动力电池的研究现状及发展趋势(2)

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Ni-Cd蓄电池由于镉的污染,目前欧盟各国已禁止用于动力电池。Ni-Cd蓄电池的性能也不

断的提高,其容量已由20世纪70年代的50mAh提高到900～1000mAh。目前欧美等各国已将镍镉蓄电池应用到航天事业,现在中国已将应用到军事和民航35个机种的数百架飞机以及中国自制研制的“直九”系列。自70年代开始也将全密封式镉镍蓄电池应用到研制航天事业中,且应用于国内第一颗中低轨道的太阳同步轨道卫星FY-1电源系统。经过近30年的艰苦研制,研制的卫星用镉镍蓄电池组相继发射成功,已经为我国16颗卫星(飞船)研制了贮能用镉镍蓄电池,为我国航天事

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业的发展作出了贡献。而且,镉镍蓄电池也已进入国际航天市场,已成功应用于瑞典FREJA卫星和ODIN卫星。迄今已经形成一个完整的航天全密封镉镍蓄电池单体产品系列,满足了我国备类卫星和飞船研制的需要。镉镍蓄电池作为空间飞行器电源系统主要的贮能装置,占据着空间贮能电源的主导地位。我国至今发射的所有长寿命卫星(6个月以上)主贮能电源都是选用的镉镍蓄电池,神舟飞船也是选用镉镍蓄电池作为贮能电源的。

目前Ni-Cd蓄电池正向两个方向发展:(1)向高比容量方向发展,与镍氢电池、锂电池争夺市场;(2)向低成本方向发展。但镉的污染问题严重制约了它的发展。所以世界各国建议将逐渐取代镍镉蓄电池的地位。

3　镍氢电池

3.1　工作原理和性能特点

镍氢电池(Ni-MH电池,镍金属氢化物电池)和同体积的镍镉电池相比,容量增加一倍,充放电循环寿命也较长,并且无记忆效应。镍氢电池以金属氢化物为负极活性材料,以Ni(OH)2为

　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)

3位)。中国的镍氢电池研究处于世界前列,目前国家科委已将镍氢蓄电池作为重点项目,很多公司企业正在筹备生产镍氢电池。美国和荷兰都对能吸藏氢的台金MH(HYdrogenStoringalloymeta1)开展研究,并试图用于开发蓄电池。世界上出现Ni-MH蓄电池商品是在20世纪90年代初,发展却十分迅速。实践证明,通过适当组合La、Ce、Pr和Nd等稀土元素能形成吸藏氢的合金MH,它所能释放吸藏的氢H1mL的液2量相当大,例如,体氢能变成784mL的氢气而1mL体积的吸藏氢的合金MH却能释放出1000mL的氢气。目前的研究重点主要是贮氢合金A侧混合稀土中各组元的相对含量、合金中杂质元素的影响、合金和电极的表面预处理研究等方面。另外,B侧中的元素Co由于价格昂贵,虽然含量不足10%,所占约材料的50%,寻求代替元素进一步降低成本的研究工作仍在进行不懈的努力。

日本从事电动汽车用Ni-MH电池开发的代表性厂家为松下公司和丰田公司,美国的Ovonic公司和美国USABC(美国先进电池联合体)也正在积极开发研制Ni-MH电池。Ni-MH电池优越的性能极具吸引力,除了技术不太成熟外,比其它电池更具发展潜力,所以很多厂家正在研发Ni-MH电池,它是电动汽车发展中期目标的主要能源之一,具有很大的发展前景。今后Ni-MH电池的研究方向是使其寿命进一步延长,改善其低温和高温性能。2009年1～10月,碱性蓄电池累计产量同比下降20.6%,比1～9月收窄1.1个百分点。

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锂与适当的正极材料匹配构成的锂离子电池,与铅酸蓄电池、Ni-MH电池相比有以下优点:具有能量大、密度高,达到160Wh/kg,是Ni-MH电池的2倍,铅酸蓄电池的4倍,目前报道的最高

比能量可达到180Wh/kg;循环使用寿命长(500～1000/次);无污染,电池材料没有有毒物质;工作温度范围宽约-40～70℃;无记忆效应,储存时间长(可达10～15年);工作电压高,单体可达到3.6V,是Ni-MH电池的三倍;体积小,重量轻,体积能量密度可达到340Wh/L,相比在同容量下的体积比Ni-MH电池小30%,质量是铅酸蓄电池的1/4。锂电池的缺点是大容量和高电压串联使用的安全性问题,这正是目前国内外锂离子电池的研发重点。另外一点是价格高,但是已与Ni-MH电池接近,并且还有较大的下降空间4.2　应用领域

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由于锂离子电池的优点,目前锂离子电池的发展势头极为迅猛,已应用笔记本电脑、移动电话、录像机、小型医疗保健设备、卫星电话、摩托车、自行车、照相机等领域,锂离子电池在电动汽车、航空、航天、航海和军事领域的应用研究也正在积极开展。目前由于国内矿难爆炸事故中,有80%是由于矿灯打火,因此湖北省武汉市现代能源科技有限公司开发了新型锂聚合物锂离子动力电池矿灯

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4.3　现状和发展趋势

近年来,随着一些无人电子装备(如无人水下航行器、无人机)、电动工具、电动汽车等发展的需要,其动力核心蓄电池正受到越来越多的关注。而锂离子电池以其高比能量、长循环寿命、自放电小、无记忆效应和绿色环保等优点备受青睐。日本索尼公司生产的锂离子电池在性能上和品种上已经具备相当高的水平。该公司生产的圆柱型单体电池分为高能型和高功率型。其中高能型电池的比能量为110Wh/kg,80%DOD的比功率300W/kg,充放电次数1200次。高功率型的圆柱电池80%DOD的比功率高达800W/kg,法国萨弗特公司的圆柱型单体锂离子电池比能量达到143Wh/kg,80%DOD的比功率为345W/kg,德国瓦尔塔公司也在研制高能量密度型和高功率密度型电池。高能密度型电池为方型,容量为60Ah,比能量为115Wh/kg,使用寿命900次(100%DOD).随着技术的发展,锂离子电池的性能指标将会越来越高。目前锂动力电池最热门的应用是电动汽车。当前许多世界著名汽车厂商都致力于开发纯电动汽

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4　锂电池

4.1　工作原理和性能特点

锂电池最早出现于1958年,20世纪70年代进入实用化。20世纪80年代趋向研究锂离子电池,以后就日益发展。目前锂离子电池中已经投产的有液体锂离子电池(LiB)和聚合物锂离子电池(PLiB)两种。锂离子电池的正极材料有LiCoO2、LiNiOiMnOiNioiNion2、L2、LxC(-1x)O2、L1/3C1/3M1/3OiFePO2、L4。等化合物,负极材料一般采用能嵌入锂的石油焦碳、纯石墨和层状混合碳等材料。充放电的化学反应式为:

+-充电:LiMeO※LieO+xLi+xe;C1-xM6+xLi+xe※LiCx6

放电:LieO+xLi+xe※LiMeO;1-xMLixLi+xexC6※C6++

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王少龙,等　动力电池的研究现状及发展趋势

车(EV)及混合动力汽车(HEV),而大部分采用的是锂动力电池。特别是我国863新能源汽车重大专项的实施,更是把我国的锂动力电池行业推向了行业前沿,为锂动力电池展开了广阔的市场前景。按照我国新能源汽车的发展目标,到2012年,国内的新能源汽车年产将达到100万辆以上,对锂动力电池的需求将达5000兆瓦时以上。在2009年的上海车展上,国内不少厂家都推出了锂动力汽车,其中BYD的E6采用高安全性磷酸铁锂材料,将在2009年年底上市。此外,我国作为自行车大国,电动自行车用锂动力电池也在国内有着非常大的市场应用前景。除了民用领域,在航天及军事应用中,锂动力电池也有广阔的前景。锂离子电池一直被称为第三代航天电源

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化剂作用下发生还原反应,并从外电路接受电子。电解液用于传递燃料反应的离子和电子。其反应过程为

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阴极:H2OH※2H2e;2+2O+阳极:H12O2e※2OH2O+2+总反应:H12O2O+2※H2O

燃料电池是一个能量生成装置,并且一直产生能量,直到燃料耗尽。它的优越性在于高效率的把燃料转化为电能,工作安静。以纯氢为燃料时可以实现零排放,燃料补充迅速,并且燃料容易获得。缺点是现在的应用技术还需要进一步的提高,还存在一定的安全问题和价格问题。与普通的电池比较,燃料电池不需要充电,它没有复杂的运动结构,生成物主要是水,因此运行平稳且无污染。因而燃料电池具有高效率、装备质量轻、清洁无污染、无需充电、工作可靠、寿命时间长等优点,十分适宜于汽车上的使用5.2　应用领域

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,世界各国都对锂离

子电池在空间领域的应用进行了研究和评估,

NASA、ESA、JAXA都已经进行了多年的工作,并由英国在STRV-1d小型卫星上首先使用了锂离子电池作为贮能电源。我国在2008年发射的神七伴星也采用了锂离子电池作为贮能电源。目前,全世界已经有20多颗卫星采用了锂离子电池作为贮能电源,计划采用锂离子电池的有10多颗,而随着锂离子电池的材料和技术的成熟,将会有更多的航天器采用锂离子电池作为贮能电源。当然,锂动力电池的使用还是存在一定的问题的,主要是昂贵的价格和“娇气的性格”—由于不能承受过充过放而需要复杂的管理系统进行充电和维护,特别是电池容量大,串并联只数多的情况下,这一问题更为突出。但相信随着LiFePOii4、L4T5O12等一系列长寿命、高安全的锂离子电池材料的推广应用,电源管理技术的日益成熟,锂动力电池必将在不久的将来发挥更大的作用。

今后的研究重点:开发高性能材料;创造电极与电池制备的新工艺;解决聚合物电解质和固体电解质电池的理论与技术难题;将小型化电池过度到电动车辆电池的开发中去。

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燃料电池近几年来的应用与发展逐渐开花结果,不但提升了供电性能,其应用亦已深入至人们每日的食衣住行。小至行动电话、冰箱、空调、电视机、微波炉、膝上型计算机等;大至航天飞机、高楼大厦、发电厂等都有燃料电池发挥的空间。总之燃料电池可用于移动电源、电动汽车、洁净电站、宇宙飞船和太空基地等各个方面。5.3　现状和发展趋势

在此依各种不同的应用,将燃料电池分为以下

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几种类型。

1)固定式发电。目前全世界已有超过2500个燃料电池发电系统正在运作,供应医院、疗养院、旅馆、办公大楼、学校、机场及发电厂等之主要或备援的电力。

2)住宅用电。燃料电池技术用于重要地区之高压输配电线路网的辅助电力或备用电力,或是用在独立于电力网之外的偏远地区或电力电缆难以到达的现场之电力供应等。此外,由于燃料电池运作时几乎无噪音,空气污染近乎零,而且排放的废热还可以回收用于产生热水及暖气,故特别适于家居之应用。现行许多正在测试的原型系统或住宅示范案例,均采用原地供应的天燃气或丙烷作为燃料。

3)交通运输。所有的汽车主要大厂均在发展燃料电池车辆(FuelCellVehicle),有的已进入试产阶段。本田(Honda)与丰田(Toyota)汽车均已在美国加州及日本当地开始经营出租FCV的业

5　燃料电池