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什麽是動力電池 它與普通電池的區別

點擊:83 日期:2018-10-20 選擇字號:
      什麽是動力電池?它與普通電池的區別
      電池技術是一項偉大的發明,有著精彩而悠久的曆史,電池英文“Battery”首次出現在1749年,它由美國發明家本傑明*富蘭克林首次使用,當時他使用了一組串聯的電容器來進行電學實驗。
      1786年,意大利解剖學家伽伐尼在做青蛙解剖時,發現生物電,並公布於學術界,1800年,伏打受到伽伐尼青蛙實驗的啟發,用銅、錫、食鹽水為材料成功地製造了伏打電池,1836年,英國的丹尼爾對“伏特電堆”進行了改良。
      他使用稀硫酸作電解液,解決了電池極化問題,製造出第一個不極化,能保持平衡電流的鋅─銅電池,又稱“丹尼爾電池”。
      1860年,法國的普朗泰發明出用鉛做電極的電池,也是蓄電池的前身;與此同時,法國的雷克蘭士發明了碳鋅電池,讓電池技術走向了幹電池領域。
      電池技術商用始於幹電池,它由英國人赫勒森在1887年發明,並於1896年在美國批量生產,與此同時,Thomas Edison在1890年發明可充電的鐵鎳電池,也於1910年實現商業化量產。
      至此以後,得力於商業化驅動,電池技術迎來了突飛猛進的時代,Thomas Edison在1914年發明堿性電池,Schlecht and Akermann 在1934年發明鎳鎘電池燒結極板,Neumann在1947年開發出密封鎳鎘電池, Lew Urry (Energizer)在1949年 開發出小型堿性電池,由此迎來堿性電池時代。
      進入1970年代以後,電池技術受能源危機的影響,逐步往物理電源方向發展,除了1954年就出現了的太陽能電池技術持續進步外,鋰電池和鎳氫電池也逐步被發明和商業應用。
      什麽是動力電池?
      它與普通電池的區別
      新能源汽車的動力來源一般主要是以動力電池為主。動力電池實際上就是為交通運輸工具提供動力來源的一種電源。它與普通電池的主要區別為:
      一、性質不同
      動力電池是指為交通運輸工具提供動力的電池,一般是相對於為便攜式電子設備提供能量的小型電池而言;而普通電池是一種以鋰金屬或鋰合金為負極材料,        使用非水電解質溶液的一次電池,與可充電電池鋰離子跟鋰離子聚合物電池是不一樣的。
      二、電池容量不同
      在都是新電池的情況下,用放電儀測試電池容量,一般動力電池的容量在1000-1500mAh左右;而普通電池的容量在2000mAh以上,有的能到3400mAh。
      三、放電功率不同
      一顆4200mAh的動力電池可以在短短幾分鍾內將電量放光,但是普通電池完全做不到,因此普通電池的放電能力完全無法與動力電池相比。動力電池與普通電池最大的差別,在於其放電功率大,比能量高。由於動力型電池主要用途為車用能源供給,所以相較於普通電池要有更高的放電功率。
      四、應用不同
      為電動汽車提供驅動動力的電池被稱為動力電池,包括傳統的鉛酸電池、鎳氫電池以及新興的鋰離子動力電鋰電池,分為功率型動力電池(混合動力汽車)以及能量型動力電池(純電動汽車);手機、筆記本電腦等消費電子產品使用的鋰電池一般統稱為鋰電池,以區別於電動汽車用的動力電池。
      動力電池現有主要種類
      目前市場上主流技術仍以鉛酸電池技術、鎳氫電池技術、燃料電池技術、鋰電池技術為主。
      鉛酸蓄電池
      鉛酸蓄電池的應用曆史最長,技術最為成熟,是成本、售價最低廉的蓄電池,已實現大批量生產。其中閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)一度成為重要的車用動力電池,應用在眾多歐美汽車公司開發的EV和HEV上,例如通用在20世紀80年代和90年代分別開發出的Saturn和EVI電動汽車等。
      但是,鉛酸電池的比能量較低,續航時間短,自放電率高,循環壽命低;其主要原料鉛的重量大,而且在生產和回收過程中可能產生重金屬的環境汙染。所以,目前鉛酸電池主要用於汽車啟動時的點火裝置,以及電動自行車等小型設備。
      鎳氫電池
      鎳氫(Ni/MH)電池具有良好的耐過充、過放能力,不存在重金屬汙染問題,而且在工作過程中不會出現電解液增減現象,可以實現密封設計、免維護。與鉛酸電池和鎳鎘電池相比,鎳氫電池具有較高的比能量、比功率及循環壽命。
      其缺點是電池具有的記憶效應較差,而且隨著充放電循環的進行,貯氫合金逐漸失去催化能力,電池內壓會逐漸升高,影響到電池的使用。此外,鎳金屬昂貴的價格,也導致成本較高。
      在關鍵材料上,鎳氫電池主要由正極、負極、隔膜和電解質構成,正極為鎳電極(Ni(OH)2);負極一般采用金屬氫化物(MH);電解質主要為液體,主要成份是氫氧化鉀(KOH)。目前鎳氫電池的研究重點主要在正、負極材料上,其技術研發相比較成熟。
      車用鎳氫電池已實現了批量生產和使用,是混合動力汽車研製中應用最多的車載電池類型。最典型的代表即目前混合動力汽車量產規模最大的豐田Prius。豐田與鬆下合資成立的PEVE公司是目前世界最大的鎳氫動力電池製造商。
      如今鎳氫電池現階段已經退出主流動力電池行列,那麽為何豐田還會固執己見的堅守鎳氫電池的陣營呢?
      這就不得不說到鎳氫電池最大的優勢:超強的耐用性!
      曾經美國著名的汽車媒體《消費者報告》對一台使用了十年後的第一代普銳斯進行了對比測試。測試結果顯示,采用鎳氫電池的第一代普銳斯車型在經過了10年行駛33萬公裏之後,將其與新車時的數據對比,無論是在油耗性能還是在動力性能都保持在同一水平,說明混動係統和鎳氫電池組仍然工作正常。
      此外,即便在使用十年跑了33萬公裏之後,這輛第一代普銳斯其鎳氫電池組從未發生過問題,人們十年前所質疑因電池容量衰減將大幅影響油耗和動力性能的情況也沒有出現。由此看來,一向嚴謹保守的日本人對於鎳氫電池的鍾愛確實有其獨到的原因。
      燃料電池
      燃料電池是一種將存在於燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料和空氣分別送進燃料電池,電就被生產出來。它從外表上看有正負極和電解質等,像一個蓄電池,但實質上它不能“儲電”而是一個“發電廠”。
      和普通化學電池相比,燃料電池可以補充燃料,通常是補充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料,但通常是限製在電廠和叉車等工業領域使用。氫燃料電池基本原理是電解水的逆反應,把氫和氧分別供給陽極和陰極,氫通過陽極向外擴散和電解質發生反應後,放出電子通過外部的負載到達陰極。
      氫燃料電池的工作原理是:將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極),經過催化劑(鉑)的作用,氫原子中的一個電子被分離出來,失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜,到達燃料電池陰極板(正極),而電子是不能通過質子交換膜的,這個電子,隻能經外部電路,到達燃料電池陰極板,從而在外電路中產生電流。
      電子到達陰極板後,與氧原子和氫離子重新結合為水。由於供應給陰極板的氧,可以從空氣中獲得,因此隻要不斷地給陽極板供應氫,給陰極板供應空氣,並及時把水蒸氣帶走,就可以不斷地提供電能。
      燃料電池發出的電,經逆變器、控製器等裝置,給電動機供電,再經傳動係統、驅動橋等帶動車輪轉動,就可使車輛在路上行駛。與傳統汽車相比,燃料電池車能量轉化效率高達60~80%,為內燃機的2~3倍。
      燃料電池的燃料是氫和氧,生成物是清潔的水,它本身工作不產生一氧化碳和二氧化碳,也沒有硫和微粒排出。因此,氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零汙染的車,氫燃料是完美的汽車能源!
      氫燃料電池的特點:
      1、無汙染:燃料電池對環境無汙染。它是通過電化學反應,而不是采用燃燒(汽、柴油)或儲能(蓄電池)方式--最典型的傳統後備電源方案。燃燒會釋放象COx、NOx、SOx氣體和粉塵等汙染物。如上所述,燃料電池隻會產生水和熱。如果氫是通過可再生能源產生的,整個循環就是徹底的不產生有害物質排放的過程。
      2、無噪聲:燃料電池運行安靜,噪聲大約隻有55dB,相當於人們正常交談的水平。這使得燃料電池適合於室內安裝,或是在室外對噪聲有限製的地方。
      3、高效率:燃料電池的發電效率可以達到50%以上,這是由燃料電池的轉換性質決定的,直接將化學能轉換為電能,不需要經過熱能和機械能(發電機)的中間變換。
      4、氫燃料電池車的優勢毋庸置疑,劣勢也是顯而易見。隨著科技的進步,曾經困擾氫燃料電池發展的諸如安全性、氫燃料的貯存技術等問題已經逐步攻克並不斷完善,然而成本問題依然是阻礙氫燃料電池車發展的最大瓶頸。
      氫燃料電池的成本是普通汽油機的100倍,這個價格是市場所難以承受的。另外加氫站的背後,是一整套氫能源生產和運輸網絡作為支撐,而世界上絕大多數國家沒有意願和空間去大力發展一種不常用能源的體係化。
      尤其氫能源的轉化率較低,且在能源生產中會造成汙染。另一方麵是加氫站本身的建設要求與成本極高,需要專門的低溫設備來滿足能源存儲需要。目前隻有日本、韓國和美國加州有較多的加氫站,而這個較多其實也就是幾十所左右。
      進入2017,原本有些沉寂的燃料電池汽車市場仿佛突然有了一些回暖。
      一方麵是一直被寄予厚望的純電動車電池技術升級連續遇到了瓶頸。而行駛裏程太短和充電時間過長這兩大因素依舊製約著新能源汽車的前景。
      另一方麵,是燃料電池汽車在多個領域的性價比正在不斷提升。
      原本高昂的燃料電池汽車生產成本正在經曆快速下降。相比於處在競爭狀態的中高檔純電動車,5分鍾充滿燃料的體驗和500km以上的裏程當然更具誘惑力。
      鋰離子電池
      車用鋰離子動力電池是在一次性鋰電池基礎上發展起來的,是目前純電動車用電池研發的主要方向。鋰離子電池具有無記憶性、自放電率低、環保、高比能量、高比功率等諸多優點,是繼鎳氫電池之後,最受研發機構和汽車廠商青睞的潛力車載電池。
      鋰離子電池特性
      1、電壓平台
      鋰離子電池由於采用的正負極材料不同,其單體電池的工作電壓範圍為3。 7~4v,其中應用規模較大的磷酸鐵鋰單體電池工作電壓為3。 2v,是鎳氫電池的3倍、、鉛酸電池的2倍
      2、比能量大
      當前乘用車鋰離子動力電池的能量密度接近200wh/kg,預計2020年達到300wh/kg
      3、電池壽命短
      由於電化學材料特性的製約,鋰離子電池的循環次數沒有取得突破,以磷酸鐵鋰為例,單體電池循環次數可以達到2000次以上,成組後僅為1000次以上。
      4、對環境影響較大
      鋰離子電池采用輕金屬鋰,盡管不含汞、鉛、有害重金屬,被認為是綠色電池,對環境汙染較小。
      但實際上由於其正負極材料、電解液包含鎳、金屬物,美國已經將鋰離子電池歸類為一種包含易燃、錳、反應性、浸出毒性、腐蝕性、有毒有害性的電池,是目前各類電池中包含毒性物質最多的電池,並且因為其回收再利用的工藝較為複雜導致成本較高,因此目前的回收再利用率不高,廢棄的電池對環境影響較大
      5、成本依然較高
      鋰離子電池初期購置成本高,以目前車用動力電池主流產品磷酸鐵鋰電池為例,價格大約在2500元/kwh,隨著電動汽車的普及,有望在2020年降低到1000元/kwh以下。
      目前主流的純電動車代表及其采用的鋰離子動力電池比較
      特斯拉與鬆下——鈷酸鋰電池
      作為純電動車領域的全球領導者,誕生自美國矽穀的特斯拉汽車憑借犀利的外形、3.2秒的百公裏加速時間、以及超過400公裏的續航能力,讓大家對於電動車的看法有了顛覆性的改觀,並且迅速成為挑戰傳統燃油車的一大代表車型。除了強悍的電動機以及出色的電源管理技術之外,特斯拉能夠一炮而紅的原因與其采用的鈷酸鋰電池不無關係。
      早期的特斯拉MODEL S車型使用的是日本鬆下18650鈷酸鋰電池,其單個大小略大於AG亚游集团常見的5號幹電池,但就是這樣看似其貌不揚的電池,經過幾千顆的相互並聯,組成的電池組同樣能夠釋放出了驚人的能量。
      這種電池AG亚游集团並不陌生,像筆記本電腦等電子數碼設備使用的都是這種類型的電池,相比於其它電池類型,以鬆下18650電池為代表的鈷酸鋰電池的優點是技術頗為成熟,比能量高,此外,這類電池放電電流大,充電速度高,非常適合特斯拉這樣以高性能為取向的電動車。
      為了盡可能提高電池的能量密度,特斯拉將這些單顆3100mAh容量的18650鋰電池,整齊排列組合形成一個個小的“電池盒”單元,再將這些單元進一步拚接構成一整塊的動力電池組。最終總計8142顆18650電池組合成的電池組擁有超過85kWh的總容量,從而保證了特斯拉MODEL S超過400公裏的續航能力。
      斯拉這種高密度的電池組合方式雖然帶來了可觀的電池總容量,但是鈷酸鋰電池熱穩定性差,再加上將集成電池板平鋪於車輛的底盤位置,這樣就對電池的散熱與 安全性提出了更高的要求,為此特斯拉不得不設計出了複雜的電池保護程序以及獨特的液冷散熱係統來保證這套電池組的正常運作。
      這一方麵不僅加大了車身質量,對車輛的續航裏程有一定的影響,當然最明顯的則是無形中推升了車輛的製造成本,因此特斯拉賣出這樣的售價也是有原因的。
      比亞迪與磷酸鐵鋰電池
      說到磷酸鐵鋰電池,AG亚游集团一定不得不說目前國內最具規模的新能源車企比亞迪。這家以做手機鋰電池起家,現如今已經成長為涵蓋電池製造、傳統與新能源汽車生產製造的綜合大型企業。這其中,磷酸鐵鋰電池就是其最核心的產品,並且裝備於比亞迪旗下的絕大多數車型上。
      磷酸鐵鋰電池屬於鋰離子二次電池(用磷酸鐵鋰(LiFePO4)材料作電池正極),它的放電效率較高,價格也相比其他鋰電池更有優勢。早年間,搭載比亞迪“鐵電池”的E6電動車成功為比亞迪打開了國內電動車市場,其投入深圳出租車市場運營的比亞迪E6電動車也是大獲成功。
      作為全球最先實現磷酸鐵鋰電池產業化的車企之一,比亞迪所采用的這類磷酸鐵鋰電池相比早期的錳酸鋰電池,雖然在能量密度上並未有太大差別,但其熱穩定性是目前動力鋰電池中最好的。
      當電池溫度處於500-600℃高溫時,其內部化學成分才開始分解,並且穿刺、短路、高溫都不會燃燒或爆炸,而相比上麵所說的鬆下鈷酸鋰電池(180-250℃時就內部化學成分就已處於不穩定狀態),顯然,磷酸鐵鋰電池的安全性要更高一籌。
      除了安全性更高之外,磷酸鐵鋰電池的使用壽命也有一定的優勢。從深圳出租市場投入運營的比亞迪E6使用效果上看,這些自2010年開始運營的850台E6電動出租車累計總行駛裏程已經突破3億公裏,其中單車最高行駛裏程超67萬公裏,至今這些車輛仍然運行良好,這也說明了磷酸鐵鋰電池的可靠性。這樣成績也讓比亞迪E6成為我國電動出租車市場保有量最大的車型。
      不過除了熱穩定性這一突出的優勢之外,磷酸鐵鋰電池的能量密度較三元鋰電池以及鈷酸鋰電池仍有不小的差距,同樣的電池容量,磷酸鐵鋰電池的重量更重、體積也更大,這也導致采用該電池類型的車輛續航裏程表現一般。
      當然,磷酸鐵鋰電池最大的痛點在於低溫下的充電問題,當溫度低於-5℃時,充電效率較低,不適合北方新能源汽車車主在冬天的充電需求,這也成為比亞迪目前最新的混動車型唐100、秦100暫時改用三元鋰電池的重要原因。
      目前使用最為廣泛的三元鋰電池
      三元鋰電池顧名思義是指電池是指正極材料中,除了鋰外,還有鎳鈷錳,或者鎳鈷鋁三種金屬。相比磷酸鐵鋰和鈷酸鋰電池,三元鋰電池的綜合表現更為平均,能量密度不低,體積比能量也較高,而且價格也相對合理些因而被越來越多的新能源汽車廠家所采用。
      三元鋰電池作為近兩年湧現出的一種新產品其特點在於其優點在於它具有能量密度高、循環壽命長、利於整車輕量化等優點對於提升車輛續航裏程有很大幫助。此外更重要的原因則是隨著產能的提升,三元鋰電池的價格也進一步降低,正因為這些原因導致國內車企乘用車紛紛轉向使用三元鋰電池。
      要說三元鋰電池的缺點的話,那就是三元材料的脫氧溫度是200℃,放熱能量超過800J/g,並且無法通過針剌實驗。這就表明 了三元電池在內部短路、電池外殼損壞的情況下,很容易引發燃燒、爆炸等安全事故。
      正是出於安全性的原因導致國家曾暫停過在商用車型上配備三元鋰電池。不過後來隨著技術的進步,尤其是在應用了陶瓷隔膜之後三元鋰電池的安全問題已得到改善和解決。就目前市場情況來看,由於三元鋰電池綜合優勢還是比較明顯的,汽車廠商對於三元鋰電池的關注度也在持續增加。
      新型電池技術前瞻—— 物理電池
      物理電池是依靠物理變化來提供、儲存電能的電池統稱,如“瞬間充滿電的超級電容”、“比功率達5000-10000W/kg的飛輪電池”等都屬於物理電池家族的成員。
      超級電容
      超級電容是一種介於傳統電容與電池之間的電源元件,功率密度高達300-500W/kg,是普通電池的5-10倍。它主要依靠雙電層和氧化還原假電容電荷儲存電能,其間不發生化學反應,因此被歸為物理電池的範疇。
      相比化學電池,超級電容有三大明顯優勢:
      1、反複充、放電次數達十萬次(傳統化學電池隻有幾百至幾千次),壽命上要比化學電池高出很多;
      2、超級電容在充、放電時的功率密度極高,瞬間可放出大量電能,可滿足車輛更加寬泛的電力需求;
      3、工作環境適應能力更佳,通常室外溫度在-40℃~65℃時,其都能穩定正常工作(傳統電池一般為-20℃~60℃)。
      飛輪電池
      飛輪電池是上世紀90年代提出的一種新概念電池,它是利用類似飛輪轉動時產生能量的原理實現充、放電。
      大名鼎鼎的“ 保時捷911 GT3混合動力賽車”以及被評為當今四大神車之一的“ 保時捷918 Spyder”均在兩前輪處安裝有飛輪電池,飛輪技術將製動所收集的動能轉化為電能,並將能量貯存於一個飛輪之中。在加速過程中,該能量將轉移至前輪,在提高加速的同時減少內燃機的燃油消耗。
由於技術和材料價格的限製,飛輪電池的價格相對較高,在小型場合還無法體現其優勢。但在太空、大規模交通運輸以及軍事方麵需要大型儲能裝置的場合,飛輪電池已得到逐步應用。
       隨著新能源汽車的發展,電池作為重要部件之一,能量密度在不斷提高。
       電池革命的關鍵在於材料,三元材料將成為主流的正極材料體係,石墨與軟碳、硬碳等具備不同特性的負極材料混合應用也將成為負極材料的主流體係。
另外,石墨烯在我國已經開始進入中期試驗階段,量產後會大幅度提高電池的能量密度水平及壽命。
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