浅谈动力电池技术分析及应用领域

电动化大趋势愈演愈烈，我国通过政策的引导和扶持，已经成为全球最大的新能源汽车市场。众所周知，新能源汽车的重要瓶颈在于电池的续航里程。在此背景下，国家出台了《促进汽车动力电池发展行动方案》、《节能与新能源汽车技术路线图》，鼓励高能量密度电池的使用，近期《外商投资产业指导目录（2017年修行）》政策提出解除纯电动汽车合资企业限制以及取消汽车电子和动力电池股比限制，这也是促进新能源汽车市场推广应用高能量密度电池的重要举措。

 

　　电池是一门非常深的学科，因为这东西从发明起便在我们的生活中有着非常非常广泛的应用，比如3C、比如储能。

 

　　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设备通讯指挥系统的常备电源等。随着新兴的电动自行车、电动汽车的开发和商业化生产、新型潜艇及无人水下航行器（UUV）的发展，使得社会对新型绿色动力电池的需求大幅度增加。当前国际上，应用得最为广泛的动力电池主要包括铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池。这些动力电池各具优势，已经广泛应用于不同的领域。

 

　　铅酸蓄电池

 

　　铅酸蓄电池是1859年由普兰特（R.G..Plante）发明，是最早得到应用的蓄电池。Plante电池使用两块铅板作为电极，置于硫酸溶液中进行电解，通过不断变化电解的电流方向，使铅板的蓄电容量逐渐增加，但电池比能很低。

 

　　传统的铅酸蓄电池有两个主要缺点：一是在使用寿命期间，需不断加水维护；二是由于富液有漏酸危险不能任意方向放置。经过不断研究，20世纪中期，发明了胶体电解质技术和免维护密封技术：1955年德国阳光公司首次把凝胶电解质技术用于铅酸电池并投放市场。20世纪60年代中期该公司开发出“Dryfit”实用胶体电解质密封铅酸蓄电池系列。1968年Desai提交了第一篇描述气体密封式铅酸蓄电池的专利，1974年正式发表。1972年美国Gates公司的D.H McLelland和J.L.Devitt发明了吸附式超细玻璃纤维隔板（AGM），从实践上解决了电池内部氧气的复合循环问题，研制出圆柱形的AGM型阀控密封铅酸蓄电池（VRLAB），这种电池的电解液吸附在玻璃纤维隔膜中，电解液不能自由流动，相对于传统的富液式铅酸蓄电池（电解液可自由流动），阀控式铅酸蓄电池为贫液式电池。此后的30多年内，VRLAB电池得到迅速发展，在电力、铁路、船舶、通讯等各个专业部门中得到了广泛应用。VRLA技术的出现推动了铅酸蓄电池的发展，使之进入了一个繁荣发展的时期。

 

　　铅酸蓄电池是所有化学电源中技术最成熟的电池，它具有价格低廉、安全性高、大电流放电性能好、电池回收率高等优点，己广泛用于电动自行车、电动摩托车、通信行业、电力工业后备电源、铁路内燃机车等领域。然而，由于比能低、不够环保等缺点，铅酸电池新材料、新结构、新技术仍在不断研究中，如耐腐蚀铅合金正极板栅、泡沫铅板栅、泡沫炭板栅、新型负极添加剂、超级铅酸电池等。

 

　　镍基电池

 

　　碱性镍基电池主要包括有镍镉电池、镍锌电池和镍氢电池。其中镍镉电池已经在诸多领域得到广泛应用，但废旧的镍镉电池存在镉污染的风险，大大限制了其应用，欧盟各国已禁止将镍镉电池用于动力电池，基本处于淘汰边缘；镍锌电池在充电时，负极锌容易产生枝晶，而导致隔膜穿刺，影响电池的使用寿命；相比之下，镍氢电池是综合性能最佳的动力电池。目前镍氢电池已经广泛应用于商业化的电动汽车。

 

　　镍氢电池是由氢离子和金属镍组成的电池，正极活性物质为氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电解液采用6 M的氢氧化钾溶液。其电化学式可表示为：

 

　　（-）M/MH︱KOH︱Ni（OH）2/NiOOH（+）充电时，KOH电解液中的氢离子（H+）会释放出来，由储氢合金吸收，正极由Ni（OH）2变成NiOOH和H2O；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由NiOOH变成Ni（OH）2。

 

　　镍氢电池具有高比能和高比功率的特性，其比能量较铅酸电池提高了3倍；比功率较铅酸电池提高了近10倍。除此之外，镍氢电池还具有较好的过度充放电耐受性和热性能，因此具有较高的安全可靠性能。充电快、环保污染、寿命长等也是镍氢电池的优点。

 

　　但是，由于原材料镍和储氢合金非常昂贵，因此镍氢电池的成本较高，价格成为制约镍氢电池发展的主要因素。镍氢电池在电动汽车领域的应用已经表现出局限性。

 

　　锂离子电池

 

　　锂离子电池研究始于1990年Nagoura等人研制成的以石油焦为负极、以钴酸锂为正极的锂离子电池；同年日本Sony和加拿大Moli两大电池公司宣称将推出以碳为负极的锂离子电池；1991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了以聚糖醇热解碳（PFA）为负极的锂离子电池；1993年，美国Bellcore公司首先报道了聚合物锂离子电池。