鉅大LARGE | 點擊量：1684次 | 2021年05月13日
詳解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(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新增，但電池比能很低。
傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池有兩個重要缺點：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(jīng)過不斷研究，20世紀中期，發(fā)明了膠體電解質(zhì)技術(shù)和免維護密封技術(shù)：1955年德國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。20世紀60年代中期該公司開發(fā)出Dryfit實用膠體電解質(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Gates公司的D.HMcLelland和J.L.Devitt發(fā)明了吸附式超細玻璃纖維隔板（AGM），從實踐上解決了電池內(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，相關(guān)于傳統(tǒng)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(nèi)，VRLAB電池得到迅速發(fā)展，在電力、鐵路、船舶、通訊等各個專業(yè)部門中得到了廣泛應(yīng)用。VRLA技術(shù)的出現(xiàn)推動了鉛酸蓄電池的發(fā)展，使之進入了一個繁榮發(fā)展的時期。
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，己廣泛用于電動自行車、電動摩托車、通信行業(yè)、電力工業(yè)后備電源、鐵路內(nèi)燃機車等領(lǐng)域。然而，由于比能低、不夠環(huán)保等缺點，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、新型負極添加劑、超級鉛酸電池等。
鎳基電池
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
堿性鎳基電池重要包括有鎳鎘電池、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，大大限制了其應(yīng)用，歐盟各國已禁止將鎳鎘電池用于動力鋰電池，基本處于淘汰邊緣；鎳鋅電池在充電時，負極鋅容易出現(xiàn)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力鋰電池。目前鎳氫電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)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(zhì)為氫氧化鎳，負極活性物質(zhì)為貯氫合金，電解液采用6M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，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(huán)保污染、壽命長等也是鎳氫電池的優(yōu)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(fā)展的重要因素。鎳氫電池在電動汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)表現(xiàn)出局限性。
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(shù)公司與電池部聯(lián)合開發(fā)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(fù)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(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)用較多的是碳材料；
（2）正極，放電時發(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，為離子運動供應(yīng)運輸介質(zhì)；
（4）隔膜，為正負極供應(yīng)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。
與其他動力鋰電池相比，鋰離子電池的優(yōu)勢十分明顯：
1）能量密度大，體積比能量和質(zhì)量比能量分別可達300Wh/cm3和125Wh/kg，最高可達350Wh/cm3；
2）平均輸出電壓高（約3.9V），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電池相同的記憶效應(yīng)；
6）可快速充放電；
7）充電效率高?？蛇_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，可達1200次左右，最長的可達3000次。
因此，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、特種產(chǎn)品、特種產(chǎn)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(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或制約鋰離子電池進一步發(fā)展的關(guān)鍵因素。
燃料動力電池
燃料動力電池是一種將儲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)電池相同，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，燃料動力電池就能持續(xù)不斷地供應(yīng)電能。燃料動力電池中不存在熱機過程，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)過程中不會出現(xiàn)任何污染，產(chǎn)物只有水。
燃料動力電池的種類繁多，基于其電解質(zhì)性質(zhì)的不同，可以將其分為質(zhì)子交換膜燃料動力電池，磷酸燃料動力電池、固體氧化物燃料動力電池、熔融碳酸鹽燃料動力電池和堿性燃料動力電池等五種燃料動力電池。
作為一種新型的發(fā)電技術(shù)，燃料動力電池有如下特點：
1）能量轉(zhuǎn)化效率高：燃料動力電池中燃料不經(jīng)過燃燒直接轉(zhuǎn)化成為電能，不受卡諾循環(huán)限制，所以燃料動力電池比普通熱機的效率高，能量轉(zhuǎn)換效率理論值高達60%以上，實際使用效率是普通內(nèi)燃機的2～3倍。
2）環(huán)境友好：燃料直接經(jīng)過燃料動力電池電化學(xué)反應(yīng)，與空氣中出現(xiàn)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(huán)境污染物，而且燃料動力電池結(jié)構(gòu)簡單、沒有可移動部件，噪聲振動水平低。
3）燃料多樣性：燃料動力電池燃料來源廣，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(yīng)對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，燃料動力電池允許在功率（由燃料動力電池尺寸決定）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1W級做到MW級，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)用于特種航天、船舶、汽車等交通工具。
正是由于這些突出的優(yōu)越性，燃料動力電池技術(shù)的研究與開發(fā)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(huán)保的綠色革命。燃料動力電池為動力汽車供應(yīng)了最有效、最環(huán)保的車載動力，但是要實現(xiàn)燃料動力電池的廣泛應(yīng)用，還有許多問題要解決，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(huán)使用壽命短的問題。
