動(dòng)力電池技術(shù)分析及應(yīng)用領(lǐng)域

　　電動(dòng)化大趨勢(shì)愈演愈烈，我國(guó)通過政策的引導(dǎo)和扶持，已經(jīng)成為全球最大的新能源汽車市場(chǎng)。眾所周知，新能源汽車的重要瓶頸在于電池的續(xù)航里程。在此背景下，國(guó)家出臺(tái)了《促進(jìn)汽車動(dòng)力電池發(fā)展行動(dòng)方案》、《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》，鼓勵(lì)高能量密度電池的使用，近期《外商投資產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄（2017年修行）》政策提出解除純電動(dòng)汽車合資企業(yè)限制以及取消汽車電子和動(dòng)力電池股比限制，這也是促進(jìn)新能源汽車市場(chǎng)推廣應(yīng)用高能量密度電池的重要舉措。

　　電池是一門非常深的學(xué)科，因?yàn)檫@東西從發(fā)明起便在我們的生活中有著非常非常廣泛的應(yīng)用，比如3C、比如儲(chǔ)能。

　　動(dòng)力電池是指具有較大電能容量和輸出功率，可配置電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)設(shè)備及工具驅(qū)動(dòng)電源的電池， 通常也包括軍事（潛艇， 高級(jí)智能機(jī)器人等） 及企事業(yè)單位使用的蓄能設(shè)備通訊指揮系統(tǒng)的常備電源等。隨著新興的電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車的開發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)、新型潛艇及無人水下航行器（UUV）的發(fā)展，使得社會(huì)對(duì)新型綠色動(dòng)力電池的需求大幅度增加。當(dāng)前國(guó)際上，應(yīng)用得最為廣泛的動(dòng)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(dòng)力電池各具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域

　　動(dòng)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(fā)明，是最早得到應(yīng)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(jìn)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(tǒng)的鉛酸蓄電池有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是在使用壽命期間，需不斷加水維護(hù)；二是由于富液有漏酸危險(xiǎn)不能任意方向放置。經(jīng)過不斷研究，20世紀(jì)中期，發(fā)明了膠體電解質(zhì)技術(shù)和免維護(hù)密封技術(shù)：1955年德國(guó)陽光公司首次把凝膠電解質(zhì)技術(shù)用于鉛酸電池并投放市場(chǎng)。20世紀(jì)60年代中期該公司開發(fā)出“Dryfit”實(shí)用膠體電解質(zhì)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(fā)表。1972年美國(guó)Gates公司的D.H McLelland和J.L.Devitt發(fā)明了吸附式超細(xì)玻璃纖維隔板（AGM），從實(shí)踐上解決了電池內(nèi)部氧氣的復(fù)合循環(huán)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(dòng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的富液式鉛酸蓄電池（電解液可自由流動(dòng)），閥控式鉛酸蓄電池為貧液式電池。此后的30多年內(nèi)，VRLAB電池得到迅速發(fā)展，在電力、鐵路、船舶、通訊等各個(gè)專業(yè)部門中得到了廣泛應(yīng)用。VRLA技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了鉛酸蓄電池的發(fā)展，使之進(jìn)入了一個(gè)繁榮發(fā)展的時(shí)期。

　　鉛酸蓄電池是所有化學(xué)電源中技術(shù)最成熟的電池，它具有價(jià)格低廉、安全性高、大電流放電性能好、電池回收率高等優(yōu)點(diǎn)，己廣泛用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、通信行業(yè)、電力工業(yè)后備電源、鐵路內(nèi)燃機(jī)車等領(lǐng)域。然而，由于比能低、不夠環(huán)保等缺點(diǎn)，鉛酸電池新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)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(fù)極添加劑、超級(jí)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(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但廢舊的鎳鎘電池存在鎘污染的風(fēng)險(xiǎn)，大大限制了其應(yīng)用，歐盟各國(guó)已禁止將鎳鎘電池用于動(dòng)力電池，基本處于淘汰邊緣；鎳鋅電池在充電時(shí)，負(fù)極鋅容易產(chǎn)生枝晶，而導(dǎo)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(dòng)力電池。目前鎳氫電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的電動(dòng)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(zhì)為氫氧化鎳，負(fù)極活性物質(zhì)為貯氫合金，電解液采用6 M的氫氧化鉀溶液。其電化學(xué)式可表示為：

　?。?）M/MH︱KOH︱Ni（OH）2/NiOOH（+） 充電時(shí)， KOH電解液中的氫離子（H+）會(huì)釋放出來，由儲(chǔ)氫合金吸收，正極由Ni（OH）2變成NiOOH和H2O；放電時(shí)氫氣在負(fù)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(huán)保污染、壽命長(zhǎng)等也是鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)。

　　但是，由于原材料鎳和儲(chǔ)氫合金非常昂貴，因此鎳氫電池的成本較高，價(jià)格成為制約鎳氫電池發(fā)展的主要因素。鎳氫電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)表現(xiàn)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(fù)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(fù)極的鋰離子電池；1991年， 日本索尼能源技術(shù)公司與電池部聯(lián)合開發(fā)了以聚糖醇熱解碳（PFA）為負(fù)極的鋰離子電池；1993年，美國(guó)Bellcore公司首先報(bào)道了聚合物鋰離子電池。

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

　?。?）負(fù)極，在放電時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)用較多的是碳材料；

　?。?）正極，放電時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)，采用較多的是過渡金屬氧化物，如LiCoO2；

　　（3）電解液，為離子運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)輸介質(zhì)；

　?。?）隔膜，為正負(fù)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(fù)極集流體。

　　與其他動(dòng)力電池相比，鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)十分明顯：

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

　　6）可快速充放電；

　　7）充電效率高?？蛇_(dá)100%；

　　8）工作溫度范圍寬，為-25Co~70Co；

　　9）沒有環(huán)境污染，稱為綠色電池；

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

　　因此，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、軍用產(chǎn)品、航空產(chǎn)品等。然而，伴隨著鋰離子電池爆炸、起火等事故報(bào)道，安全問題已經(jīng)成為鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題。鋰離子電池內(nèi)部存在著一系列潛在的放熱反應(yīng)，這是誘發(fā)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(jìn)或制約鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。

　　燃料電池

　　燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。與一般傳統(tǒng)電池一樣，也是依據(jù)電化學(xué)原理而工作的發(fā)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(xù)不斷地提供電能。燃料電池中不存在熱機(jī)過程，即不受卡諾循環(huán)的限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率很高，并且其反應(yīng)過程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染，產(chǎn)物只有水。

　　燃料電池的種類繁多，基于其電解質(zhì)性質(zhì)的不同，可以將其分為質(zhì)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(fā)電技術(shù)，燃料電池有如下特點(diǎn)：

　　1）能量轉(zhuǎn)化效率高：燃料電池中燃料不經(jīng)過燃燒直接轉(zhuǎn)化成為電能，不受卡諾循環(huán)限制，所以燃料電池比普通熱機(jī)的效率高，能量轉(zhuǎn)換效率理論值高達(dá)60％以上，實(shí)際使用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。

　　2）環(huán)境友好：燃料直接經(jīng)過燃料電池電化學(xué)反應(yīng)，與空氣中產(chǎn)生水，在這個(gè)過程中幾乎不排放氮氧化物（NOx）和硫氧化合物（SOx）等環(huán)境污染物，而且燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有可移動(dòng)部件，噪聲振動(dòng)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(shì)，應(yīng)對(duì)以石油和煤炭等化石能源的日益枯竭問題。

　　4）應(yīng)用領(lǐng)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(chǔ)尺寸決定）之間隨意地縮放，可以很容易地從1 W級(jí)做到MW級(jí)，應(yīng)用于便攜式電源、分布式發(fā)電站和集中式發(fā)電站，也應(yīng)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(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)備受各國(guó)政府和各個(gè)公司的青睞，將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。燃料電池為動(dòng)力汽車提供了最有效、最環(huán)保的車載動(dòng)力，但是要實(shí)現(xiàn)燃料電池的廣泛應(yīng)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(chǔ)存運(yùn)輸難題，以及電池循環(huán)使用壽命短的問題。

　　性能對(duì)比

　　這些動(dòng)力電池各具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。常見動(dòng)力電池的主要技術(shù)特性見表1