源及輔助電源,也是核潛艇的應急電源。鉛酸蓄電池由于具有技術成熟、性能可靠、制造成本低等顯而易見的優勢,仍是當今世界各國常規動力潛艇最為普遍使用的蓄電池。但是,現代潛艇用鉛酸蓄電池存在充電時間長、高倍率充放電效率不高、比能量和比功率不高的缺點。根據新一代潛艇的要求,需要開發更加先進的鉛酸電池,以滿足潛艇機動作戰需求,提高和完善常規潛艇戰術使命。


          動力電池技術分析及應用領域


            美國航空航天局研制的一架無人駕駛飛機太陽神號,使用燃料電池作為動力,創造了世界飛行高度的紀錄,飛抵32 160 m高空。美國波音公司與美國國防高級研究計劃局簽訂了無人機燃料電池動力系統開發合同,按設計要求新型燃料電池的無人機將延長無人機在空中連續飛行時間,由幾十小時到數周。西門子燃料電池在德國AIP系統潛艇上的應用較為成熟。2003年4月試航的212A型U3l潛艇,其為世界第一艘現代化AlP質子交換膜燃料電池潛艇。


            在美國,鋰離子電池已成為美軍標準電池系列之一。美國Yardney公司已為水下軍事裝備研制了三款鋰離子動力電池,包括:(1)UUV電池系統,總能量10 kWh。共360只單體,單體容量8 Ah;(2)75 kW級電動魚雷用鋰離子電池,由100只正棱柱形單體電池串聯起來,該電池組提供電流為250 A,電池組最大重量比功率為650 W/kg;(3)微型潛艇用高性能鋰離子電池系統,2005年首次安裝于ASDS-1艇,鋰離子電池總能量1.2 MWh,單體電池重量比能170~200 Wh/kg。除此之外,Yardney公司生產鋰離子電池組已廣泛應用到聲納浮標、聲波發射器、深潛器等水下裝備。


            未來,新能源汽車的健康與規模化推廣應用很大程度上取決于高安全、高續航里程的動力電池的支撐力度。當前,新能源汽車動力電池技術進步受國家政策、外部競爭的雙重壓力驅動,這就要求現有三元鋰動力電池技術持續提升,同時也需要新的鋰離子電池的技術攻關和突破,以實現顛覆性的革新。對動力電池企業說,現在是最好的時期,也是最壞的時期。智電汽車認為,電池能量密度的“攻堅戰”已經打響,動力電池行業格局將洗牌。未來企業要進入競爭力梯隊,需要重點做好兩點:一是要轉變思維方式和“居安思危”,由粗放規模化發展向“技術和規模化”并重的發展模式轉型,加速全固態鋰電池或新鋰離子電池技術儲備;二是要注重產品的安全性,既要加強與整車企業的合作,同時要規避“高田氣囊”事件在動力電池行業上演。

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