动力电池技术及应用领域分析

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，通常也包括特种（特种，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、新型特种及无人水下航行器（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.HMcLelland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。

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6M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。

锂离子电池是指其中的Li+反复嵌入和脱嵌正负极材料的一种高能二次电池。通常由下述元件组成：

（1）负极，在放电时发生氧化反应，应用较多的是碳材料；

（2）正极，放电时发生还原反应，采用较多的是过渡金属氧化物，如LiCoO2；

（3）电解液，为离子运动提供运输介质；

（4）隔膜，为正负极提供电子隔离。通常用铝箔作为正极集流体，用铜箔作为负极集流体。

与其他动力电池相比，锂离子电池的优势十分明显：

1）能量密度大，体积比能量和质量比能量分别可达300Wh/cm³和125Wh/kg，最高可达350Wh/cm³；

2）平均输出电压高（约3.9V），为Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍；

3）输出功率大；

4）自放电小，每月在10%以下，不到Ni-Cd\Ni-NH自放电的一半；

5）没有Ni-Cd\Ni-NH电池一样的记忆效应；

6）可快速充放电；

7）充电效率高。可达100%；

8）工作温度范围宽，为-25Cº~70Cº；

9）没有环境污染，称为绿色电池；

10）使用寿命长，可达1200次左右，最长的可达3000次。

因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、特种产品、特种产品等。然而，伴随着锂离子电池爆炸、起火等事故报道，安全问题已经成为锂离子电池技术发展的关键难题。锂离子电池内部存在着一系列潜在的放热反应，这是诱发锂离子电池安全问题的根源。能否有效地解决热失控带来的安全问题也成为促进或制约锂离子电池进一步发展的关键因素。

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。与一般传统电池一样，也是依据电化学原理而工作的发电装置，不同之处在于只要燃料源源不断地供给，燃料电池就能持续不断地提供电能。燃料电池中不存在热机过程，即不受卡诺循环的限制，因而能量转化效率很高，并且其反应过程中不会产生任何污染，产物只有水。

燃料电池的种类繁多，基于其电解质性质的不同，可以将其分为质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和碱性燃料电池等五种燃料电池。

作为一种新型的发电技术，燃料电池有如下特点：

1）能量转化效率高：燃料电池中燃料不经过燃烧直接转化成为电能，不受卡诺循环限制，所以燃料电池比普通热机的效率高，能量转换效率理论值高达60％以上，实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。

2）环境友好：燃料直接经过燃料电池电化学反应，与空气中产生水，在这个过程中几乎不排放氮氧化物（NOx）和硫氧化合物（SOx）等环境污染物，而且燃料电池结构简单、没有可移动部件，噪声振动水平低。

3）燃料多样性：燃料电池燃料来源广，可以是氢气、天然气和沼气等气体燃料，汽油、柴油、甲醇、乙醇和甲酸等液体燃料，非常符合能源多样化的趋势，应对以石油和煤炭等化石能源的日益枯竭问题。

4）应用领域广：不同于普通电池，燃料电池允许在功率（由燃料电池尺寸决定）和容量（由燃料存储尺寸决定）之间随意地缩放，可以很容易地从1W级做到MW级，应用于便携式电源、分布式发电站和集中式发电站，也应用于特种航天、船舶、汽车等交通工具。

正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究与开发备受各国政府和各个公司的青睐，将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。燃料电池为动力汽车提供了最有效、最环保的车载动力，但是要实现燃料电池的广泛应用，还有许多问题需要解决，如电池研制成本高（采用贵金属铂等作为催化剂）、氢的储存运输难题，以及电池循环使用寿命短的问题。

这些动力电池各具优势，已经广泛应用于不同的领域。常见动力电池的主要技术特性见表1