動力電池類型及應用特點

目錄

1.鉛酸電池

2.鎳金屬電池

3.鋰離子蓄電池

4.高溫鈉電池

5.金屬空氣電池

6.超級電容

7.飛輪電池

8.燃料電池

9.太陽能電池

1、鉛酸電池

法國人普蘭特于1859年發明鉛酸蓄電池，至今已經歷了近157年的發展歷程，鉛酸蓄電池在理論研究方面，在產品種類及品種，產品電氣性能等方面都得到了長足的進步，不論是在交通、通信、電力、軍事還是在航海、航空各個經濟領域，鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用，它也是成熟的電動汽車蓄電池。

鉛酸電池組成：正負電極分別為二氧化鉛和鉛，電解液為硫酸。

鉛酸電池可以分為兩類：

注水式鉛酸電池：注水式鉛酸電池價廉，但需要經常維護，補充電解液。

閥控式鉛酸電池：閥控式鉛酸電池通過安全控制閥自動調節密封電池體內在充電或工作異常時產生的多余氣體，免維護，更符合電動汽車的要求。

總體上說，鉛酸電池具有可靠性好、原材料易得、價格便宜等優點，比功率也基本上能滿足電動汽車的動力性要求。

但它有三大缺點；比能量低，所占的質量和體積太大；

充電行駛里程較短；

使用壽命短，使用成本過高。

由于鉛酸電池的技術比較成熟，經過進一步改進的鉛酸電池仍將是近期電動汽車的主要電源，正在開發的電動汽車用先進鉛酸電池主要有以下幾種：

l 水平鉛酸電池；

l 雙極密封鉛酸電池；

l 卷式電極鉛酸電池等。

根據鉛酸蓄電池結構與用途區別，粗略將電池分為四大類：

1、啟動用鉛酸蓄電池；

2、動力用鉛酸蓄電池；

3、固定型閥控密封式鉛酸蓄電池；

4、其它類，包括：小型閥控密封式鉛酸蓄電池，

礦燈用鉛酸蓄電池等。

一個單格鉛酸電池的標稱電壓是2.0V，能放電到1.5V，能充電到2.4V。在應用中，經常用6個單格鉛酸電池串聯起來組成標稱是12V的鉛酸電池；同時還有24V(12V*2)、36V(12V*3)、48V(12V*4)等。

12V電壓變化范圍：9V-14.4V；

24V電壓變化范圍：18V-28.8V；

36V電壓變化范圍：27V-43.2V；

48V電壓變化范圍：36V-57.6V；

電池正常溫度操作范圍為：77.F（25℃）；

電池放電后（裝在設備中）：5.F到122.F（-15℃到50℃）；

充電后：32.F到104.F（0℃到40℃）；

儲存中：5.F到104.F（-15℃到40℃）。

啟動用鉛酸蓄電池：一種專門用于車輛、船舶和飛機起動、照明、點火（縮寫為SLI）和供電（20世紀80年代以后多縮寫為SLIG）的鉛酸蓄電池。一般指汽車蓄電池(automobile battery)，或者叫汽車啟動電池。多為額定電池的額定容量C約36～210A·h，形成一個系列，比能量為35～45W·h/kg（按20h放電率能量計），可以數倍于C放電率放電。

啟動用蓄電池（汽車啟動電池）電壓等級：12V（乘用車），24V（商用車）；

動力用鉛酸蓄電池：為工具提供動力來源的電源，多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池，其主要區別于用于汽車發動機起動的啟動電池；

低速電動車用電池電壓等級：48V，60V，72V等；

2、鎳金屬電池

（1）鎳鎘電池（Ni-Cd，Nickel-Cadmium Batteries）

鎳鎘電池最早應用于手機等設備的電池種類，它具有良好的大電流放電特性、耐過充放電能力強、維護簡單；

鎳鎘電池最致命的缺點是在充放電過程中如果處理不當，會出現嚴重的“記憶效應”，使得服務壽命大大縮短。所謂“記憶效應”就是電池在充電前，電池的電量沒有被完全放盡，久而久之將會引起電池容量的降低，在電池充放電的過程中（放電較為明顯），會在電池極板上產生些許的小氣泡，日積月累這些氣泡減少了電池極板的面積也間接影響了電池的容量。

此外，鎳鎘電池（Ni－Cd）中的鎘有毒，使廢電池處理復雜，環境受到污染，因此它將逐漸被用儲氫合金做成的鎳氫充電電池（Ni－MH）所替代。

（2）鎳氫電池（Ni－MH Batteries）

鎳氫電池是手機電池中質量優良、安全可靠且有利于環保的電池。鎳金屬氫電池的電量儲備比鎳鎘電池多30%，使移動電話的通話時間也因而延長了30%。鎳氫電池比鎳鎘電池更輕，使用壽命也更長，對環境無污染，無記憶效應。鎳氫電池的缺點是價格比鎳鎘電池要貴，性能比鋰電池要差。屬于中檔電池。

從電池電量來講，相同大小的鎳氫充電電池電量比鎳鎘電池高約1.5～2倍，現已經廣泛地用于移動通訊、筆記本計算機等各種小型便攜式的電子設備。

更大容量的鎳氫電池已經開始用于汽油/電動混合動力汽車上，利用鎳氫電池可快速充放電過程，當汽車高速行駛時，發電機所發的電可儲存在車載的鎳氫電池中，當車低速行駛時，通常會比高速行駛狀態消耗大量的汽油，因此為了節省汽油，此時可以利用車載的鎳氫電池驅動電動機來代替內燃機工作，這樣既保證了汽車正常行駛，又節省了大量的汽油，因此，混合動力車相對傳統意義上的汽車具有更大的市場潛力。

豐田普銳斯汽車采用鎳氫電池是最典型的應用。

3、鋰離子蓄電池

鋰離子蓄電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態；放電時則相反。

電極材料都是鋰離子可以嵌入(插入)/脫嵌(脫插)的。

以鈷酸鋰，錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰（三元材料）、磷酸鐵鋰等為正極材料的動力電池，統歸為鋰離子動力電池，各有優勢，是新一代鋰離子動力電池的發展趨勢；和所有化學電池一樣，鋰離子電池也由四個部分組成：正極、負極、隔膜和電解質。

（1）正極——活性物質一般為鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰（三元材料）、磷酸鐵鋰材料等，

正極反應：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。

鈷酸鋰電池：其特性是結構穩定、容量比高、綜合性能突出、但安全性差、成本非常高，主要為中小型號電芯，廣泛應用于筆記本電腦、手機、MP3/4等小型電子設備中，標稱電壓3.7V。

錳酸鋰電池：錳酸鋰是成本低、安全性和低溫性能好的正極材料，但是其材料本身并不太穩定，容易分解產生氣體，因此多用于和其它材料混合使用，以降低電芯成本，但其循環壽命衰減較快，容易發生鼓脹，高溫性能較差、壽命相對短，主要用于大中型號電芯及動力電池方面，其參數如下：

標稱電壓為3.7V，輸出電壓范圍：2.5~4.2v ，標準持續放電電流：0.2C，最大持續放電電流：1C，工作溫度：充電：0~45℃，放電：-20~60℃。

三元鋰電池：是指正極材料使用鋰鎳鈷錳三元正極材料的鋰電池，三元材料是鎳鈷錳酸鋰Li（NiCoMn）O2，三元材料做正極的電池相對于鈷酸鋰電池安全性高；

電芯正極材料：錳酸鋰（LiMn204），

混合添加劑：鋰、鎳、鋁氧化物（Li（Ni-Al）02）。

電芯負極材料：石墨。

磷酸鐵鋰電池：是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，分子式：LiFePO4；

磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

（2）隔膜——一種經特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結構，可以讓鋰離子自由通過，而電子不能通過；

（3）負極——活性物質為石墨，或近似石墨結構的碳；

（4）有機電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑，聚合物的則使用凝膠狀電解液；

（5）電池外殼——分為鋼殼、鋁殼、鋁塑膜（軟包裝）等。

鋰離子動力電池電壓是鎳鎘電池，鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的2倍，這是體現鋰離子動力電池比能量高的一個重要原因，鋰離子動力電池組成相同電壓的動力電池組時，鋰離子動力電池使用的串聯數目會大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動力電池中單體電池數量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實際使用過程中電池組有問題分析后，一般是其中一、兩個單體電池出問題然后導致整組電池出現問題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個角度上講鋰電更適合動力電池的使用。例如36V 的鋰電只需要10個單體，而36V鉛酸電池需要18個單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。

鈦酸鋰電池：鈦酸鋰作為鋰離子電池負極材料，可與錳酸鋰、三元材料或磷酸鐵鋰等正極材料組成2.4V或1.9V的鋰離子二次電池。

鈦酸鋰還可以用作正極，與金屬鋰或鋰合金負極組成1.5V的鋰二次電池。

由于鈦酸鋰的高安全性、高穩定性、長壽命和綠色環保的特點，預計鈦酸鋰材料在數年后，一定會成為新一代鋰離子電池的負極材料而被廣泛應用在新能源汽車、電動摩托車和要求高安全性、高穩定性和長周期的應用領域。鈦酸鋰電池工作電壓2.4V，最高電壓3.0V，充電電流大于2C。

鈦酸鋰電池也由四個部分組成：正極、負極、隔膜、電解液、電池殼；

鈦酸鋰特性如下：測試數據表明，在6C充電，6C放電，100%DOD的條件下，鈦酸鋰單體電池的循環壽命超過25000次，剩余容量超過80%，同時電芯產生的脹氣現象不明顯，不影響其壽命。

4、鈉硫電池

鈉硫電池是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池；在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發生的可逆反應，形成能量的釋放和儲存。

鈉硫電池是美國福特(Ford)公司于1967年首先發明公布的，至今才40年左右的歷史。

電池通常是由正極、負極、電解質、隔膜和外殼等幾部分組成。一般常規二次電池如鉛酸電池、鎘鎳電池等都是由固體電極和液體電解質構成，而鈉硫電池則與之相反，它是由熔融液態電極和固體電解質組成的，構成其負極的活性物質是熔融金屬鈉，正極的活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫是絕緣體，所以硫一般是填充在導電的多孔的炭或石墨氈里，固體電解質兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子被稱為Al2O3的陶瓷材料，外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。

鈉硫電池特色：

1）比能量(即電池單位質量或單位體積所具有的有效電能量)高。其理論比能量為760Wh/Kg，實際已大于150Wh/Kg，是鉛酸電池的3-4倍；

2）可大電流、高功率放電：其放電電流密度一般可達200-300mA/cm2，瞬時間可放出其3倍的固有能量；

3）充放電效率高：由于采用固體電解質，所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100%。

鈉硫電池缺陷：

鈉硫電池工作溫度在300-350℃，電池工作時需要一定的加熱保溫，采用高性能的真空絕熱保溫技術，可有效地解決這一問題。

鈉硫電池已經成功用于削峰填谷、應急電源、風力發電等可再生能源的穩定輸出以及提高電力質量等方面。在國外已經有上百座鈉硫電池儲能電站在運行，是各種先進二次電池中最為成熟和最具潛力的一種。

5、 空氣電池

空氣電池是化學電池的一種，構造原理與干電池相似，所不同的只是它的氧化劑取自空氣中的氧，空氣電池分類如下：

(1）鋅空氣電池( zinc air battery)

用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質，以鋅為負極，以氯化銨或苛性堿溶液為電解質的一種原電池，稱之為鋅氧電池。分為中性和堿性兩個體系的鋅空氣電池，分別用字母A和P表示，其后再用數字表示電池的型號。鋅空氣電池的充電過程進行得十分緩慢，為解決這一問題，通常鋅空氣電池的負極鋅板或鋅粒，被氧化成氧化鋅而失效后，一般采用直接更換鋅板或鋅粒和電解質的方法，使鋅空氣電到完全更新。

(2）鋰空氣電池

鋰空氣電池并非新概念，由于在正極上使用空氣中的氧作為活性物質，理論上正極的容量密度是無限的，可加大容量。另外，如果負極使用金屬鋰，理論容量會比鋰離子充電電池提高一個數量級。

但是鋰-空氣電池至今都未普及其原因是它存在致命缺陷，即固體反應生成物氧化鋰(Li2O)會在正極堆積，使電解液與空氣的接觸被阻斷，從而導致放電停止；日本的研究院克服了這個困難，但要想實現商用，可能還需要10年。

(3）鋁空氣電池

鋁空氣電池是以鋁與空氣作為電池材料的一種新型電池。它是一種無污染、長效、穩定可靠的電源，是一款對環境十分友好的電池。電池的結構以及使用的原材料可根據不同實用環境和要求而變動，具有很大的適應性，既能用于陸地也能用于深海，既可做動力電池，又能作長壽命高比能的信號電池，是一款十分強大的電池，有很廣闊的應用前景。

鋁空氣電池的化學反應與鋅空氣電池類似，鋁空氣電池以高純度鋁Al(含鋁99.99%)為正極、氧為負極，以氫氧化鉀(KOH)和氫氧化鈉(NaOH)水溶液為電解質。鋁攝取空氣中的氧，在電池放電時產生化學反應，鋁和氧作用轉化為氧化鋁。鋁空氣電池的進展十分迅速，它在EV（純電動汽車）上的應用已取得良好效果，是一種很有發展前途的空氣電池。

鋁空氣電池優點

l 比能量大；

l 質量輕；

l 鋁沒有毒性和危險性。

鋁空氣電池缺點

l 比功率低；

l 充電和放電速度緩慢；

l 電壓滯后，自放電率較大；

l 需采用熱管理系統來防止鋁空氣電池工作時的過熱。

6、超級電容電池

超級電容電池又叫雙電層電容器(Electrical Double-LayerCapacitor)是一種新型儲能裝置，它具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。

超級電容器用途廣泛：用作起重裝置的電力平衡電源，可提供超大電流的電力；用作車輛啟動電源，啟動效率和可靠性都比傳統的蓄電池高，可以全部或部分替代傳統的蓄電池；用作車輛的牽引能源可以生產電動汽車、替代傳統的內燃機、改造現有的無軌電車；用在軍事上可保證坦克車、裝甲車等戰車的順利啟動（尤其是在寒冷的冬季）、作為激光武器的脈沖能源。此外還可用于其他機電設備的儲能能源。

突出優點是功率密度高、充放電時間短、循環壽命長、工作溫度范圍寬，是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，其特性羅列如下：

（1）充電速度快，充電10秒～10分鐘可達到其額定容量的95%

以上；

（2）循環使用壽命長，深度充放電循環使用次數可達1~50萬次，

沒有“記憶效應”；

（3）大電流放電能力超強，能量轉換效率高，過程損失小，大電流

能量循環效率≥90%；

（4）功率密度高，可達300W/KG~5000W/KG，相當于電池的

5~10倍；

（5）產品原材料構成、生產、使用、儲存以及拆解過程均沒有污染，

是理想的綠色環保電源；

（6）充放電線路簡單，無需充電電池那樣的充電電路，安全系數高，

長期使用免維護；

（7）超低溫特性好，溫度范圍寬-40℃～+70℃；

（8）檢測方便，剩余電量可直接讀出；

（9）容量范圍通常0.1F--1000F 。

7、飛輪電池

飛輪電池是20世紀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。當飛輪電池發出電的時，飛輪轉速逐漸下降，飛輪電池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，飛輪電池比能量可達150Wh/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電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，由靜止到96km/h加速時間為6.5秒。

8、燃料電池

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能直接轉化為電能的發電裝置，其單體電池是由正負兩個電極(負極即燃料電極和正極即氧化劑電極)以及電解質組成，不同的是一般電池的活性物質貯存在電池內部，限制了電池容量。而燃料電池的正、負極本身不包含活性物質，只是個催化轉換元件。因此燃料電池是名符其實的把化學能轉化為電能的能量轉換機器。電池工作時，燃料和氧化劑由外部供給，進行反應。原則上只要反應物不斷輸入，反應產物不斷排除，燃料電池就能連續地發電。這里以氫-氧燃料電池為例來說明燃料電池

氫-氧燃料電池反應原理是電解水的逆過程。

電極反應為：

負極：H2 +2OH-→2H2O +2e-；

正極：1/2O2+H2O+2e-→2OH-；

電池反應：H2+1/2O2==H2O。

燃料電池組成部分

1、電極（Electrode）

燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所。

電極分兩部分，其一為陽極（Anode），另一為陰極（Cathode），

2、電解質隔膜（Electrolyte Membrane）

電解質隔膜的主要功能在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子；

3、集電器（Current Collector）

集電器又稱作雙極板（Bipolar Plate），具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等之功用；

4、輔助系統

反應劑供給系統、排熱系統、排水系統、電性能控制系統、安全裝置等。

燃料電池通常由形成離子導電體的電解質板和其兩側配置的燃料極（陽極）和空氣極（陰極）、及兩側氣體流路構成，氣體流路的作用是使燃料氣體和空氣（氧化劑氣體）能在流路中通過。

按燃料的處理方式的不同，可分為直接式、間接式和再生式。直接式燃料電池按溫度的不同又可分為低溫、中溫和高溫三種類型。間接式的包括重整式燃料電池和生物燃料電池。再生式燃料電池中有光、電、熱、放射化學燃料電池等。按照電解質類型的不同，可分為堿型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸鹽型、固體電解質型燃料電池。

豐田Mirai搭載的燃料電池堆棧是由370片薄片燃料電池組成的，因此被稱為“堆?！保还部梢暂敵?14千瓦的發電功率。

9、太陽能電池

太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，是一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片。它只要被滿足一定照度條件的光照到，瞬間就可輸出電壓及在有回路的情況下產生電流。在物理學上稱為太陽能光伏（Photovoltaic，voltaics伏特，縮寫為PV），簡稱光伏。

工作原理

太陽光照在半導體p-n結上，形成新的空穴-電子對，在p-n結內建電場的作用下，光生空穴流向p區，光生電子流向n區，接通電路后就產生電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置。

太陽能電池組件構成及各部分功能：

1） 鋼化玻璃：其作用為保護發電主體（電池片），

其特性如下：透光率在91%以上；超白鋼化處理；

2） EVA：其作用是 用來粘結固定鋼化玻璃和發電主體（電池片），透明EVA材質的優劣直接影響到組件的壽命，主要粘結封裝發電主體和背板。

3） 電池片：其主要作用就是發電，分兩類：

晶體硅太陽能電池片：設備成本相對較低，光電轉換效率也高，在室外陽光下發電比較適宜，但消耗及電池片成本很高；

薄膜太陽能電池片：消耗和電池成本很低，弱光效應非常好，在普通燈光下也能發電，但相對設備成本較高，光電轉化效率相對晶體硅電池片一半多點，如計算器上的太陽能電池。

4） 背板作用，密封、絕緣、防水（一般都用TPT、TPE等材質必須耐老化，大部分組件廠家都是質保25年，鋼化玻璃，鋁合金一般都沒問題，關鍵就在與背板和硅膠是否能達到要求。）

5） 鋁合金保護層壓件，起一定的密封、支撐作用。

6） 接線盒保護整個發電系統，起到電流中轉站的作用，如果組件短路接線盒自動斷開短路電池串，防止燒壞整個系統接，線盒中最關鍵的是二極管的選用，根據組件內電池片的類型不同，對應的二極管也不相同。

7） 硅膠密封作用，用來密封組件與鋁合金邊框、組件與接線盒交界處有些公司使用雙面膠條、泡棉來替代硅膠，國內普遍使用硅膠，工藝簡單，方便，易操作，而且成本很低。

太陽能發電方式

1）光—熱—電轉換

光—熱—電轉換方式通過利用太陽輻射產生的熱能發電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉換成工質的蒸氣，再驅動汽輪機發電。前一個過程是光—熱轉換過程；后一個過程是熱—電轉換過程，與普通的火力發電一樣。

2）光—電直接轉換

太陽光電的發電原理是利用太陽電池吸收0.4μm～1.1μm波長(針對硅晶)的太陽光，將光能直接轉變成電能輸出的一種發電方式。

由于太陽能電池產生直流電，需加裝直/交流轉換器（DC/AC逆變器），換成交流電供家庭用電或工業用電。