蓄電池技術將要發生的兩次巨變

???? 鋰離子電池的充、放電機理完全不同于鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池和鎳氫蓄電池。后三種常用蓄電池是通過電極發生電化學反應，變換出其他化合物來儲存電能。而鋰離子電池則是通過涂布在電極上的活性材料存儲和釋放鋰離子，即通過鋰離子在電極活性材料上的“嵌入”和“脫出”，通過所謂“嵌脫現象”來存儲電能。
　　由于近一時期研究機構相繼發現了很多種可存儲（即嵌入）、釋放（即脫出）離子的電極活性材料、固態電解質和聚合物隔膜，再加上人們對這些新發現物質的深入研究，再在此基礎上又對蓄電池結構進行了創新改造，所以，“嵌脫式離子蓄電池”的性能得到迅猛提高。

　　日本、美國和德國學者普遍預計，到2015年、2030年這兩個年份，嵌脫式離子蓄電池組的制造成本將會降至現在價格的1/7和1/40。目前，國外許多科研機構正加緊對這種蓄電池組的技術實用化研究，有的已處于等待工業化的階段。換句話說，有望從本世紀中頁起，嵌脫式離子電池組的性能、結構和制造成本肯定會滿足人們對于高壓、大容量離子蓄電池組所寄予的厚望，使BEV、PHV能在性能、價格上真正與已采用了各種先進技術、還在不斷進步的M1類汽油機乘用車競爭，并得以按市場規律大量生產（不是靠政府或民間機構資助），從而降低汽車的污染物和溫室氣體的排放量，改變汽車的“食物”結構，使汽車的行駛能耗費用大幅度下降。

　　研究發現，可利用于“嵌脫反應”的許多無機固體電解質導電率非常高，非常適于制造可快速充電的高電壓、高能量密度的電池。

　　《汽車產業調整和振興規劃》提出，在未來3年內，我國將形成50萬輛各類電動汽車的產能。要完成這項任務，離子蓄電池組的產能必須先行達到?？墒牵覈羞@種先進電池的研發和生產規劃嗎？若要生產，是液態電解質的“鐵電池”？還是疊層型固體電解質鋰離子蓄電池？不得而知。日、德汽車業界已將未來電動汽車的動力來源鎖定在“疊層型固體電解質鋰離子蓄電池”上?？墒牵覈囯x子電池生產企業就連“液態電解質鋰離子電池”所需的隔膜材料至今也不能生產，全部要依靠進口，價格昂貴，占到動力電池成本的30%以上！近幾年，國際動力電池生產商和跨國汽車公司普遍組成各類合資公司，共同開發電動汽車動力電池技術，我國卻少有這樣的事例。在這樣的基礎上建立起來的50萬輛電動車年產能，是獨立自主型的還是依附型的，不難判斷。

　　近年發現的大量優秀鋰離子蓄電池或“非鋰蓄電池”的正極和負極候補活性材料，對于新一代車用動力蓄電池組的研發、推廣使用至關重要，也必將推動各類電動汽車高速發展。例如，國外有關機構最近發現，“硫化物鋰離子導體”成為晶體物質時，既有很高的鋰離子導電性，又有寬闊的“電化學窗”，因此，它很有可能成為固體電池的電解質（固體電解質）。此外，玻璃態鋰離子固體電解質、非整比化合物和其他一些鋰離子蓄電池正極、負極候補活性材料的發現，也備受業內重視。

　　可以肯定的是：

　　一、將于2015年前后問世的“先進型”蓄電池將不會是“鐵電池”，很可能是不 含鋰化合物的“嵌脫式離子蓄電池”。

　　二、將于2030年前后面世的“革新型”蓄電池也不會是“鐵電池”，它應是大容量、低成本的 “嵌脫式蓄電池”，它將大量使用新發現的各類電極活性材料和輔助材料。

飛輪電池
本帖最后由 藍虎 于 2009-1-24 23:15 編輯
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 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加速時間為6.5秒。
　　飛輪儲能電池的概念起源于上世紀７０年代早期，最初只是想將其應用在電動汽車上，但限于當時的技術水平，并沒有得到發展。直到上世紀９０年代由于電路拓撲思想的發展，碳纖維材料的廣泛應用，以及全世界范圍對污染的重視，這種新型電池又得到了高速發展，并且伴隨著磁軸承技術的發展，這種電池顯示出更加廣闊的應用前景，現正迅速地從實驗室走向社會?，F在歐美國家已出現實用化產品，而我國在這方面的研究才剛剛起步。
　　一、 何謂飛輪儲能電池
　　飛輪儲能電池系統包括三個核心部分：一個飛輪，電動機—發電機和電力電子變換裝置。
　　電力電子變換裝置從外部輸入電能驅動電動機旋轉，電動機帶動飛輪旋轉，飛輪儲存動能（機械能），當外部負載需要能量時，用飛輪帶動發電機旋轉，將動能轉化為電能，再通過電力電子變換裝置變成負載所需要的各種頻率、電壓等級的電能，以滿足不同的需求。由于輸入、輸出是彼此獨立的，設計時常將電動機和發電機用一臺電機來實現，輸入輸出變換器也合并成一個，這樣就可以大大減少系統的大小和重量。同時由于在實際工作中，飛輪的轉速可達40000～50000r/min，一般金屬制成的飛輪無法承受這樣高的轉速，所以飛輪一般都采用碳纖維制成，既輕又強，進一步減少了整個系統的重量，同時，為了減少充放電過程中的能量損耗（主要是摩擦力損耗），電機和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機械摩擦；同時將飛輪和電機放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率（輸入輸出）達95％左右。
　　實際使用的飛輪裝置中，主要包括以下部件：飛輪、軸、軸承、電機、真空容器和電力電子變換器。飛輪是整個電池裝置的核心部件，它直接決定了整個裝置的儲能多少，它儲存的能量由公式 決定。式中 為飛輪的轉動慣量，與飛輪的形狀和重量有關； 為飛輪的旋轉角速度。
　　電力電子變換器通常是由MOSFET 和IGBT組成的雙向逆變器，它們的原理不再敘述，它們決定了飛輪裝置能量輸入輸出量的大小。
　　二、飛輪電池與其它電池的比較
　　現在，使用最多最廣的儲能電池無疑是化學電池，它將電能轉變為化學能儲存，再轉化為電能輸出，它價格低廉，技術成熟，但污染嚴重，效率低下，充電時間長，用電時間短，使用過程中電能不易控制。
　　另一儲能電池是超導電池，它把電能轉化為磁能儲存在超導線圈的磁場中，由于超導狀態下線圈沒有電阻，所以能量損耗非常小，效率也高，對環境污染也小。但由于超導狀態是線圈處于極低溫度下才能實現，維持線圈處于超導狀態所需要的低溫需耗費大量能源，而且維持裝置過大，不易小型化，所以家用市場前景不強。
　　飛輪電池則兼顧了兩者的優點，雖然近階段的價格較高，但伴隨著技術的進步，必將有一個非常廣闊的前景。下面通過表—1來具體比較三者的優缺點。
　　表—1 三種電池性能比較
　　化學電池 飛輪電池 超導電池
　　儲能方式 化學能 機械能 電磁能
　　使用壽命 3～5 ＞20 ～20
　　技術 成熟 驗證 驗證
　　溫度范圍 限制 不限 不限
　　相對尺寸（同功率） 大 最小 中間
　　儲能密度 小 大 大
　　放能深度 淺 深 深
　　價格 低 高 較高
　　環境影響 污染 無污染 無污染
　　三、飛輪電池的應用場合及現狀
　　由于技術和材料價格的限制，飛輪電池的價格相對較高，在小型場合還無法體現其優勢。但在下列一些需大型儲能裝置的場合，使用化學電池的價格也非常昂貴，飛輪電池已得到逐步應用。
　　1、太空 包括人造衛星、飛船、空間站，飛輪電池一次充電可以提供同重量化學電池兩倍的功率，同負載的使用時間為化學電池的3～10倍。同時，因為它的轉速是可測可控的，故可以隨時查看電能的多少。美國太空總署已在空間站安裝了48個飛輪電池，聯合在一起可提供超過150KW的電能。據估計相比化學電池，可節約200萬美元左右。
　　2、交通運輸 包括火車和汽車，這種車輛采用內燃機和電機混合推動，飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時，給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩、最優的狀態下的轉速，可減少燃料消耗，空氣和噪聲污染，發動機的維護，延長發動機的壽命。美國TEXAS大學已研制出一汽車用飛輪電池，電池在車輛需要時，可提供150KW的能量，能加速滿載車輛到100Km/h。在火車方面，德國西門子公司已研制出長1.5m，寬0.75m的飛輪電池，可提供3MW的功率，同時，可儲存30%的剎車能。
　　3、不間斷電源 飛輪電池可提供高可靠的穩定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時間足已保證工廠進行電源切換。德國GmbH 公司制造了一種使用飛輪電池的UPS，在5s內可提供或吸收5MW的電能。
　　4、軍用戰斗車輛 美國國防部預測未來的戰斗車輛在通信、武器和防護系統等方面都廣泛需要電能，飛輪電池由于其快速的充放電，獨立而穩定的能量輸出，重量輕，能使車輛工作處于最優狀態，減少車輛的噪聲（戰斗中非常重要），提高車輛的加速性能等優點，已成為美國軍方首要考慮的儲能裝置。
　　作為一種新興的儲能方式，飛輪電池所擁有傳統化學電池無法比擬的優點已被人們廣泛認同，它非常符合未來儲能技術的發展方向。目前，飛輪電池除了上面介紹的應用領域以外，也正在向小型化、低廉化的方向發展。現在，最可能出現的是手機電池。可以預見，伴隨著技術和材料學的進步，飛輪電池將在未來的各行各業中發揮重要的作用。