钜大LARGE | 点击量：4648次 | 2020年08月01日
更适合于混合动力车辆使用的电池——镍氢电池技术分析
镍氢电池是二十世纪八十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，从发明之初到现在已经有20多年的历史。20世纪60年代末储氢合金的发现为镍氢电池的实现打下了坚实的基础。在我国通过“863”项目的推动，实现了镍氢电池从无到有的发展，不仅实现了包括民用电池、特殊用途电池、动力电池的多应用领域，还形成了包括发泡镍材料、冲孔钢带材料、球形氢氧化亚镍材料、储氢合金材料等于镍氢电池相配套的原材料产业链。
汽车动力镍氢电池自上世纪末本世纪初随着混合动力车辆的发展而走上电池产品舞台，1992年起日本松下公司开始为丰田公司混合动力车辆开发混合动力车用动力镍氢电池，1997年实现了世界上第一款商用混合动力车辆——Prius的批量销售，使车用动力镍氢电池开始了迅猛的发展势头，至今累计在世界范围内销售了超过400万辆装配镍氢电池混合动力车辆，2012年丰田公司的Prius品牌车辆达到供不应求的局面。同样是在863项目的支持下我国在本世纪初开始了车用动力镍氢电池的研发和产业化工作，科力远集团、春兰集团、湖南神州、中炬森莱等企业成为了主要的汽车动力镍氢电池的研发、生产、和销售企业，为中国的混合动力客车、轿车提供了大量的电池产品。
动力镍氢电池不使用汞、镉、铅等重金属添加剂是真正的绿色环保电池，其具有宽温区使用范围、大电流充放电能力，特别适合混合动力车辆需求，值得一提的是该电池的组成材料98%以上都可以实现方便的回收，为实现资源的循环利用提供了有力的条件。因此该电池是适用于混合动力车辆的成熟的先进动力电池。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
2、镍氢电池具备的优秀性能
镍氢电池具备了在混合动力车辆上应用的能力，其优秀的比功率和比能量特性使其实现了容量和动力性能的良好融合。作为非常适合于混合动力车辆应用的镍氢电池还具备如下的性能特点：
1）高倍率、大电流充放电性能优良
镍氢电池使用的为水性离子电解质，其主要成分为高浓度KOH水溶液，该种电解质有着非常好的离子导电性，这一特点决定了镍氢电池可以具有非常低的内阻。经过多年的研究，将极板比表面积优化设计、极板导流结构设计、极板基体材料设计、电池内部导流结构设计等改进工作，进一步降低电池内部电阻；另外，通过材料本体优化技术如覆钴球形氢氧化亚镍材料、高导电性发泡镍材料、正负极配方优化等技术的实现，使得在电池电化学体系范围内降低了反应的极化阻抗，进一步提升了电池的大电流性能。现在应用于混合动力轿车领域容量在6Ah左右的动力镍氢电池都可以达到25倍率以上放电、15倍率以上的充电特性，应用于混合动力客车领域容量在40Ah左右的动力镍氢电池可以达到15倍率以上放电、10倍率以上充电的大电流特性。最先进的混合动力轿车用动力镍氢电池的放电比功率达到1350W/kg以上。
2）使用温度范围广
动力镍氢电池可以实现在-20℃到50℃，范围达到70℃的正常应用，也可以实现在-40℃到60℃的有条件应用。这种宽温度使用范围是对镍氢电池正极、负极和电解液的综合调整的结果。通过对正极进行配方和材料调整，提升正极的析氧过电位，保证在高温时实现氧的推迟析出，进而提升有效反应的效率，保证电池性能；在负极通过对合金的成分和加工工艺的优化，提升合金的低温性能，提升氢原子在合金内部的扩散能力，保证了合金的低温性能；通过电解液优化，提升电解液的导电率，进一步降低电解液冰点，进一步提升了电池的低温特性。镍氢电池具备的这种宽的温度使用范围为车辆应用提供了有力保证，消除了车辆使用的地域限制，为混合动力车辆的推广提供了有力的技术支持。
3）耐过充电、过放电性能
镍氢电池的耐过充电过放电特性是电池自身的反应体系决定的，镍氢电池在正常和过充电、过放电过程中的电化学反应如下：
正常充电时：
正极反应：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-
负极反应：M+H2O+e-→MH+OH-
总反应：M+Ni(OH)2→MH+NiOOH
正常放电时：
正极：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-
负极：MH+OH-→M+H2O+e-
总反应：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2
过充电时：
正极：4OH-→2H2O+O2+4e-
负极：4M+4H2O+4e-→4MH+4OH-
4MH+O2→4M+2H2O
总反应：无物质消耗
过放电时：
正极：H2O+e-→1/2H2+OH-
负极：MH+OH-→H2O+M+e-
M+1/2H2→MH
总反应：无物质消耗
可见，无论是在正常反应条件下还是在过充电、过放电反应条件下镍氢电池反应只是物质在电池正负极之间的转移，不会消耗电池的电解液和电池的内部成分，可以实现电池内部物质的自平衡，这就从原理上保证了电池具备良好的过充电和过放电特性。镍氢电池的负极是由50%左右的镍组成的，在不断的电化学反应过程中实现了镍在合金表层的富集，由于在电化学体系下镍为电化学反应的优良催化剂，加之在电池设计过程中考虑到电池的动力学特性，设计了放电储备、充电储备，就保证了在过充电、过放电反应过程中可以更加有效的提升电池的耐过充过放性能。优良的耐过充过放电性能大幅度的提升了电池使用的安全性能。
4）高安全性
镍氢电池是目前发现的动力电池中安全性最高的电池，在过充电、过放电、挤压、针刺、短路、加热等极端恶劣的条件下也能保证其良好的安全性能，做到不爆炸、不起火。这主要是因为镍氢电池的电解液是水性电解液，且电解液的加入量相对较多，难以出现电解液干涸的情况，在电解液完全挥发前电池的温度不会出现大幅度的上升，同时镍氢电池的正负极属于在常温条件下相对稳定的材料，在有电解液存在时不会形成自燃。此外镍氢电池都有金属或塑料外壳与外界隔绝，形成了相对密闭的条件，有效地保护了电池的内部成分，即使在受到外力破坏时，电池外壳也能实现只有极少部分电极会与外界接触。综上，镍氢电池无论从原理还是结构上都可以保证有良好的安全性能。
挤压试验针刺试验
短路试验过充电试验
在混合动力汽车这样一个对安全性要求极高的应用领域，镍氢电池的这种安全性保证了车辆在出现碰撞、翻滚等恶劣事故时，不会因为电池自身的缺陷产生再次伤害，有效的保证了驾乘人员的人身安全。
5）中国形成了完整、成熟的镍氢电池产业链
在镍氢电池快速发展的过程中，在中国形成了一大批原材料研发和生产企业，其中的典型代表有科力远（发泡镍产品）、河南科隆及湖南金天（球形氢氧化镍产品）、厦门钨业及辽宁鑫普（储氢合金粉产品），这些企业生产的产品已经广泛的应用于国内、国际的镍氢电池产品，SAYO、Panasonic、Corun等公司都在批量应用这些企业的产品。
作为致力于在镍氢电池领域长足发展的企业，科力远公司构建了自上游的金属矿藏、中游的发泡镍产品、下游的民用、动力镍氢电池产品的产业链，牢牢把握了材料这一涉及到整个行业发展的龙头。同时，中国是世界稀土储量和产量最大的国家，金川公司是世界第三的镍钴生产企业，拥有丰富的稀土资源，这为中国镍氢电池产业的发展提供了必要的资源条件。
6）电池回收率高，回收价值大，实现资源循环使用
镍氢电池中除隔膜外其他物质几乎都可以实现回收利用，电池物质回收利用率可以达到98%以上。在国内外都有相关企业开始了镍氢电池回收技术的研究和批量应用。使用的方法主要有化学分解提纯法和熔炼提纯法，不论是使用哪种方法都可以实现电池内部有效元素的重新利用，并能将其转化为电池的原材料。进一步形成了电池原材料——>电池——>电池回收——>电池原材料的循环体系，不但可以实现资源的循环使用，同时由于组成电池的主要为镍、钴、稀土等高价值元素，因此这种回收可以在很大程度上降低电池成本。
3、镍氢电池管理系统是简单化的管理系统
混合动力车用电池组是由几十到两三百只电池串联组成的电池系统。这就要求必须有性能优越的电池管理系统来合理的管理电池。经过20年的不断研究，科技工作者充分掌握了动力镍氢电池的各项性能，并结合电池的特性制定了电池的管理策略，随着对电池性能研究的不断深入，电池管理系统的复杂度也在不断的降低。动力镍氢电池研发是伴随混合动力车辆的研发同步进行的，这也保证了其电池管理系统开发起步较早，并经过了20年的开发，形成了相对成熟的管理系统产品。最为关键的是由于镍氢电池自身对环境、过充过放等恶劣使用条件的容忍度高，使得这种电池可以实现以电池模块为监控的最小单元，不用进行单体电池的监控和均衡，这从本质上降低了电池管理系统的复杂度。镍氢电池属于发热型电池，结合它优秀的低温特性，保证了这种电池即使在低温条件下也不需要使用外界能源进行加热，进一步降低了管理系统的难度。
丰田公司经过多年的研究将电池组的管理系统与整车管理系统有机结合，实现了BMS和ECU的一体化，进一步降低了电池管理系统的复杂度，为其他厂家电池管理系统的开发提供了有效地参考方向。
4、镍氢电池实现了全自动生产
经过20年的发展，镍氢电池形成了完整成熟的自动化制造生产体系。并在日本PEVE、三洋和湘南CorunEnergy株式会社三家公司得以实际应用，所生产的电池达到了非常高的一致性，代表了目前世界上动力电池的最高水平。我国经过多年的研究开发，电池加工制造设备自动化程度得到了非常大的提升，但相对于日本企业还有很大的差距。2011年科力远对日本松下旗下的湘南工厂打破了这种局面，大大提升了中国镍氢电池的自动化生产技术，随着科力远公司对日本湘南工厂的技术消化吸收完成科力远将成为动力电池企业，其电池生产的自动化水平也将达到世界水平。
5、HEV车辆是当前最能实现市场化的节能与新能源车辆
上图为目前世界范围内销售的主要混合动力车型，也是主要的节能与新能源车型。HEV车辆已经累计销售400多万辆，其中绝大多数装备动力镍氢电池，我国一汽、长安、奇瑞、华普、东风等汽车生产企业在混合动力领域也投入大量资源进行研发和产业化，形成了小批量示范应用的产品，为后续的市场开发做好了技术和产品准备；从我国产业政策方面看，2012年4月18日出台的《节能与新能源车发展规划》将混合动力车定位为普及推广的产品，将EV和PHEV定位为培养发展的产品。由此可见无论是市场选择还是政策选择，混合动力车辆都将是率先实现批量应用的产品。
丰田、本田、福特为目前世界上新能源车领域的前3甲，其市场份额占90%以上，目前3公司批量销售的混合动力车辆全部采用镍氢电池，在我国，镍氢电池在混合动力车辆上也得到广泛的应用。从丰田2012年3月公布的基于在中国推广混合动力技术的丰田“云动计划”看，动力镍氢电池在将来相当长的时间内仍将是混合动力车辆的主要储能电源。
6、PHEV、EV还需要更多的技术积累和研发
PHEV和EV还需要一定的技术积累才能批量应用。从技术角度看限制这两种车辆应用的主要技术瓶颈就是电池，由于镍氢电池的质量比能量相对较低，已经不能适用于这两种车辆的应用。锂电池成为较适合的选择。但目前由于锂电池的能量密度仍处于不太高的水平、电池的快速充电能力差、缺乏电池维护技术、电池宽温区范围性能差异大、电池管理系统复杂、成本高等技术难题导致锂电池还不能实现批量的应用。另外由于建立充电占需要占用大量的土地和资金等因素也使纯电动车的应用面临一定的挑战。
从我国电网结构看，有70%左右为火电站，本身存在较为严重的污染，如果在现阶段就大力发展纯电动车辆相当于是将燃油的车改为了烧煤的车，其带来的污染程度和能源的利用率将更低。因此在太阳能、风能等新能源发电技术尚未成熟和批量并网前发展纯电动车辆还需要商榷。
7、形成Ni-MH和锂电的和谐发展关系
镍氢电池是更适合混合动力车辆应用的电池体系，而锂电池是更适合于PHEV及EV应用的电池体系，两者是互补的关系，因为从技术的角度看，混合动力技术是纯电动技术的基础；从市场的角度看，混合动力车适用于长途运行，而纯电动车则适用于城市通勤车；因此在确定未来交通工具的发展路线时，就更要仔细研究不同电池的应用特性将适合的电池应用于适合的领域，发挥其最大价值：
p只要有石油，就会有混合动力车，镍氢电池是相当长的一段时间内最适合混合动力车使用的汽车动力电池；
pNi-MH具有更成熟的技术，大量普及混合动力车，反过来会促进纯电动汽车的发展；
p锂电在低温性能、安全性能等方面还不成熟，需要时间改进，再考虑基础设施等因素，如果纯电动车达到普及推广的要求，我认为最少还需15年；
p从目前的情况看，纯电动车的成本离市场化需求还有相当大的差距；
p应用Ni-MH电池普及并大量运行成熟的混合动力汽车，一方面能为锂电系统的发展积累更多有益的经验，另一方面，也不耽误国家节能减排战略，更不会耽误中国节能与新能源汽车产业的健康发展，也为锂电发展提供足够的缓冲时间。如果我们一定要拿一个不成熟的产品人为强行产业化，其结果一定是既让我们在新能源汽车领域丧失发展机会，也会让我们在节能汽车领域完全失去市场竞争力。
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