动力电池的研究现状及发展趋势

　2010年4月云南冶金Apr.2010

第39卷第2期(总第221期)YUNNANMETALLURGYVol.39.No.2(Sum221)

动力电池的研究现状及发展趋势

王少龙,侯　明,王瑞山

(云南驰宏锌锗股份有限公司,云南　曲靖　655011)

　　摘　要:世界能源日趋枯竭,随着科学技术的迅猛发展和环保意识的日益增强,动力电池的研发应用已变得至关重要。文章综述了几种常见的动力电池的工作原理和性能特点,讲述了动力电池的应用领域及发展趋势,使人们对动力电池有一个全面的认识。

关键词:动力电池;工作原理;应用领域;发展趋势

中图分类号:TD462　文献标识码:A文章编号:1006-0308(2010)02-0075-06　

ResearchSituationandDevelopmentTrendofPowerBattery

WANGShao-long,HOUMing,WANGRui-shan

(YunnanChihongZn＆GeCo.,Ltd.,Qujing,Yunnan655011,China)

ABSTRACT:Withtheenhancedconsciousnessofenvironmentalprotection,rapiddevelopmentoftechnologyandtheexhaustingof

worldenergy,thedevelopmentandapplicationofpowerbatteryarebecomingmoreandmoreimportant.Theworkingprinciples,performancecharacteristicsandapplicationareaofsomenormalpowerbatterieshavebeenconcludedinthispaper.Thedevelopmenttrendofpowerbat-teryhasbeendiscussedfurthermore.Thispaperrepresentsacomprehensiveacquaintanceaboutpowerbattery.

KEYWORDS:powerbattery;workingprinciple;applicationfields;developmenttrend

当今,全球的石油储量仅能供人类使用40年左右,全球石油危机日益严重,且随着科技的迅猛发展和环保意识的日益增强,因此,国内新能源动力电池产业发展势头强劲。动力电池是指具有较大电能容量和输出功率,可配置电动自行车、电动汽车、电动设备及工具驱动电源的电池,通常也包括军事(潜艇,高级智能机器人等)及企事业单位使用的蓄能电池设备、通讯指挥系统的常备电源[1]

等。根据动力电池的使用特点、要求、应用领域不同,国内外动力电池的研发种类大致为:铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、燃料电池。动力电池之所以成为当今世界的研究热点,主要由于私家汽车大量增加,环境污染日益加剧;同时石油资源匮乏,迫使世界各国寻找新能源,发展新的交通工具,因此,动力电池和电动交通工具的发展被放在更加重要的位置。

1　铅酸蓄电池

1.1　工作原理和性能特点

铅酸蓄电池(RLAB)的正极为PbO2,负极为海绵钛Pb,电解液为稀硫酸溶液理为:

正极:PbSO2H※PbO3H+HSO4+2O2+4+2e;

负极:H+PbSO2e※Pb+HSO4+4+2HSO4

--+

-[2]

。其反应机

总反应:2PbSO※Pb+PbO4+2H2O2+H

铅酸蓄电池使用了近百年,是目前唯一大量使用的车载动力电池,与其它动力电池相比较有如下优点:具有性能可靠,技术成熟,价格便宜;大功率性能优异,电压平稳,安全性好;维护简便或者免维护;适用范围广、原材料丰富;自放电低,一

＊收稿日期:2009-12-20

作者简介:王少龙(1975-),男,山东龙口人,工程师,主要从事稀贵金属冶金。

　2010年4月云南冶金Apr.2010

第39卷第2期(总第221期)YUNNANMETALLURGYVol.39.No.2(Sum221)

般充电后搁置四个月损失不超过10%,回收技术成熟。其规模化应用的主要障碍是能量密度低,循环寿命短,质量重,过充、过放电性能差等

[3]

展,向提高产品的综合性能、绿色环保方向发展,特别是提高密封铅酸蓄电池的可靠性,使其成为新型12V和36V实用化汽车动力电池。未来市场应对铅酸蓄电池的要求是高起动能力、大容量、高功

率、免维护、长寿命、耐高温、高电压等系统。在某种程度上,铅酸电池时代可以称得上是电动汽车用电源的起步和过渡阶段。在2008年,国内铅酸电池厂商多年来凭借价格和渠道优势,市场已经有了不错的业绩,但是它们并不会安于现状,在加大研发力量的基础上,逐步走向高附加值市场。数据爆炸所带来的对数据中心设备以及对供电系统的压力都是今后铅酸电池发展中需要重点解决的问题,铅酸电池技术也会更多的向节能、绿色的方向发展。

。

但有电池产业专家评价称,从时间发展序列来讲,铅酸蓄电池不符合未来环保、高效的需要,将逐渐被淘汰。1.2　应用领域

小型铅酸蓄电池主要用于便携式家用电器,如手提式吸尘器、磁带录像机、电动玩具、报警器、应急照明等,也大量用于计算机和小型不间断电源。中型铅酸电池多用于起动、照明、点火等,如汽车、高尔夫车和自动导向车等都用这类电池。而大型铅酸蓄电池也广泛应用于邮电通讯、瞬时备用电源、大型UPS电源、太阳能和风能发电系统的配套能源,在负载调峰用电方面也有较多应用。同时,铅酸蓄电池(AGM-VRLA和Gel-VRLA)在国内主要应用于电动自行车、电动巴士等。1.3　现状和发展趋势

铅酸电池诞生于1860年,目前正在开发的电动汽车用先进铅酸蓄电池主要有以下几种

[4]

2　Ni-Cd电池

2.1　工作原理和性能特点

早在1899年,Ni-Cd蓄电池就已发明,于1947年实现完全密化的Ni-Cd蓄电池,一直应用至今。长时间的应用表明,Ni-Cd蓄电池不失为一种高性能和高可靠性的蓄电池。如今的Ni-Cd蓄电池,在发泡镍或镍纤维状基体上附着大量NiOOH括性物质作为正极,以重金属镉Cd作为负极,一同置入电解液(KOH溶液)中,经密封后构成蓄电池。该蓄电池容器内,进行的电化学反应

[6]

如下:

:1)

水平密封铅酸电池,美国Electrosour公司开发的。2)双极型密封铅酸电池,美国PLriasReSearchAs-sociates公司与加州喷气推进实验室开发。3)卷式电极铅酸电池,瑞典OPTIMA公司和美国EXIDE分别研制。近年来,铅酸蓄电池的性能参数大大提高:容量可1Ah～20KAh,质量比能量30～45Wh/kg,体积比能量80Wh/L,循环使用寿命约为250～1600次,无记忆效应

[5]

。铅酸蓄电池作为车

这个电化学反应的特征在于,明明看到作为电解液成分的KOH,但它并不直接参与电化学反应。由于制造蓄电池时使负极的容量大于正极的容量,

当过充电时只能看到由正极产生的氧(O;因为2)负极残留未被充电部分,不产生氢(H;由于产2)生的氧(O2)被负极吸收,所以可以实现密封。从Ni-Cd蓄电池的电化学反应机理得知,它是依靠OH-离子快速移动,反应比铝酸蓄电池平稳。因此,它的重要特征是放电容量尽管在大电流放电时也不出现低下现象(可维持1.2V端电压)。结晶结构基本上不因充放电而变化,使用寿命较长。

Ni-Cd蓄电池的质量比能量可达到45Wh/kg,体积比能量160Wh/L,比功率超过200W/kg,可快速充电,循环使用寿命为500～1000/次,具有记忆效应且Cd是有毒物质,为铅酸蓄电池的两倍以上;具有良好的大电流放电和低温性能

[7]

载动力,占有主要的市场。目前全球密封铅酸动力

蓄电池的年销售额大约在110亿美元,其中美国,日本,西欧等发达国家密封铅酸动力蓄电池的比例超出传统的富液式铅酸蓄电池,而发展中国家正好相反。并且,铅酸蓄电池主要用于轻度混合的HEV,电池电压为36V,容量为50～60/Ah。在中混合和全混合方面,

ALABC组织了澳大利亚

CSIRO、美国Hawker公司对VRLA动力电池进行了几年的攻关,提出了解决方案,并在丰田Prius、本田Insight等HEV上作了两年多的道路运行试验,证明性能良好,成功用卷绕式VRLA电池代替了MH-Ni电池。中国的电动自行车电池几乎全部采用铅蓄电池。2009年1～10月,铅酸蓄电池累计完成产量同比增长17.8%,比1～9月提高1.2个百分点

今后铅酸蓄电池应由少维护向免维护方向发。

王少龙,等　动力电池的研究现状及发展趋势

2.2　应用领域

镍镉蓄电池的应用仅次于铅酸蓄电池,主要应用于通讯工具、电动工具、数码仪器等仪器,如:手电筒、无绳电话、移动电话、对讲机等通讯设备、电动工具、应急灯、草坪灯、医疗器械、家用电器等领域,尤其在电动玩具、电动工具、应急照明。航空碱性镍镉蓄电池是飞机、直升机的机载应急电源。Ni-Cd蓄电池大量使用在小型直升机、歼击机等大型运输机上,还广泛的应用于导弹、火箭及军事人造地球卫星的能源系统2.3　现状和发展趋势

[8]

正极活性材料,以氢氧化钾水溶液为电解液。其充放电机理为:充电时由于水的电化学反应生成氢原子,立即扩散到合金中,形成氢化物(MH),实现负极贮氢;镍电极活性物质Ni(OH)2释放出一

个电子,变为充电态的NiOOH。而放电时氢化物分解出的氢原子又在合金表面氧化为水,电过程中的电化学反应如下

-[10]-

NiOOH

吸收一个电子还原为Ni(OH)2,镍氢电池在充放

正极:Ni(OH)OH※NiOOH+H+e;2+2O负极:M+xHxe※MHx+xOH2O+

电池的总反应:M+xNi(OH)H2※Mx+xNiOOH

Ni-MH电池具有以下特点:比能量高,是Ni-Cd蓄电池的1.5～2.0倍,大约在60～80Wh/kg;工作电压1.2V,与Ni-Cd蓄电池相同;可快速充电、放电;体积比能量130～170Wh/L;循环使用寿命500～1000/次;可以取代有毒、废电池难以处理的Ni-Cd蓄电池,被誉为“绿色环保电池”;具有大容量、大功率的驱动型电池,同时又是一种物质“活性”较强、容易外逸、封装技术要求很高的电池。规模化应用的主要障碍是成本高,高温性能较差等。3.2　应用领域

Ni-MH电池的应用较为广泛,凡是应用Ni-Cd蓄电池的领域均可使用Ni-MH电池。这些Ni-MH蓄电池可装配成多种电池组,可以满足电子设备日益增长的便携性需求。例如,NiMH蓄电池非常适合于大电流放电需求,如便携式打印机、医疗设备,远程通信设备,军用电子、笔记本电脑和数码AV机器(数码相机、数码摄像、数码音频播放机)等,都可应用Ni-MH蓄电池。应用前景限定在不严格计较重量的重负载应用领域,例如混合电动车辆(hybridelectricvehicles)、电动车辆、军事野营、抗灾(水灾、地震等)现场用电等方面将

[11]

发挥出不可替代的重要作用。3.3　现状和发展趋势

镍氢电池于1988年进入实用化阶段,1990年在日本开始规模生产,此后产量成倍增加,镍氢蓄电池得到迅速发展。椐日本野村综合技术研究所统计分析,早在1997年时,全球小型蓄电池市场规模已突破5000亿日元大关,锂离子蓄电池LIB拥有2000亿日元以上的市场(居第l位),古老的镉镍蓄电池约占1800亿日元(已由统治地位跌落到第2位),镍氢蓄电池维持1200亿日元左右(居第