动力电池技术与应用

祝 斌

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

0 引言

动力电池是指具有较大电能容量和输出功率,可配置电动自行车、电动汽车、电动设备及工具驱动电源的电池,通常也包括军事(潜艇,高级智能机器人等)及企事业单位使用的蓄能设备通讯指挥系统的常备电源等。随着新兴的电动自行车、电动汽车的开发和商业化生产、新型潜艇及无人水下航行器（UUV）的发展，使得社会对新型绿色动力电池的需求大幅度增加。当前国际上，应用得最为广泛的动力电池主要包括铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池。这些动力电池各具优势，已经广泛应用于不同的领域[1]。

1 动力电池的类型及性能

1.1 铅酸蓄电池

铅酸蓄电池是1859年由普兰特（R.G..Plante）发明，是最早得到应用的蓄电池。Plante电池使用两块铅板作为电极，置于硫酸溶液中进行电解，通过不断变化电解的电流方向，使铅板的蓄电容量逐渐增加，但电池比能很低。

传统的铅酸蓄电池有两个主要缺点：一是在使用寿命期间，需不断加水维护；二是由于富液有漏酸危险不能任意方向放置。经过不断研究，20世纪中期，发明了胶体电解质技术和免维护密封技术：1955年德国阳光公司首次把凝胶电解质技术用于铅酸电池并投放市场。20世纪60年代中期该公司开发出“Dryfit”实用胶体电解质密封铅酸蓄电池系列。1968年Desai提交了第一篇描述气体密封式铅酸蓄电池的专利，1974年正式发表。1972年美国Gates公司的D.H McLelland和J.L.Devitt发明了吸附式超细玻璃纤维隔板（AGM），从实践上解决了电池内部氧气的复合循环问题，研制出圆柱形的AGM型阀控密封铅酸蓄电池（VRLAB），这种电池的电解液吸附在玻璃纤维隔膜中，电解液不能自由流动，相对于传统的富液式铅酸蓄电池（电解液可自由流动），阀控式铅酸蓄电池为贫液式电池。此后的30多年内，VRLAB电池得到迅速发展，在电力、铁路、船舶、通讯等各个专业部门中得到了广泛应用。VRLA技术的出现推动了铅酸蓄电池的发展，使之进入了一个繁荣发展的时期。

铅酸蓄电池是所有化学电源中技术最成熟的电池，它具有价格低廉、安全性高、大电流放电性能好、电池回收率高等优点，己广泛用于电动自行车、电动摩托车、通信行业、电力工业后备电源、铁路内燃机车等领域。然而，由于比能低、不够环保等缺点，铅酸电池新材料、新结构、新技术仍在不断研究中，如耐腐蚀铅合金正极板栅、泡沫铅板栅、泡沫炭板栅、新型负极添加剂、超级铅酸电池等[2]。

1.2 镍基电池

碱性镍基电池主要包括有镍镉电池、镍锌电池和镍氢电池。其中镍镉电池已经在诸多领域得到广泛应用，但废旧的镍镉电池存在镉污染的风险，大大限制了其应用，欧盟各国已禁止将镍镉电池用于动力电池，基本处于淘汰边缘；镍锌电池在充电时，负极锌容易产生枝晶，而导致隔膜穿刺，影响电池的使用寿命；相比之下，镍氢电池是综合性能最佳的动力电池。目前镍氢电池已经广泛应用于商业化的电动汽车。

镍氢电池是由氢离子和金属镍组成的电池，正极活性物质为氢氧化镍，负极活性物质为贮氢合金，电解液采用6 M的氢氧化钾溶液。其电化学式可表示为：

充电时，KOH电解液中的氢离子（H+）会释放出来，由储氢合金吸收，正极由Ni(OH)2变成 NiOOH和 H2O；放电时氢气在负极上被消耗掉，正极由NiOOH变成Ni(OH)2。

镍氢电池具有高比能和高比功率的特性，其比能量较铅酸电池提高了3倍；比功率较铅酸电池提高了近10倍。除此之外，镍氢电池还具有较好的过度充放电耐受性和热性能，因此具有较高的安全可靠性能。充电快、环保污染、寿命长等也是镍氢电池的优点。

但是，由于原材料镍和储氢合金非常昂贵，因此镍氢电池的成本较高，价格成为制约镍氢电池发展的主要因素。镍氢电池在电动汽车领域的应用已经表现出局限性。

1.3 锂离子电池

锂离子电池研究始于1990年Nagoura等人研制成的以石油焦为负极、以钴酸锂为正极的锂离子电池；同年日本Sony和加拿大Moli两大电池公司宣称将推出以碳为负极的锂离子电池；1991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了以聚糖醇热解碳(PFA)为负极的锂离子电池；1993年，美国Bellcore公司首先报道了聚合物锂离子电池。

锂离子电池是指其中的 Li+反复嵌入和脱嵌正负极材料的一种高能二次电池。通常由下述元件组成：（1）负极，在放电时发生氧化反应，应用较多的是碳材料；（2）正极，放电时发生还原反应，采用较多的是过渡金属氧化物，如LiCoO2；（3）电解液，为离子运动提供运输介质；（4）隔膜，为正负极提供电子隔离。通常用铝箔作为正极集流体，用铜箔作为负极集流体[3]。

与其他动力电池相比，锂离子电池的优势十分明显：

1）能量密度大，体积比能量和质量比能量分别可达300 Wh/cm³和125 Wh/kg，最高可达350 Wh/cm³；

2）平均输出电压高（约3.9 V），为Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍；

3）输出功率大；

4）自放电小，每月在 10%以下，不到Ni-CdNi-NH自放电的一半；

5）没有Ni-CdNi-NH电池一样的记忆效应；

6）可快速充放电；

7）充电效率高。可达100%；

8）工作温度范围宽，为-25C°～70C°；

9）没有环境污染，称为绿色电池；

10）使用寿命长，可达1200次左右，最长的可达3000次。

因此，锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军用产品、航空产品等。然而，伴随着锂离子电池爆炸、起火等事故报道，安全问题已经成为锂离子电池技术发展的关键难题。锂离子电池内部存在着一系列潜在的放热反应，这是诱发锂离子电池安全问题的根源。能否有效地解决热失控带来的安全问题也成为促进或制约锂离子电池进一步发展的关键因素[4]。

1.4 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化学反应直接转化为电能的发电装置。与一般传统电池一样，也是依据电化学原理而工作的发电装置，不同之处在于只要燃料源源不断地供给，燃料电池就能持续不断地提供电能。燃料电池中不存在热机过程，即不受卡诺循环的限制，因而能量转化效率很高，并且其反应过程中不会产生任何污染，产物只有水。

燃料电池的种类繁多，基于其电解质性质的不同，可以将其分为质子交换膜燃料电池，磷酸燃料电池、固体氧化物燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和碱性燃料电池等五种燃料电池。

作为一种新型的发电技术，燃料电池有如下特点：

1）能量转化效率高：燃料电池中燃料不经过燃烧直接转化成为电能，不受卡诺循环限制，所以燃料电池比普通热机的效率高，能量转换效率理论值高达60%以上，实际使用效率是普通内燃机的2～3倍。

2）环境友好：燃料直接经过燃料电池电化学反应，与空气中产生水，在这个过程中几乎不排放氮氧化物(NOx)和硫氧化合物（SOx）等环境污染物，而且燃料电池结构简单、没有可移动部件，噪声振动水平低。

3）燃料多样性：燃料电池燃料来源广，可以是氢气、天然气和沼气等气体燃料，汽油、柴油、甲醇、乙醇和甲酸等液体燃料，非常符合能源多样化的趋势，应对以石油和煤炭等化石能源的日益枯竭问题。

4）应用领域广：不同于普通电池，燃料电池允许在功率（由燃料电池尺寸决定）和容量（由燃料存储尺寸决定）之间随意地缩放，可以很容易地从1 W级做到MW级，应用于便携式电源、分布式发电站和集中式发电站，也应用于航空航天、船舶、汽车等交通工具。

正是由于这些突出的优越性，燃料电池技术的研究与开发备受各国政府和各个公司的青睐，将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。燃料电池为动力汽车提供了最有效、最环保的车载动力，但是要实现燃料电池的广泛应用，还有许多问题需要解决，如电池研制成本高(采用贵金属铂等作为催化剂)、氢的储存运输难题，以及电池循环使用寿命短的问题。

1.5 性能对比

这些动力电池各具优势，已经广泛应用于不同的领域。常见动力电池的主要技术特性见表1。

表1 常见动力电池的主要技术特性

2 动力电池的市场及应用

2.1 电动自行车[5]

欧美等西方国家生产销售电动自行车较早，英、美、法、意等国都有生产公司推出电动自行车。日本自行车振兴协会有一项统计表明,世界上现有电动自行车的厂家超过100家，为其配套用的动力电池生产企业最著名的是日本三洋电机公司、东芝电池公司、法国的萨佛特公司、德国的瓦尔塔公司等。

电动自行车作为发展中国家的代步工具，近年来也发展迅速，特别是在中国。自1998年以来，国内电动自行车产量一直以年均 40%的速度增长。2012年中国电动自行车的保有量已达到2亿辆。据权威机构预测，到2015年我国电动自行车的产值将达到1000亿元，其中配套电池的产值将达到160亿元。

2.2 电动摩托车

摩托车作为一种灵活方便的交通工具，在中国南方以及一些东南亚国家有着巨大的市场。摩托车虽然给人们带来了很多方便，但摩托车排放的尾气污染被认为是我国大、中城市大气的主要空气污染源之一。据说一辆小小摩托车的排污相当一辆桑塔纳轿车的排污。为了净化环境，保证城市的蓝天碧空，我国已有60多个城市禁限摩托车。

表2 不同类型的电动汽车对动力电池的技术要求

世界各国著名摩托车厂家已经在积极研制开发电动摩托车，包括日本的雅马哈与本田等企业。我国一些摩托车企业也在积极为摩托车寻找更为环保的动力来源。目前，新大洲、春兰、重庆嘉陵等摩托车厂商纷纷将目光投向极具优势的锂离子动力电池，正在与动力电池生产厂家共同开发电动摩托车。这种局面无疑给动力电池的未来市场创造了无限的商机，其辉煌的市场前景是无法估量的。

2.3 混合动力汽车

电动汽车是以车载电池为动力，依靠大功率电动机提供动力的新型交通工具。电动汽车具有污染小至无污染、动力源多样化、能量利用率高、使用维修方便等优点，被认为是二十一世纪最具应用前景的洁净车型，越来越受到当今社会的认可和青睐。一般把电动汽车分为纯电动汽车（EV）、混合式电动汽车（HEV）和燃料电池电动汽车（FCEV）三大类。EV的动力来自于各种蓄电池。HEV的动力来源于两种或两种以上的不同能源，如蓄电池和汽油发动机或柴油发动机。这些能源可分别用作汽车的动力能源，也可相互协作来驱动汽车。按照电池相对于燃油发动机的功率比大小，HEV可以分为助力型(轻度混合)、双模式型(中度混合)和续驶里程延长型(高度混合)。PHEV的动力则来自燃料电池。电池和燃油两种动力的混合程度不同，对电池的要求也不同[6]。不同类型的电动汽车对动力电池的技术要求如表2所示。

目前，大部分电动汽车的动力电池采用铅酸蓄电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。其中，铅酸蓄电池的技术最为成熟，但其能量密度和功率密度不高，不适合电动汽车的应用。就当前技术水平看，镍氢电池的综合优势最为明显，国际上知名汽车制造厂家如日本丰田，美国通用和德国大众等，大部分选用镍氢动力电池作为HEV的动力电池，如已经上市的Prius等车型。这表明大功率镍氢动力电池技术已基本成熟。由于锂离子电池具有重量轻、单体电池电压高等优点，是业内公认的动力汽车电池的新的发展方向。目前，松下、LG 化学、NEC 等日韩企业正在积极开发锰酸锂电池作为电动汽车的动力电池；而Asystem123 和比亚迪等企业的发展方向是磷酸铁锂动力电池。各大汽车企业均将锂离子电池作为未来的发展重点。目前，已经上市的安装有锂离子电池的汽车车型详见下表[7,8]。锂离子电池很有发展前途，有可能在将来代替镍氢电池组，但在安全性、循环稳定性和生产成本等方面尚有很多工作要进一步完善。

2.4 军事领域

由于高科技在军事上的广泛应用，现代战争已成为以数字化、信息化武器为主的高科技战争。这种战争模式使得高效、高比能量密度和可快速充填燃料的军用能源成为现代战场上的迫切需要。当今世界各国对高能动力电池的技术开发一直在紧张进行，如新型铅酸电池、锂离子电池和燃料电池的使用。

表3 各大汽车企业发展的电动汽车

铅酸蓄电池是常规潜艇水下动力电源及辅助电源，也是核潜艇的应急电源。铅酸蓄电池由于具有技术成熟、性能可靠、制造成本低等显而易见的优势，仍是当今世界各国常规动力潜艇最为普遍使用的蓄电池。但是，现代潜艇用铅酸蓄电池存在充电时间长、高倍率充放电效率不高、比能量和比功率不高的缺点。根据新一代潜艇的要求，需要开发更加先进的铅酸电池，以满足潜艇机动作战需求，提高和完善常规潜艇战术使命。

美国航空航天局研制的一架无人驾驶飞机太阳神号，使用燃料电池作为动力，创造了世界飞行高度的纪录，飞抵32 160 m高空。美国波音公司与美国国防高级研究计划局签订了无人机燃料电池动力系统开发合同，按设计要求新型燃料电池的无人机将延长无人机在空中连续飞行时间，由几十小时到数周。西门子燃料电池在德国 AIP系统潜艇上的应用较为成熟。2003年4月试航的212A型 U3l潜艇，其为世界第一艘现代化 AlP质子交换膜燃料电池潜艇。

在美国，锂离子电池已成为美军标准电池系列之一。美国Yardney公司已为水下军事装备研制了三款锂离子动力电池，包括：（1）UUV电池系统，总能量10 kWh。共360只单体，单体容量8 Ah；（2）75 kW级电动鱼雷用锂离子电池，由100只正棱柱形单体电池串联起来，该电池组提供电流为250 A，电池组最大重量比功率为650 W／kg；(3)微型潜艇用高性能锂离子电池系统，2005年首次安装于ASDS-1艇，锂离子电池总能量1.2 MWh，单体电池重量比能170～200 Wh／kg。除此之外，Yardney公司生产锂离子电池组已广泛应用到声纳浮标、声波发射器、深潜器等水下装备[9]。

[1]胡信国.动力电池进展.电池工业,1997,(2):113-118.

[2]杨裕生.动力电池发展中的若干个问题.第四届动力锂离子电池技术及产业发展国际论坛,2009.

[3]贾恒义.锂离子电池材料的研究与应用.电源技术,2011,(7): 869-871.

[4]王浩,杨聚萍,王莉,李建军,何向明,欧阳明.锂离子电池的安全性问题.新材料产业,2012,(9):88-94.

[5]历海燕,李全安,文九巴等.动力电池的研究应用及发展趋势.河南科技大学学报（自然科学版）,2005,(6): 35-39.

[6]Advanced vehicle technology analysis and evaluation activities.Annual Progress Report.2007.U.S.Department.

[7]Ray Ridley.The future of the electric car.Report of Ridley Engineering Inc.2006.

[8]宋永生,阳岳西,胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势.电网技术,2011,(4): 1-7.

[9]诸侯军,郎俊山.水下装备用锂离子动力电池研究进展.船电技术,2012,32（增刊）: 96-99.