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鋰離子電池取代鉛和鎳氫電池
來源:淮安明科光電科技有限公司  發表時間:2018/7/11 15:38:37  點擊:257 次

蓄電池及其管理系統是電動汽車的關鍵技術之一。在以往幾年中,大部分企業在電動汽車研制中曾遭遇尷尬,主要是因為采用了鉛酸、鎳鎘、鎳氫電池(Ni-MH)等。現在,經過研制與實驗比較,采用能量密度更高的鋰離子電池取代鉛和鎳氫電池,運用于汽車領域正成為一項核心技術,它具有重量輕、儲能大、功率大、無污染、也無二次污染、壽命長、自放電系數小、溫度適應范圍寬泛,是電動自行車、電動摩托車、電動小轎車、電動大貨車等較為理想的車用蓄電池。缺點是價格較貴、安全性較差。不過現在已有技術開發錳酸鋰、磷酸鐵鋰、磷酸釩鋰等新型材料,大大提高了鋰離子電池的安全性,而且降低了成本。

鋰離子電池產業化動態

隨著成本的急劇降低和性能的大幅度提高,已有許多汽車生產廠家開始投入使用鋰離子電池。如富士重工與NEC合作開發廉價的單體(Cell)錳系鋰離子電池(即錳酸鋰電池),具有高安全性、低制造成本特點,在車載環境下的壽命高達12年、10萬公里,與純電動汽車的整車壽命相當。東芝開發的可急速充電鋰離子蓄電池組,除了小型、大容量的特點之外,采用了能使納米級微粒均一化固定技術,可使鋰離子均勻地吸附在蓄電池負極上,能在一分鐘之內充電至其容量的80%,再經6分鐘便可充滿電。美國的主要電池廠Johnson Controls針對電動車需求特性的鋰離子電池于2005年9月在威斯康星州Milwaukee設立研發地點,2006年1月另出資50%與法國電池廠Saft共同成立Johnson Controls-Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于2006年8月承接了美國能源部(DOE)所主導2年USABC(United States Advanced Battery Consortium)純電動車鋰離子電池研發計劃合約,另外亦與車廠簽約提供高功率鋰離子電池。目前世界上動力電池主要有以下幾類:1、鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池已有100多年的歷史,廣泛用作內燃機汽車的起動動力源。它也是成熟的電動汽車蓄電池,目前約有8%~90%的采用率。它可靠性好、原材料易得、價格便宜;比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。但它有兩大缺點;一是比能量低,所占的質量和體積太大,且一次充電行駛里程較短;另一個是使用壽命短,使用成本過高。鎳鎘電池目前,鎳鎘電池的應用廣泛程度僅次于鉛酸蓄電池其比能量可達55W?h/kg,比功率超過190W/kg,可快速充電,循環使用壽命較長,是鉛酸蓄電池的兩倍多,可達到2000多次,但價格為鉛酸蓄電池的4-5倍。它的初期購置成本雖高,但由于其在能色量和使用壽命方面的優勢,因此其長期的實際使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作,以免重金屬鎘成環境污染。

2、鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池和鎳鎘蓄電池一樣,也屬于堿性電池,其特性和鎳鎘蓄電池相似,不過鎳氫蓄電池不含鎘、銅,不存在重金屬污染問題。目前生產電動汽車鎳氫蓄電池的公司主要是Ovonie公司,它現有80A?h和130A?h兩種單元電池,并由此構成30kw?h和50kw?h兩種規格的電池。其比能量達75-80W?h/kg,比功率達160-230W/kg,循環使用壽命超過600次。這種蓄電池曾裝在幾種電動汽車上試用,其中一類車一次充電可行駛345km,有一輛車一年中行駛了8萬多公里。由于價格較高,目前尚未大批量生產。估計隨著鎳氫蓄電池技術的發展,其比能量可超過80w?h/kg,循環使用壽命可超過2000次,遠景價格可降至150美元/Kw?h。通用汽車公司已把它作為今后幾年電動汽車優先考慮蓄電池。

3、鈉硫蓄電池鈉硫蓄電池也是近期普遍看好的電動汽車菩電池,美國福特汽車公司的Mnivan電動汽車就是使用鈉硫蓄電池的。它已被美國先進電池聯合體(USMABC)列為中期發展的電動汽車蓄電池,德國ABB公司生產的B240K型鈉硫蓄電池,其質量為17.5kg,蓄電量19.2Kw?h;比能量達109W?h/kg,循環使用壽命1200次,裝車試驗時最好的一輛車無故障地行駛了2300km。鈉硫蓄電池主要存在高溫腐蝕嚴重,電池壽命較短。性能穩定性及使用安全性不太理想等問題。

4、鋰電池鋰電池的種類繁多,常見的有色鋰離子電他、高溫鋰熔直鹽電池、鋰聚合物電池和但聚合物固體電解質電池等,鋰離子電池比能量的理論值為570W?h/kg,它目前達到的性能指標是:比能量為100w?h/k8,比功率200w/kg,循環使用壽命為1200次,充電時間2-4小時。

5、鋅空氣電池鋅空氣電池的潛在比能量在200w?h/kg左右。美國DEMI公司為電動汽車開發的鋅空氣電池的比能量已達160W?h/kg左右,但它目前尚存在壽命短、比功率小、不能輸出大電流及難以充電等缺點。美國的CRX電動汽車裝的就是鋅空氣電池,該車為彌補它的不足,還裝有鎳鎘蓄電池以幫助汽車起運和加速CRX車的鋅空氣電池組質量為340kg,充足電后可存儲45kw?h的能量,同時裝備CRX的重達159kg的鎳錫蓄電池充足電后有4kw?h能量。充電12分鐘可使CRX電動汽車行駛65km,充電一小時則可行駛160km。

6、飛輪電池飛輪電池是90年代才提出的新概念電池,它突破了化學電池的局限,用物理方法實現儲能。眾所周知。當飛輪以一定角速度旋轉時,它就具有一定的動能。飛輪電池正是以其動能轉換成電能的。高技術型的飛輪用于儲存電能,就很像標準電池。飛輪電池中有一個電機,充電時該電機以電動機形式運轉,在外電源的驅動下,電機帶動飛輪高速旋轉,即用電給飛輪電池”充電”增加了飛輪的轉速從而增大其功能;放電時,電機則以發電機狀態運轉,在飛輪的帶動下對外輸出電能,完成機械能(動能)到電能的轉換。當飛輪電池公出電的時,飛輪轉速逐漸下降,飛輪電他的飛輪是在真空環境下運轉的,轉速極高(高達200000r/min),使用的軸承為非接觸式磁軸承。據稱,飛輪電池比能呈可達150W?h/kg,比功率達5000-10000W/kg,使用壽命長達25年,可供電動汽車行駛500萬公里。美國飛輪系統公司已用最新研制的飛輪池成功地把一輛克萊斯勒LHS轎車改成電動轎車,一次充電可行駛600km,由到96km/h加速度時間為6.5秒。

7、燃料電池燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能通過電極反應直接轉化為電能的發電裝置。它不經歷熱機過程,不受熱力循環限制,故能量轉換效率高,燃料電池的化學能轉換效率在理論上可達100%,實際效率已達60%~80%,是普通內燃機熱效率的2——3倍。現在應用于電動汽車中的燃料電池是一種被稱為質于交換膜燃料電池(PEMFC),它以純氫為燃料,以空氣成龍為氧化劑。在1993年加拿大溫哥華科技展覽會上,加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一輛以PEMFC電池為動力的電動公共汽車。載客20人,可行駛160km/h,最高速度72.2km/h。德國奔馳汽車公司也研制了以PEMFC電池為動力的電動汽車。站在下一世紀主導工業的角度,汽車工業圍繞著帶領能源如關不利污染二個方面,從車身輕量化、鋁合金發動機、鋼混合燃料發動機、可充電電池電動汽車等角度看來,各大汽車展開了激烈的競爭,本文著重介紹國外電動汽車電池的近況。

目前普遍認為,作為實用開發的重點和目標可分為近期、中期和遠期。近期以改進型鉛酸和Cd-Ni電池為主,中期以MH-Ni電池和Na-S電池為主,遠期以Li離子電池和燃料電池為主。目前,越來越多的研究人員選用鋰離子電池作為電動汽車的動力電池,因為鋰離子動力電池有以下優點:工作電壓高(是鎳鎘電池氫-鎳電池的3倍);比能量大(可達165WH/㎏,是氫鎳電池的3倍);體積小;質量輕;循環壽命長;自放電率低;無記憶效應;無污染等。如果采用鋰離子電池,電動汽車成本難以降低。磷酸鐵鋰電池也是一種鋰電池,其比能量不到鈷酸鋰電池的一半,但是其安全性高,循環次數能達到2000次,放電穩定,價格便宜,成為車用動力新的選擇。

日前,據有關資料顯示,全球汽車鋰電池的生產企業主要有二十多家,而日本則走在全球前列,有美國的A123、江森自控(JohnsonControls);中國的比亞迪、韓國的LG化學,而僅僅日本就有東芝、日立制作所、日本電氣(NEC)、GSYuasa、豐田汽車和松下電器產業的合并公司PanasonicEVEnergy等十來家相關企業。 中投顧問產業研究中心數據顯示,據目前在混合電動汽車上所使用的鎳氫電池幾乎大部分是由日本企業制造的,日本的豐田公司與本田公司主導著與混合電力汽車相關的技術,兩家公司在世界市場上的占有率超過85%。由于開發汽車上所使用的移動電池需要很長的時間,因此汽車生產企業與電池企業之間的合作是最為重要的。在韓國國內,現代汽車與LG化學公司已經共同開發合作超過5年。今年7月現代汽車即將推出伊蘭特LPG混合電動汽車。另外,LG化學公司已經成為了美國通用在內置型混合動力汽車所使用的電池的開發合作伙伴,兩家公司正在著手進行共同開發。 由此,韓國與日本公司在技術方面的競爭呈現白熱化。日本從1992年到2001年十年當中,在貯存電力用的鋰電池以及小型電器汽車上使用的鋰電池開發方面已經投入了166億日元。而從2002年到2006年,在燃料電池汽車所使用的鋰電池開發方面也投入了53億日元。今年,日本的汽車企業、電池企業等相關領域的企業一起發布了開發第二代汽車用移動電池的開發計劃。從去年開始到2011年,將在第二代汽車用電池系統的開發方面投入110億日元,研究開發的目標是開發出性能提升50%、價格僅為七分之一的全新電池。 以現代汽車公司與LG化學公司為主力的韓國企業從2004年開始的5年以來,作為第二代電池成長動力產業的一環,在混合電動汽車用高輸出動力的鋰電池開發方面已經投入了160億韓元的預算。另外,去年韓國知識經濟部決定在5年內,對內置型混合電力汽車用的移動電池與相關系統的開發方面援助400億韓元,并在2013年開始大規模生產。同時,本屆政府將親環境型汽車產業選定為新支柱產業。政府的目標是在今后在綠色汽車生產領域成為世界4大強國之一。 據德意志銀行調研顯示,整車企業最愿意與以下10家企業合作開發汽車鋰電池:1)JohnsonControls-Saft  (美國江森自控和和法國Saft的合資公司);2)A123系統公司(由麻省理工學院、通用電氣等投資成立,該公司與大陸集團有合作);3)LG化學(該公司在美國有子公司CompactPower);4)EnerDel(Ener1和德爾福的合資公司);5)AESC(日產和NEC的合資公司);6)PEVE(豐田和松下的合資公司);7)GS湯淺;8)日立;9)三洋電機;10)三星。 而權威的替代能源網站GreenCarCongress的編輯MichaelMillikin預測,將來車用鋰電池制造商的”三大”是:1)PEVE,2)AESC,3)LG化學。這些供應商大部分都與至少兩個整車企業簽了合同,而全球主要的幾大整車企業也一般選擇了至少兩家鋰電池供應商。

動力電池研發產品的主要性能居國際先進水平,電池產業基礎雄厚,但需要解決一些薄弱環節。我國動力電池關鍵技術、關鍵材料和產品研發取得重大進展,與日本、美國、德國等國際先進水平比較,總體水平相當,比亞迪、力神、雷天等企業開發出的鎳氫和鋰離子兩種類型、多個系列的車用動力電池,能量密度、功率密度(能量密度、功率密度是指單位重量的能量和功率,前者決定了電動汽車的續航里程和重量,后者決定了汽車的動力性)等主要性能指標居國際先進水平(見表1)。電催化劑、復合膜、雙極板等關鍵材料也取得重要進展。

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