【中泽科技冠名】一文看懂动力电池技术分析及应用领域
目前世界上应用最为广泛的动力电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池等，这些动力电池各有优势，在不同领域得到了广泛的应用。
电动化趋势愈演愈烈，通过政策引导和扶持，我国已成为全球最大的新能源汽车市场。众所周知，新能源汽车的主要瓶颈就是电池寿命。在此背景下，国家出台了《促进汽车动力电池发展行动计划》《节能与新能源汽车技术路线图》等，鼓励使用高能量密度电池。近日，《外商投资产业指导目录（2017年修订）》政策提出，取消纯电动汽车合资企业限制，取消汽车电子和动力电池股比限制。这也是推动高能量密度电池在新能源汽车市场推广应用的重要举措。
电池是一个非常深奥的课题，因为电池自从被发明以来，就被广泛的应用在我们的生活中，比如3C、储能等。
动力电池是指电容量大、输出功率大的电池，可作为电动自行车、电动汽车、电动设备和工具的驱动电源，通常还包括军事（潜艇、先进智能机器人等）、企事业单位使用的储能设备通信、指挥系统的备用电源。随着新兴电动自行车、电动汽车的开发和商业化生产，新型潜艇、无人水下航行器（UUV）的发展，对新型绿色动力电池的需求大幅增加。目前，世界上应用最广泛的动力电池主要有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池、太阳能电池等。这些动力电池各有优势，在不同领域得到了广泛的应用。
动力电池种类及性能
1.铅酸电池
铅酸电池是1859年由普兰特（RG.）发明的，是最早投入使用的电池。该电池以两块铅板为电极，置于硫酸溶液中进行电解，通过不断改变电解电流的方向，使铅板的储存电量逐渐增加，但电池比能量很低。
传统铅酸电池主要有两个缺点：一是使用寿命期间，需不断加水维护；二是不能以任何方向放置，以免因富液而产生漏酸的危险。经过不断研究，20世纪中期发明了胶体电解液技术和免维护密封技术：1955年，德国阳光公司首次将胶体电解液技术应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“”实用胶体电解液密封铅酸电池系列。1968年，德赛公司提交了第一个描述气体密封铅酸电池的专利，并于1974年正式公布。1972年，美国盖茨公司的DH和JL发明了吸附式超细玻璃纤维隔板（AGM），在实践中解决了电池内部氧气的复合循环问题，开发出圆柱形AGM阀控密封铅酸电池（VRLAB）。 这种电池的电解液吸附在玻璃纤维隔板中，电解液不能自由流动。与传统的富铅酸电池（电解液可以自由流动）相比，阀控铅酸电池是一种贫铅电池。在随后的30年中，阀控铅酸电池得到了迅速发展，并被广泛应用于电力、铁路、船舶、通信等各个专业部门。阀控铅酸电池技术的出现，推动了铅酸电池的发展，迎来了繁荣时期。
铅酸电池是所有化学电源中技术最成熟的电池，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，已广泛应用于电动自行车、电动摩托车、通讯行业、电力行业备用电源、铁路内燃机车等。但由于铅酸电池还存在比能量低、环保性不够等缺点，目前铅酸电池的新材料、新结构、新技术还在研究中，如耐腐蚀铅合金正极板栅、泡沫铅板栅、泡沫碳板栅、新型负极添加剂、超级铅酸电池等。
2.镍基电池
碱性镍基电池主要有镍镉电池、镍锌电池和镍氢电池。其中镍镉电池已广泛应用于多个领域，但废弃镍镉电池中存在镉污染风险，大大限制了其应用。欧盟国家已禁止在动力电池中使用镍镉电池，基本处于淘汰边缘；镍锌电池充电时，负极锌易产生枝晶，导致隔膜穿刺，影响电池寿命；相比之下，镍氢电池是综合性能最好的动力电池，目前镍氢电池已在商用电动汽车上得到广泛应用。
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，负极活性物质为储氢合金，电解液为6M氢氧化钾溶液。其电化学式可表示为：
(-)M/MH︱KOH︱Ni（OH）2/NiOOH（+）充电时，KOH电解液中的氢离子（H+）会被放出，并被储氢合金吸收，正极由Ni（OH）2变化为NiOOH和H2O；放电时，氢气在负极被消耗，正极由NiOOH变化为Ni（OH）2。
镍氢电池具有比能量高、比功率高的特点，其比能量比铅酸电池高3倍；比功率比铅酸电池高近10倍。此外，镍氢电池还具有良好的过充放电耐受性和热性能，因此具有较高的安全可靠性。充电快、环保无污染、寿命长也是镍氢电池的优势。
但由于原材料镍和储氢合金价格十分昂贵，导致镍氢电池成本较高，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显露出局限性。
3.锂离子电池
锂离子电池的研究始于1990年，当时人们开发出了以石油焦为负极、钴酸锂为正极的锂离子电池；同年，日本索尼公司和加拿大摩力两大电池公司宣布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出了以聚硫酸醇裂解碳（PFA）为负极的锂离子电池；1993年，美国一家公司首次报道了聚合物锂离子电池。
锂离子电池是指Li+在正负极材料中反复嵌入和脱嵌的高能量二次电池，通常由以下几部分组成：
（1）负极，放电时发生氧化反应，多由碳材料构成；
（2）正极，放电时发生还原反应，多由过渡金属氧化物构成，如；
（3）电解质，为离子运动提供输送介质；
（4）隔膜：提供正极与负极之间的电子隔离。通常采用铝箔作为正极集流体，采用铜箔作为负极集流体。
与其他动力电池相比，锂离子电池的优势明显：
1）能量密度高，体积能量达到300Wh/cm3，质量能量达到125Wh/kg，最高可达350Wh/cm3；
2）平均输出电压高（约3.9V），是镍镉、镍氢电池的三倍；
3）输出功率大；
4）自放电小，每月小于10%，不到Ni-Cd\Ni-NH自放电的一半；
5)无镍镉、镍氨电池那样的记忆效应；
6）可快速充电、放电；
7）充电效率高。 最高可达100%；
8）工作温度范围宽，-25Co~70Co；
9)无环境污染，称得上绿色电池；
10）使用寿命长，可达1200次左右，最长可达3000次。
因此，锂离子电池被广泛应用于消费电子、军工产品、航空产品等。然而，随着锂离子电池爆炸、起火等事故的频发，安全问题已成为锂离子电池技术发展的关键问题。锂离子电池内部存在一系列潜在的放热反应，这是锂离子电池安全问题的根本原因。能否有效解决热失控引发的安全问题也成为推动或制约锂离子电池进一步发展的关键因素。
燃料电池
燃料电池是一种将燃料和氧化剂中储存的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置。与传统电池一样，它也是基于电化学原理工作的发电装置。不同之处在于，只要不断供应燃料，燃料电池就能持续提供电能。燃料电池中没有热机过程，也就是说不受卡诺循环的限制。因此，能量转换效率非常高，反应过程中不产生任何污染，唯一的产物就是水。
燃料电池的种类很多，根据其电解质性质不同，可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五种类型。
燃料电池作为一种新型发电技术，具有以下特点：
1）能量转换效率高：燃料电池中的燃料不经过燃烧而直接转化为电能，不受卡诺循环的制约，因此燃料电池的效率比普通热机高，能量转换效率理论值高达60%以上，实际效率是普通内燃机的2~3倍。
2）环境友好：燃料在燃料电池内直接发生电化学反应，与空气生成水，在此过程中几乎不排放氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）等环境污染物。此外，燃料电池结构简单，无运动部件，噪音和振动水平低。
3）燃料多样性：燃料电池的燃料来源广泛，既有氢气、天然气、沼气等气体燃料，也有汽油、柴油、甲醇、乙醇、甲酸等液体燃料，这与能源多元化的趋势十分契合，是对石油、煤炭等化石燃料日益枯竭的应对。
4）应用领域广泛：与普通电池不同，燃料电池可以在功率（由燃料电池尺寸决定）和容量（由燃料储存大小决定）之间任意缩放，可以轻松从1W扩展到MW。它们可用于便携式电源、分布式电站和集中式电站，以及航空航天、船舶、汽车和其他交通工具。
由于这些突出的优点，燃料电池技术的研发受到世界各国政府和企业的青睐，并将引发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最高效、最环保的车载电源，但要实现燃料电池的广泛应用，仍有许多问题需要解决，例如电池开发成本高（使用铂等贵金属作为催化剂）、氢气储存和运输困难、电池循环寿命短等。
性能比较
这些动力电池各有优势，被广泛应用于不同领域，常见动力电池的主要技术特性如表1所示
动力电池市场及应用
1.电动自行车
欧美等西方国家较早开始生产和销售电动自行车，英国、美国、法国、意大利等国均有公司推出电动自行车。据日本自行车振兴协会统计，全球电动自行车生产厂家有100多家，其中最有名的动力电池生产厂家有日本三洋电机公司、东芝电池公司、法国萨福特公司、德国瓦尔塔公司等。
作为发展中国家的交通工具，电动自行车近年来也得到了快速发展，尤其是在我国。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，我国电动自行车保有量已达2亿辆。据权威机构预测，到2015年，我国电动自行车产值将达到1000亿元，其中配套电池产值将达到160亿元。
2.电动摩托车
摩托车作为一种灵活便捷的交通工具，在我国南方及部分东南亚国家有着巨大的市场。虽然摩托车给人们带来了很多便利，但摩托车排放的尾气污染被认为是我国大中城市空气污染的主要来源之一。据说一辆小型摩托车排放的污染相当于一辆桑塔纳轿车。为了净化环境，保证城市蓝天，我国已有60多个城市禁止或限制摩托车。
全球知名摩托车厂商都在积极发展电动摩托车，其中不乏雅马哈、本田等日本企业。部分中国摩托车企业也在积极寻找更为环保的摩托车动力源。目前，新大洲、春兰、重庆嘉陵等摩托车厂商均将目光投向了极具优势的锂离子动力电池，与动力电池厂商联合开发电动摩托车。此种局面无疑为动力电池未来市场创造了无限商机，其辉煌的市场前景不可估量。
3.混合动力汽车
电动汽车是以车载电池为动力，依靠大功率电动机驱动的新型交通工具。电动汽车具有无污染、动力来源多样化、能源利用率高、使用维护方便等优点，被认为是21世纪最清洁、最具应用前景的交通工具，越来越受到当今社会的认可和青睐。电动汽车一般分为纯电动汽车（EV）、混合动力汽车（HEV）、燃料电池电动汽车（FCEV）三类，EV由各种电池提供动力，HEV由两种或两种以上不同的能源提供动力，如电池和汽油发动机或柴油发动机，这些能源可以单独作为车辆的动力源，也可以相互配合驱动车辆。HEV根据电池与燃油发动机的功率比，可分为动力辅助型（轻度混合动力）、双模式（中度混合动力）和增程型（高度混合动力）。PHEV采用燃料电池作为动力，电池与燃油动力的混合程度不同，对电池的要求也不同。 不同类型电动汽车动力电池技术要求如表2所示。
目前，电动汽车大多采用铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池作为动力电池。其中铅酸电池技术最为成熟，但其能量密度和功率密度不高，不适合电动汽车应用。就目前的技术水平而言，镍氢电池的综合优势最为明显，日本丰田、美国通用、德国大众等国际知名汽车厂商大多采用镍氢动力电池作为混合动力汽车的动力电池，如已上市的普锐斯等车型。由此可见高功率镍氢动力电池技术已基本成熟。锂离子电池由于具有重量轻、单体电池电压高等优势，被业界认可为动力车电池新的发展方向，目前松下、LG化学、NEC等日韩企业都在积极开发锰酸锂电池作为电动汽车动力电池； 而比亚迪等公司的发展方向则是磷酸铁锂动力电池。各大汽车公司均将锂离子电池视为未来发展的重点，目前已上市的搭载锂离子电池的车型详见下表。锂离子电池具有很大的发展前景，未来或将取代镍氢电池组，但在安全性、循环稳定性、生产成本等方面还有许多工作要做。
4、军事领域
由于高科技在军事上的广泛应用，现代战争已经成为以数字化、信息化武器为主导的高技术战争。这种战争模式使得高效率、高比能量密度、快速填充的军用能源成为现代战场上的迫切需求。目前世界各国都在紧锣密鼓地开发高能动力电池技术，如采用新型铅酸电池、锂离子电池和燃料电池等。
铅酸蓄电池是常规潜艇的水下动力源和辅助电源，也是核潜艇的应急电源。铅酸蓄电池凭借技术成熟、性能可靠、制造成本低等明显优势，至今仍是当今世界常规潜艇中最常用的电池。但现代潜艇用铅酸蓄电池存在充电时间长、高倍率充放电效率低、比能量和比功率低等缺点。根据新一代潜艇的要求，需要研制更为先进的铅酸蓄电池，以满足潜艇机动作战的需要，提高和完善常规潜艇的战术任务。
美国宇航局研制的无人机“太阳神”号采用燃料电池作为动力，创下了飞行高度的世界纪录，达到了32160米的高度。波音公司与美国国防高级研究计划局签订合同，研制无人机燃料电池动力系统。按照设计要求，新型燃料电池无人机将使无人机的连续飞行时间从几十个小时延长到几个星期。西门子燃料电池在德国AIP系统潜艇上的应用已经比较成熟。2003年4月试航的212A型U3l潜艇是世界上第一艘现代化的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制式电池系列之一，美国公司已开发出3种用于水下军事装备的锂离子动力电池，包括：（1）UUV电池系统，总能量10kWh，共360个电芯，每个电芯容量为8Ah；（2）用于电动鱼雷的75kW级锂离子电池，由100个正方型电芯串联组成，电池组提供电流250A，最大功率重量比达650W/kg；（3）用于微型潜艇的高性能锂离子电池系统，该系统于2005年首次安装在ASDS-1艇上，锂离子电池总能量1.2MWh，电芯功率重量比为170～200Wh/kg。 此外，该公司的锂离子电池组还广泛应用于声纳浮标、声波发射器、深海潜水器等水下设备。
未来新能源汽车能否健康、大规模推广应用，很大程度上依赖于高安全性、高里程数动力电池的支撑。目前，新能源汽车动力电池的技术进步受到国家政策和外部竞争的双重压力，需要现有三元锂动力电池技术的不断提升，也需要新型锂离子电池技术的研究与突破，实现颠覆性创新。对于动力电池企业来说，现在是最好的时候，也是最坏的时候。智电汽车认为，电池能量密度的“争夺战”已经打响，动力电池行业将重新洗牌。未来企业若想进入竞争梯队，需关注两点：一是要转变思维方式“居安思危”，由粗放型、规模化发展向“技术与规模”并重的发展模式转型，加快全固态锂电池或新型锂离子电池的技术储备； 二是需重视产品安全性，加强与整车企业的合作，避免动力电池行业再发生“高田气囊”事件。