蓄電池技術(shù)將要發(fā)生的兩次巨變
???? 鋰離子電池的充、放電機(jī)理完全不同于鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和鎳氫蓄電池。后三種常用蓄電池是通過電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，變換出其他化合物來儲(chǔ)存電能。而鋰離子電池則是通過涂布在電極上的活性材料存儲(chǔ)和釋放鋰離子，即通過鋰離子在電極活性材料上的“嵌入”和“脫出”，通過所謂“嵌脫現(xiàn)象”來存儲(chǔ)電能。
由于近一時(shí)期研究機(jī)構(gòu)相繼發(fā)現(xiàn)了很多種可存儲(chǔ)（即嵌入）、釋放（即脫出）離子的電極活性材料、固態(tài)電解質(zhì)和聚合物隔膜，再加上人們對(duì)這些新發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的深入研究，再在此基礎(chǔ)上又對(duì)蓄電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新改造，所以，“嵌脫式離子蓄電池”的性能得到迅猛提高。
日本、美國(guó)和德國(guó)學(xué)者普遍預(yù)計(jì)，到2015年、2030年這兩個(gè)年份，嵌脫式離子蓄電池組的制造成本將會(huì)降至現(xiàn)在價(jià)格的1/7和1/40。目前，國(guó)外許多科研機(jī)構(gòu)正加緊對(duì)這種蓄電池組的技術(shù)實(shí)用化研究，有的已處于等待工業(yè)化的階段。換句話說，有望從本世紀(jì)中頁(yè)起，嵌脫式離子電池組的性能、結(jié)構(gòu)和制造成本肯定會(huì)滿足人們對(duì)于高壓、大容量離子蓄電池組所寄予的厚望，使BEV、PHV能在性能、價(jià)格上真正與已采用了各種先進(jìn)技術(shù)、還在不斷進(jìn)步的M1類汽油機(jī)乘用車競(jìng)爭(zhēng)，并得以按市場(chǎng)規(guī)律大量生產(chǎn)（不是靠政府或民間機(jī)構(gòu)資助），從而降低汽車的污染物和溫室氣體的排放量，改變汽車的“食物”結(jié)構(gòu)，使汽車的行駛能耗費(fèi)用大幅度下降。
研究發(fā)現(xiàn)，可利用于“嵌脫反應(yīng)”的許多無機(jī)固體電解質(zhì)導(dǎo)電率非常高，非常適于制造可快速充電的高電壓、高能量密度的電池。
《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》提出，在未來3年內(nèi)，我國(guó)將形成50萬輛各類電動(dòng)汽車的產(chǎn)能。要完成這項(xiàng)任務(wù)，離子蓄電池組的產(chǎn)能必須先行達(dá)到。可是，我國(guó)有這種先進(jìn)電池的研發(fā)和生產(chǎn)規(guī)劃嗎？若要生產(chǎn)，是液態(tài)電解質(zhì)的“鐵電池”？還是疊層型固體電解質(zhì)鋰離子蓄電池？不得而知。日、德汽車業(yè)界已將未來電動(dòng)汽車的動(dòng)力來源鎖定在“疊層型固體電解質(zhì)鋰離子蓄電池”上?？墒?，我國(guó)鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)就連“液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池”所需的隔膜材料至今也不能生產(chǎn)，全部要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴，占到動(dòng)力電池成本的30%以上！近幾年，國(guó)際動(dòng)力電池生產(chǎn)商和跨國(guó)汽車公司普遍組成各類合資公司，共同開發(fā)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池技術(shù)，我國(guó)卻少有這樣的事例。在這樣的基礎(chǔ)上建立起來的50萬輛電動(dòng)車年產(chǎn)能，是獨(dú)立自主型的還是依附型的，不難判斷。
近年發(fā)現(xiàn)的大量?jī)?yōu)秀鋰離子蓄電池或“非鋰蓄電池”的正極和負(fù)極候補(bǔ)活性材料，對(duì)于新一代車用動(dòng)力蓄電池組的研發(fā)、推廣使用至關(guān)重要，也必將推動(dòng)各類電動(dòng)汽車高速發(fā)展。例如，國(guó)外有關(guān)機(jī)構(gòu)最近發(fā)現(xiàn)，“硫化物鋰離子導(dǎo)體”成為晶體物質(zhì)時(shí)，既有很高的鋰離子導(dǎo)電性，又有寬闊的“電化學(xué)窗”，因此，它很有可能成為固體電池的電解質(zhì)（固體電解質(zhì)）。此外，玻璃態(tài)鋰離子固體電解質(zhì)、非整比化合物和其他一些鋰離子蓄電池正極、負(fù)極候補(bǔ)活性材料的發(fā)現(xiàn)，也備受業(yè)內(nèi)重視。
可以肯定的是：
一、將于2015年前后問世的“先進(jìn)型”蓄電池將不會(huì)是“鐵電池”，很可能是不 含鋰化合物的“嵌脫式離子蓄電池”。
二、將于2030年前后面世的“革新型”蓄電池也不會(huì)是“鐵電池”，它應(yīng)是大容量、低成本的 “嵌脫式蓄電池”，它將大量使用新發(fā)現(xiàn)的各類電極活性材料和輔助材料。
飛輪電池
本帖最后由 藍(lán)虎 于 2009-1-24 23:15 編輯
飛輪電池是90年代才提出的新概念電池，它突破了化學(xué)電池 的局限，用物理方法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。眾所周知，當(dāng)飛輪以一定角速度 旋轉(zhuǎn)時(shí)，它就具有一定的動(dòng)能。飛輪電池正是以其動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電 能的。高技術(shù)型的飛輪用于儲(chǔ)存電能，就很像標(biāo)準(zhǔn)電池。飛輪電 池中有一個(gè)電機(jī)，充電時(shí)該電機(jī)以電動(dòng)機(jī)形式運(yùn)轉(zhuǎn)，在外電源的 驅(qū)動(dòng)下，電機(jī)帶動(dòng)飛輪高速旋轉(zhuǎn)，即用電給飛輪電池＂充電＂增 加了飛輪的轉(zhuǎn)速?gòu)亩龃笃涔δ?；放電時(shí)，電機(jī)則以發(fā)電機(jī)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)，在飛輪的帶動(dòng)下對(duì)外輸出電能，完成機(jī)械能（動(dòng)能）到電 能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)飛輪電池公出電的時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速逐漸下降，飛輪電 池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速極高（高達(dá)200000r/min， 使用的軸承為非接觸式磁軸承。據(jù)稱，飛輪電池比能呈可達(dá)150W ·h/kg，比功率達(dá)5000-10000W/kg，使用壽命長(zhǎng)達(dá)25年，可供電 動(dòng)汽車行駛500萬公里。美國(guó)飛輪系統(tǒng)公司已用最新研制的飛輪池 成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動(dòng)轎車，一次充電可行駛 600km，由到96km/h加速時(shí)間為6.5秒。
飛輪儲(chǔ)能電池的概念起源于上世紀(jì)７０年代早期，最初只是想將其應(yīng)用在電動(dòng)汽車上，但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，并沒有得到發(fā)展。直到上世紀(jì)９０年代由于電路拓?fù)渌枷氲陌l(fā)展，碳纖維材料的廣泛應(yīng)用，以及全世界范圍對(duì)污染的重視，這種新型電池又得到了高速發(fā)展，并且伴隨著磁軸承技術(shù)的發(fā)展，這種電池顯示出更加廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)正迅速地從實(shí)驗(yàn)室走向社會(huì)?，F(xiàn)在歐美國(guó)家已出現(xiàn)實(shí)用化產(chǎn)品，而我國(guó)在這方面的研究才剛剛起步。
一、 何謂飛輪儲(chǔ)能電池
飛輪儲(chǔ)能電池系統(tǒng)包括三個(gè)核心部分：一個(gè)飛輪，電動(dòng)機(jī)—發(fā)電機(jī)和電力電子變換裝置。
電力電子變換裝置從外部輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，飛輪儲(chǔ)存動(dòng)能（機(jī)械能），當(dāng)外部負(fù)載需要能量時(shí)，用飛輪帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負(fù)載所需要的各種頻率、電壓等級(jí)的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨(dú)立的，設(shè)計(jì)時(shí)常將電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)用一臺(tái)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，輸入輸出變換器也合并成一個(gè)，這樣就可以大大減少系統(tǒng)的大小和重量。同時(shí)由于在實(shí)際工作中，飛輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉(zhuǎn)速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強(qiáng)，進(jìn)一步減少了整個(gè)系統(tǒng)的重量，同時(shí)，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機(jī)和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機(jī)械摩擦；同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達(dá)95％左右。
實(shí)際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機(jī)、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個(gè)電池裝置的核心部件，它直接決定了整個(gè)裝置的儲(chǔ)能多少，它儲(chǔ)存的能量由公式 決定。式中 為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，與飛輪的形狀和重量有關(guān)； 為飛輪的旋轉(zhuǎn)角速度。
電力電子變換器通常是由MOSFET 和IGBT組成的雙向逆變器，它們的原理不再敘述，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。
二、飛輪電池與其它電池的比較
現(xiàn)在，使用最多最廣的儲(chǔ)能電池?zé)o疑是化學(xué)電池，它將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存，再轉(zhuǎn)化為電能輸出，它價(jià)格低廉，技術(shù)成熟，但污染嚴(yán)重，效率低下，充電時(shí)間長(zhǎng)，用電時(shí)間短，使用過程中電能不易控制。
另一儲(chǔ)能電池是超導(dǎo)電池，它把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈的磁場(chǎng)中，由于超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，所以能量損耗非常小，效率也高，對(duì)環(huán)境污染也小。但由于超導(dǎo)狀態(tài)是線圈處于極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)，維持線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)所需要的低溫需耗費(fèi)大量能源，而且維持裝置過大，不易小型化，所以家用市場(chǎng)前景不強(qiáng)。
飛輪電池則兼顧了兩者的優(yōu)點(diǎn)，雖然近階段的價(jià)格較高，但伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，必將有一個(gè)非常廣闊的前景。下面通過表—1來具體比較三者的優(yōu)缺點(diǎn)。
表—1 三種電池性能比較
化學(xué)電池 飛輪電池 超導(dǎo)電池
儲(chǔ)能方式 化學(xué)能 機(jī)械能 電磁能
使用壽命 3～5 ＞20 ～20
技術(shù) 成熟 驗(yàn)證 驗(yàn)證
溫度范圍 限制 不限 不限
相對(duì)尺寸（同功率） 大 最小 中間
儲(chǔ)能密度 小 大 大
放能深度 淺 深 深
價(jià)格 低 高 較高
環(huán)境影響 污染 無污染 無污染
三、飛輪電池的應(yīng)用場(chǎng)合及現(xiàn)狀
由于技術(shù)和材料價(jià)格的限制，飛輪電池的價(jià)格相對(duì)較高，在小型場(chǎng)合還無法體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。但在下列一些需大型儲(chǔ)能裝置的場(chǎng)合，使用化學(xué)電池的價(jià)格也非常昂貴，飛輪電池已得到逐步應(yīng)用。
1、太空 包括人造衛(wèi)星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3～10倍。同時(shí)，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)速是可測(cè)可控的，故可以隨時(shí)查看電能的多少。美國(guó)太空總署已在空間站安裝了48個(gè)飛輪電池，聯(lián)合在一起可提供超過150KW的電能。據(jù)估計(jì)相比化學(xué)電池，可節(jié)約200萬美元左右。
2、交通運(yùn)輸 包括火車和汽車，這種車輛采用內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)混合推動(dòng)，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應(yīng)用于混合能量推動(dòng)的車輛中。車輛在正常行使時(shí)和剎車制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時(shí)，給車輛提供動(dòng)力，保證車輛運(yùn)行在一種平穩(wěn)、最優(yōu)的狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。美國(guó)TEXAS大學(xué)已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時(shí)，可提供150KW的能量，能加速滿載車輛到100Km/h。在火車方面，德國(guó)西門子公司已研制出長(zhǎng)1.5m，寬0.75m的飛輪電池，可提供3MW的功率，同時(shí)，可儲(chǔ)存30%的剎車能。
3、不間斷電源 飛輪電池可提供高可靠的穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時(shí)間足已保證工廠進(jìn)行電源切換。德國(guó)GmbH 公司制造了一種使用飛輪電池的UPS，在5s內(nèi)可提供或吸收5MW的電能。
4、軍用戰(zhàn)斗車輛 美國(guó)國(guó)防部預(yù)測(cè)未來的戰(zhàn)斗車輛在通信、武器和防護(hù)系統(tǒng)等方面都廣泛需要電能，飛輪電池由于其快速的充放電，獨(dú)立而穩(wěn)定的能量輸出，重量輕，能使車輛工作處于最優(yōu)狀態(tài)，減少車輛的噪聲（戰(zhàn)斗中非常重要），提高車輛的加速性能等優(yōu)點(diǎn)，已成為美國(guó)軍方首要考慮的儲(chǔ)能裝置。
作為一種新興的儲(chǔ)能方式，飛輪電池所擁有傳統(tǒng)化學(xué)電池?zé)o法比擬的優(yōu)點(diǎn)已被人們廣泛認(rèn)同，它非常符合未來儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應(yīng)用領(lǐng)域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發(fā)展。現(xiàn)在，最可能出現(xiàn)的是手機(jī)電池?？梢灶A(yù)見，伴隨著技術(shù)和材料學(xué)的進(jìn)步，飛輪電池將在未來的各行各業(yè)中發(fā)揮重要的作用。