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锂离子电池取代铅和镍氢电池
来源:淮安明科光电科技有限公司  发表时间:2018/7/11 15:38:37  点击:199 次

蓄电池及其管理系统是电动汽车的关键技术之一。在以往几年中,大部分企业在电动汽车研制中曾遭遇尴尬,主要是因为采用了铅酸、镍镉、镍氢电池(Ni-MH)等。现在,经过研制与实验比较,采用能量密度更高的锂离子电池取代铅和镍氢电池,运用于汽车领域正成为一项核心技术,它具有重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛,是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用蓄电池。缺点是价格较贵、安全性较差。不过现在已有技术开发锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等新型材料,大大提高了锂离子电池的安全性,而且降低了成本。

锂离子电池产业化动态

随着成本的急剧降低和性能的大幅度提高,已有许多汽车生产厂家开始投入使用锂离子电池。如富士重工与NEC合作开发廉价的单体(Cell)锰系锂离子电池(即锰酸锂电池),具有高安全性、低制造成本特点,在车载环境下的寿命高达12年、10万公里,与纯电动汽车的整车寿命相当。东芝开发的可急速充电锂离子蓄电池组,除了小型、大容量的特点之外,采用了能使纳米级微粒均一化固定技术,可使锂离子均匀地吸附在蓄电池负极上,能在一分钟之内充电至其容量的80%,再经6分钟便可充满电。美国的主要电池厂Johnson Controls针对电动车需求特性的锂离子电池于2005年9月在威斯康星州Milwaukee设立研发地点,2006年1月另出资50%与法国电池厂Saft共同成立Johnson Controls-Saft Advanced Power Solution (JCS)。JCS 于2006年8月承接了美国能源部(DOE)所主导2年USABC(United States Advanced Battery Consortium)纯电动车锂离子电池研发计划合约,另外亦与车厂签约提供高功率锂离子电池。目前世界上动力电池主要有以下几类:1、铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有100多年的历史,广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池,目前约有8%~90%的采用率。它可靠性好、原材料易得、价格便宜;比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点;一是比能量低,所占的质量和体积太大,且一次充电行驶里程较短;另一个是使用寿命短,使用成本过高。镍镉电池目前,镍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池其比能量可达55W?h/kg,比功率超过190W/kg,可快速充电,循环使用寿命较长,是铅酸蓄电池的两倍多,可达到2000多次,但价格为铅酸蓄电池的4-5倍。它的初期购置成本虽高,但由于其在能色量和使用寿命方面的优势,因此其长期的实际使用成本并不高。使用中要注意做好回收工作,以免重金属镉成环境污染。

2、镍氢蓄电池镍氢蓄电池和镍镉蓄电池一样,也属于碱性电池,其特性和镍镉蓄电池相似,不过镍氢蓄电池不含镉、铜,不存在重金属污染问题。目前生产电动汽车镍氢蓄电池的公司主要是Ovonie公司,它现有80A?h和130A?h两种单元电池,并由此构成30kw?h和50kw?h两种规格的电池。其比能量达75-80W?h/kg,比功率达160-230W/kg,循环使用寿命超过600次。这种蓄电池曾装在几种电动汽车上试用,其中一类车一次充电可行驶345km,有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高,目前尚未大批量生产。估计随着镍氢蓄电池技术的发展,其比能量可超过80w?h/kg,循环使用寿命可超过2000次,远景价格可降至150美元/Kw?h。通用汽车公司已把它作为今后几年电动汽车优先考虑蓄电池。

3、钠硫蓄电池钠硫蓄电池也是近期普遍看好的电动汽车菩电池,美国福特汽车公司的Mnivan电动汽车就是使用钠硫蓄电池的。它已被美国先进电池联合体(USMABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池,德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池,其质量为17.5kg,蓄电量19.2Kw?h;比能量达109W?h/kg,循环使用寿命1200次,装车试验时最好的一辆车无故障地行驶了2300km。钠硫蓄电池主要存在高温腐蚀严重,电池寿命较短。性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。

4、锂电池锂电池的种类繁多,常见的有色锂离子电他、高温锂熔直盐电池、锂聚合物电池和但聚合物固体电解质电池等,锂离子电池比能量的理论值为570W?h/kg,它目前达到的性能指标是:比能量为100w?h/k8,比功率200w/kg,循环使用寿命为1200次,充电时间2-4小时。

5、锌空气电池锌空气电池的潜在比能量在200w?h/kg左右。美国DEMI公司为电动汽车开发的锌空气电池的比能量已达160W?h/kg左右,但它目前尚存在寿命短、比功率小、不能输出大电流及难以充电等缺点。美国的CRX电动汽车装的就是锌空气电池,该车为弥补它的不足,还装有镍镉蓄电池以帮助汽车起运和加速CRX车的锌空气电池组质量为340kg,充足电后可存储45kw?h的能量,同时装备CRX的重达159kg的镍锡蓄电池充足电后有4kw?h能量。充电12分钟可使CRX电动汽车行驶65km,充电一小时则可行驶160km。

6、飞轮电池飞轮电池是90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。众所周知。当飞轮以一定角速度旋转时,它就具有一定的动能。飞轮电池正是以其动能转换成电能的。高技术型的飞轮用于储存电能,就很像标准电池。飞轮电池中有一个电机,充电时该电机以电动机形式运转,在外电源的驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池”充电”增加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电能的转换。当飞轮电池公出电的时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电他的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min),使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能呈可达150W?h/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车,一次充电可行驶600km,由到96km/h加速度时间为6.5秒。

7、燃料电池燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置。它不经历热机过程,不受热力循环限制,故能量转换效率高,燃料电池的化学能转换效率在理论上可达100%,实际效率已达60%~80%,是普通内燃机热效率的2——3倍。现在应用于电动汽车中的燃料电池是一种被称为质于交换膜燃料电池(PEMFC),它以纯氢为燃料,以空气成龙为氧化剂。在1993年加拿大温哥华科技展览会上,加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一辆以PEMFC电池为动力的电动公共汽车。载客20人,可行驶160km/h,最高速度72.2km/h。德国奔驰汽车公司也研制了以PEMFC电池为动力的电动汽车。站在下一世纪主导工业的角度,汽车工业围绕着带领能源如关不利污染二个方面,从车身轻量化、铝合金发动机、钢混合燃料发动机、可充电电池电动汽车等角度看来,各大汽车展开了激烈的竞争,本文着重介绍国外电动汽车电池的近况。

目前普遍认为,作为实用开发的重点和目标可分为近期、中期和远期。近期以改进型铅酸和Cd-Ni电池为主,中期以MH-Ni电池和Na-S电池为主,远期以Li离子电池和燃料电池为主。目前,越来越多的研究人员选用锂离子电池作为电动汽车的动力电池,因为锂离子动力电池有以下优点:工作电压高(是镍镉电池氢-镍电池的3倍);比能量大(可达165WH/㎏,是氢镍电池的3倍);体积小;质量轻;循环寿命长;自放电率低;无记忆效应;无污染等。如果采用锂离子电池,电动汽车成本难以降低。磷酸铁锂电池也是一种锂电池,其比能量不到钴酸锂电池的一半,但是其安全性高,循环次数能达到2000次,放电稳定,价格便宜,成为车用动力新的选择。

日前,据有关资料显示,全球汽车锂电池的生产企业主要有二十多家,而日本则走在全球前列,有美国的A123、江森自控(JohnsonControls);中国的比亚迪、韩国的LG化学,而仅仅日本就有东芝、日立制作所、日本电气(NEC)、GSYuasa、丰田汽车和松下电器产业的合并公司PanasonicEVEnergy等十来家相关企业。 中投顾问产业研究中心数据显示,据目前在混合电动汽车上所使用的镍氢电池几乎大部分是由日本企业制造的,日本的丰田公司与本田公司主导着与混合电力汽车相关的技术,两家公司在世界市场上的占有率超过85%。由于开发汽车上所使用的移动电池需要很长的时间,因此汽车生产企业与电池企业之间的合作是最为重要的。在韩国国内,现代汽车与LG化学公司已经共同开发合作超过5年。今年7月现代汽车即将推出伊兰特LPG混合电动汽车。另外,LG化学公司已经成为了美国通用在内置型混合动力汽车所使用的电池的开发合作伙伴,两家公司正在着手进行共同开发。 由此,韩国与日本公司在技术方面的竞争呈现白热化。日本从1992年到2001年十年当中,在贮存电力用的锂电池以及小型电器汽车上使用的锂电池开发方面已经投入了166亿日元。而从2002年到2006年,在燃料电池汽车所使用的锂电池开发方面也投入了53亿日元。今年,日本的汽车企业、电池企业等相关领域的企业一起发布了开发第二代汽车用移动电池的开发计划。从去年开始到2011年,将在第二代汽车用电池系统的开发方面投入110亿日元,研究开发的目标是开发出性能提升50%、价格仅为七分之一的全新电池。 以现代汽车公司与LG化学公司为主力的韩国企业从2004年开始的5年以来,作为第二代电池成长动力产业的一环,在混合电动汽车用高输出动力的锂电池开发方面已经投入了160亿韩元的预算。另外,去年韩国知识经济部决定在5年内,对内置型混合电力汽车用的移动电池与相关系统的开发方面援助400亿韩元,并在2013年开始大规模生产。同时,本届政府将亲环境型汽车产业选定为新支柱产业。政府的目标是在今后在绿色汽车生产领域成为世界4大强国之一。 据德意志银行调研显示,整车企业最愿意与以下10家企业合作开发汽车锂电池:1)JohnsonControls-Saft  (美国江森自控和和法国Saft的合资公司);2)A123系统公司(由麻省理工学院、通用电气等投资成立,该公司与大陆集团有合作);3)LG化学(该公司在美国有子公司CompactPower);4)EnerDel(Ener1和德尔福的合资公司);5)AESC(日产和NEC的合资公司);6)PEVE(丰田和松下的合资公司);7)GS汤浅;8)日立;9)三洋电机;10)三星。 而权威的替代能源网站GreenCarCongress的编辑MichaelMillikin预测,将来车用锂电池制造商的”三大”是:1)PEVE,2)AESC,3)LG化学。这些供应商大部分都与至少两个整车企业签了合同,而全球主要的几大整车企业也一般选择了至少两家锂电池供应商。

动力电池研发产品的主要性能居国际先进水平,电池产业基础雄厚,但需要解决一些薄弱环节。我国动力电池关键技术、关键材料和产品研发取得重大进展,与日本、美国、德国等国际先进水平比较,总体水平相当,比亚迪、力神、雷天等企业开发出的镍氢和锂离子两种类型、多个系列的车用动力电池,能量密度、功率密度(能量密度、功率密度是指单位重量的能量和功率,前者决定了电动汽车的续航里程和重量,后者决定了汽车的动力性)等主要性能指标居国际先进水平(见表1)。电催化剂、复合膜、双极板等关键材料也取得重要进展。

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