祝 斌

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

0 引言

動(dòng)力電池是指具有較大電能容量和輸出功率,可配置電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電動(dòng)設(shè)備及工具驅(qū)動(dòng)電源的電池,通常也包括軍事(潛艇,高級(jí)智能機(jī)器人等)及企事業(yè)單位使用的蓄能設(shè)備通訊指揮系統(tǒng)的常備電源等。隨著新興的電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車的開發(fā)和商業(yè)化生產(chǎn)、新型潛艇及無(wú)人水下航行器（UUV）的發(fā)展，使得社會(huì)對(duì)新型綠色動(dòng)力電池的需求大幅度增加。當(dāng)前國(guó)際上，應(yīng)用得最為廣泛的動(dòng)力電池主要包括鉛酸蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池。這些動(dòng)力電池各具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域[1]。

1 動(dòng)力電池的類型及性能

1.1 鉛酸蓄電池

鉛酸蓄電池是1859年由普蘭特（R.G..Plante）發(fā)明，是最早得到應(yīng)用的蓄電池。Plante電池使用兩塊鉛板作為電極，置于硫酸溶液中進(jìn)行電解，通過(guò)不斷變化電解的電流方向，使鉛板的蓄電容量逐漸增加，但電池比能很低。

傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：一是在使用壽命期間，需不斷加水維護(hù)；二是由于富液有漏酸危險(xiǎn)不能任意方向放置。經(jīng)過(guò)不斷研究，20世紀(jì)中期，發(fā)明了膠體電解質(zhì)技術(shù)和免維護(hù)密封技術(shù)：1955年德國(guó)陽(yáng)光公司首次把凝膠電解質(zhì)技術(shù)用于鉛酸電池并投放市場(chǎng)。20世紀(jì)60年代中期該公司開發(fā)出“Dryfit”實(shí)用膠體電解質(zhì)密封鉛酸蓄電池系列。1968年Desai提交了第一篇描述氣體密封式鉛酸蓄電池的專利，1974年正式發(fā)表。1972年美國(guó)Gates公司的D.H McLelland和J.L.Devitt發(fā)明了吸附式超細(xì)玻璃纖維隔板（AGM），從實(shí)踐上解決了電池內(nèi)部氧氣的復(fù)合循環(huán)問(wèn)題，研制出圓柱形的AGM型閥控密封鉛酸蓄電池（VRLAB），這種電池的電解液吸附在玻璃纖維隔膜中，電解液不能自由流動(dòng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的富液式鉛酸蓄電池（電解液可自由流動(dòng)），閥控式鉛酸蓄電池為貧液式電池。此后的30多年內(nèi)，VRLAB電池得到迅速發(fā)展，在電力、鐵路、船舶、通訊等各個(gè)專業(yè)部門中得到了廣泛應(yīng)用。VRLA技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了鉛酸蓄電池的發(fā)展，使之進(jìn)入了一個(gè)繁榮發(fā)展的時(shí)期。

鉛酸蓄電池是所有化學(xué)電源中技術(shù)最成熟的電池，它具有價(jià)格低廉、安全性高、大電流放電性能好、電池回收率高等優(yōu)點(diǎn)，己廣泛用于電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、通信行業(yè)、電力工業(yè)后備電源、鐵路內(nèi)燃機(jī)車等領(lǐng)域。然而，由于比能低、不夠環(huán)保等缺點(diǎn)，鉛酸電池新材料、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)仍在不斷研究中，如耐腐蝕鉛合金正極板柵、泡沫鉛板柵、泡沫炭板柵、新型負(fù)極添加劑、超級(jí)鉛酸電池等[2]。

1.2 鎳基電池

堿性鎳基電池主要包括有鎳鎘電池、鎳鋅電池和鎳氫電池。其中鎳鎘電池已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但廢舊的鎳鎘電池存在鎘污染的風(fēng)險(xiǎn)，大大限制了其應(yīng)用，歐盟各國(guó)已禁止將鎳鎘電池用于動(dòng)力電池，基本處于淘汰邊緣；鎳鋅電池在充電時(shí)，負(fù)極鋅容易產(chǎn)生枝晶，而導(dǎo)致隔膜穿刺，影響電池的使用壽命；相比之下，鎳氫電池是綜合性能最佳的動(dòng)力電池。目前鎳氫電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)化的電動(dòng)汽車。

鎳氫電池是由氫離子和金屬鎳組成的電池，正極活性物質(zhì)為氫氧化鎳，負(fù)極活性物質(zhì)為貯氫合金，電解液采用6 M的氫氧化鉀溶液。其電化學(xué)式可表示為：

充電時(shí)，KOH電解液中的氫離子（H+）會(huì)釋放出來(lái)，由儲(chǔ)氫合金吸收，正極由Ni(OH)2變成 NiOOH和 H2O；放電時(shí)氫氣在負(fù)極上被消耗掉，正極由NiOOH變成Ni(OH)2。

鎳氫電池具有高比能和高比功率的特性，其比能量較鉛酸電池提高了3倍；比功率較鉛酸電池提高了近10倍。除此之外，鎳氫電池還具有較好的過(guò)度充放電耐受性和熱性能，因此具有較高的安全可靠性能。充電快、環(huán)保污染、壽命長(zhǎng)等也是鎳氫電池的優(yōu)點(diǎn)。

但是，由于原材料鎳和儲(chǔ)氫合金非常昂貴，因此鎳氫電池的成本較高，價(jià)格成為制約鎳氫電池發(fā)展的主要因素。鎳氫電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)表現(xiàn)出局限性。

1.3 鋰離子電池

鋰離子電池研究始于1990年Nagoura等人研制成的以石油焦為負(fù)極、以鈷酸鋰為正極的鋰離子電池；同年日本Sony和加拿大Moli兩大電池公司宣稱將推出以碳為負(fù)極的鋰離子電池；1991年，日本索尼能源技術(shù)公司與電池部聯(lián)合開發(fā)了以聚糖醇熱解碳(PFA)為負(fù)極的鋰離子電池；1993年，美國(guó)Bellcore公司首先報(bào)道了聚合物鋰離子電池。

鋰離子電池是指其中的 Li+反復(fù)嵌入和脫嵌正負(fù)極材料的一種高能二次電池。通常由下述元件組成：（1）負(fù)極，在放電時(shí)發(fā)生氧化反應(yīng)，應(yīng)用較多的是碳材料；（2）正極，放電時(shí)發(fā)生還原反應(yīng)，采用較多的是過(guò)渡金屬氧化物，如LiCoO2；（3）電解液，為離子運(yùn)動(dòng)提供運(yùn)輸介質(zhì)；（4）隔膜，為正負(fù)極提供電子隔離。通常用鋁箔作為正極集流體，用銅箔作為負(fù)極集流體[3]。

與其他動(dòng)力電池相比，鋰離子電池的優(yōu)勢(shì)十分明顯：

1）能量密度大，體積比能量和質(zhì)量比能量分別可達(dá)300 Wh/cm3和125 Wh/kg，最高可達(dá)350 Wh/cm3；

2）平均輸出電壓高（約3.9 V），為Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍；

3）輸出功率大；

4）自放電小，每月在 10%以下，不到Ni-CdNi-NH自放電的一半；

5）沒有Ni-CdNi-NH電池一樣的記憶效應(yīng)；

6）可快速充放電；

7）充電效率高。可達(dá)100%；

8）工作溫度范圍寬，為-25C°～70C°；

9）沒有環(huán)境污染，稱為綠色電池；

10）使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)1200次左右，最長(zhǎng)的可達(dá)3000次。

因此，鋰離子電池廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、軍用產(chǎn)品、航空產(chǎn)品等。然而，伴隨著鋰離子電池爆炸、起火等事故報(bào)道，安全問(wèn)題已經(jīng)成為鋰離子電池技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題。鋰離子電池內(nèi)部存在著一系列潛在的放熱反應(yīng)，這是誘發(fā)鋰離子電池安全問(wèn)題的根源。能否有效地解決熱失控帶來(lái)的安全問(wèn)題也成為促進(jìn)或制約鋰離子電池進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵因素[4]。

1.4 燃料電池

燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。與一般傳統(tǒng)電池一樣，也是依據(jù)電化學(xué)原理而工作的發(fā)電裝置，不同之處在于只要燃料源源不斷地供給，燃料電池就能持續(xù)不斷地提供電能。燃料電池中不存在熱機(jī)過(guò)程，即不受卡諾循環(huán)的限制，因而能量轉(zhuǎn)化效率很高，并且其反應(yīng)過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生任何污染，產(chǎn)物只有水。

燃料電池的種類繁多，基于其電解質(zhì)性質(zhì)的不同，可以將其分為質(zhì)子交換膜燃料電池，磷酸燃料電池、固體氧化物燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池和堿性燃料電池等五種燃料電池。

作為一種新型的發(fā)電技術(shù)，燃料電池有如下特點(diǎn)：

1）能量轉(zhuǎn)化效率高：燃料電池中燃料不經(jīng)過(guò)燃燒直接轉(zhuǎn)化成為電能，不受卡諾循環(huán)限制，所以燃料電池比普通熱機(jī)的效率高，能量轉(zhuǎn)換效率理論值高達(dá)60%以上，實(shí)際使用效率是普通內(nèi)燃機(jī)的2～3倍。

2）環(huán)境友好：燃料直接經(jīng)過(guò)燃料電池電化學(xué)反應(yīng)，與空氣中產(chǎn)生水，在這個(gè)過(guò)程中幾乎不排放氮氧化物(NOx)和硫氧化合物（SOx）等環(huán)境污染物，而且燃料電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒有可移動(dòng)部件，噪聲振動(dòng)水平低。

3）燃料多樣性：燃料電池燃料來(lái)源廣，可以是氫氣、天然氣和沼氣等氣體燃料，汽油、柴油、甲醇、乙醇和甲酸等液體燃料，非常符合能源多樣化的趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)以石油和煤炭等化石能源的日益枯竭問(wèn)題。

4）應(yīng)用領(lǐng)域廣：不同于普通電池，燃料電池允許在功率（由燃料電池尺寸決定）和容量（由燃料存儲(chǔ)尺寸決定）之間隨意地縮放，可以很容易地從1 W級(jí)做到MW級(jí)，應(yīng)用于便攜式電源、分布式發(fā)電站和集中式發(fā)電站，也應(yīng)用于航空航天、船舶、汽車等交通工具。

正是由于這些突出的優(yōu)越性，燃料電池技術(shù)的研究與開發(fā)備受各國(guó)政府和各個(gè)公司的青睞，將引爆21世紀(jì)新能源與環(huán)保的綠色革命。燃料電池為動(dòng)力汽車提供了最有效、最環(huán)保的車載動(dòng)力，但是要實(shí)現(xiàn)燃料電池的廣泛應(yīng)用，還有許多問(wèn)題需要解決，如電池研制成本高(采用貴金屬鉑等作為催化劑)、氫的儲(chǔ)存運(yùn)輸難題，以及電池循環(huán)使用壽命短的問(wèn)題。

1.5 性能對(duì)比

這些動(dòng)力電池各具優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。常見動(dòng)力電池的主要技術(shù)特性見表1。

表1 常見動(dòng)力電池的主要技術(shù)特性

2 動(dòng)力電池的市場(chǎng)及應(yīng)用

2.1 電動(dòng)自行車[5]

歐美等西方國(guó)家生產(chǎn)銷售電動(dòng)自行車較早，英、美、法、意等國(guó)都有生產(chǎn)公司推出電動(dòng)自行車。日本自行車振興協(xié)會(huì)有一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)表明,世界上現(xiàn)有電動(dòng)自行車的廠家超過(guò)100家，為其配套用的動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)最著名的是日本三洋電機(jī)公司、東芝電池公司、法國(guó)的薩佛特公司、德國(guó)的瓦爾塔公司等。

電動(dòng)自行車作為發(fā)展中國(guó)家的代步工具，近年來(lái)也發(fā)展迅速，特別是在中國(guó)。自1998年以來(lái)，國(guó)內(nèi)電動(dòng)自行車產(chǎn)量一直以年均 40%的速度增長(zhǎng)。2012年中國(guó)電動(dòng)自行車的保有量已達(dá)到2億輛。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)，到2015年我國(guó)電動(dòng)自行車的產(chǎn)值將達(dá)到1000億元，其中配套電池的產(chǎn)值將達(dá)到160億元。

2.2 電動(dòng)摩托車

摩托車作為一種靈活方便的交通工具，在中國(guó)南方以及一些東南亞國(guó)家有著巨大的市場(chǎng)。摩托車雖然給人們帶來(lái)了很多方便，但摩托車排放的尾氣污染被認(rèn)為是我國(guó)大、中城市大氣的主要空氣污染源之一。據(jù)說(shuō)一輛小小摩托車的排污相當(dāng)一輛桑塔納轎車的排污。為了凈化環(huán)境，保證城市的藍(lán)天碧空，我國(guó)已有60多個(gè)城市禁限摩托車。

表2 不同類型的電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的技術(shù)要求

世界各國(guó)著名摩托車廠家已經(jīng)在積極研制開發(fā)電動(dòng)摩托車，包括日本的雅馬哈與本田等企業(yè)。我國(guó)一些摩托車企業(yè)也在積極為摩托車尋找更為環(huán)保的動(dòng)力來(lái)源。目前，新大洲、春蘭、重慶嘉陵等摩托車廠商紛紛將目光投向極具優(yōu)勢(shì)的鋰離子動(dòng)力電池，正在與動(dòng)力電池生產(chǎn)廠家共同開發(fā)電動(dòng)摩托車。這種局面無(wú)疑給動(dòng)力電池的未來(lái)市場(chǎng)創(chuàng)造了無(wú)限的商機(jī)，其輝煌的市場(chǎng)前景是無(wú)法估量的。

2.3 混合動(dòng)力汽車

電動(dòng)汽車是以車載電池為動(dòng)力，依靠大功率電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力的新型交通工具。電動(dòng)汽車具有污染小至無(wú)污染、動(dòng)力源多樣化、能量利用率高、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具應(yīng)用前景的潔凈車型，越來(lái)越受到當(dāng)今社會(huì)的認(rèn)可和青睞。一般把電動(dòng)汽車分為純電動(dòng)汽車（EV）、混合式電動(dòng)汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）三大類。EV的動(dòng)力來(lái)自于各種蓄電池。HEV的動(dòng)力來(lái)源于兩種或兩種以上的不同能源，如蓄電池和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。這些能源可分別用作汽車的動(dòng)力能源，也可相互協(xié)作來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車。按照電池相對(duì)于燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的功率比大小，HEV可以分為助力型(輕度混合)、雙模式型(中度混合)和續(xù)駛里程延長(zhǎng)型(高度混合)。PHEV的動(dòng)力則來(lái)自燃料電池。電池和燃油兩種動(dòng)力的混合程度不同，對(duì)電池的要求也不同[6]。不同類型的電動(dòng)汽車對(duì)動(dòng)力電池的技術(shù)要求如表2所示。

目前，大部分電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池采用鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池。其中，鉛酸蓄電池的技術(shù)最為成熟，但其能量密度和功率密度不高，不適合電動(dòng)汽車的應(yīng)用。就當(dāng)前技術(shù)水平看，鎳氫電池的綜合優(yōu)勢(shì)最為明顯，國(guó)際上知名汽車制造廠家如日本豐田，美國(guó)通用和德國(guó)大眾等，大部分選用鎳氫動(dòng)力電池作為HEV的動(dòng)力電池，如已經(jīng)上市的Prius等車型。這表明大功率鎳氫動(dòng)力電池技術(shù)已基本成熟。由于鋰離子電池具有重量輕、單體電池電壓高等優(yōu)點(diǎn)，是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的動(dòng)力汽車電池的新的發(fā)展方向。目前，松下、LG 化學(xué)、NEC 等日韓企業(yè)正在積極開發(fā)錳酸鋰電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池；而Asystem123 和比亞迪等企業(yè)的發(fā)展方向是磷酸鐵鋰動(dòng)力電池。各大汽車企業(yè)均將鋰離子電池作為未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。目前，已經(jīng)上市的安裝有鋰離子電池的汽車車型詳見下表[7,8]。鋰離子電池很有發(fā)展前途，有可能在將來(lái)代替鎳氫電池組，但在安全性、循環(huán)穩(wěn)定性和生產(chǎn)成本等方面尚有很多工作要進(jìn)一步完善。

2.4 軍事領(lǐng)域

由于高科技在軍事上的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)已成為以數(shù)字化、信息化武器為主的高科技戰(zhàn)爭(zhēng)。這種戰(zhàn)爭(zhēng)模式使得高效、高比能量密度和可快速充填燃料的軍用能源成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上的迫切需要。當(dāng)今世界各國(guó)對(duì)高能動(dòng)力電池的技術(shù)開發(fā)一直在緊張進(jìn)行，如新型鉛酸電池、鋰離子電池和燃料電池的使用。

表3 各大汽車企業(yè)發(fā)展的電動(dòng)汽車

鉛酸蓄電池是常規(guī)潛艇水下動(dòng)力電源及輔助電源，也是核潛艇的應(yīng)急電源。鉛酸蓄電池由于具有技術(shù)成熟、性能可靠、制造成本低等顯而易見的優(yōu)勢(shì)，仍是當(dāng)今世界各國(guó)常規(guī)動(dòng)力潛艇最為普遍使用的蓄電池。但是，現(xiàn)代潛艇用鉛酸蓄電池存在充電時(shí)間長(zhǎng)、高倍率充放電效率不高、比能量和比功率不高的缺點(diǎn)。根據(jù)新一代潛艇的要求，需要開發(fā)更加先進(jìn)的鉛酸電池，以滿足潛艇機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)需求，提高和完善常規(guī)潛艇戰(zhàn)術(shù)使命。

美國(guó)航空航天局研制的一架無(wú)人駕駛飛機(jī)太陽(yáng)神號(hào)，使用燃料電池作為動(dòng)力，創(chuàng)造了世界飛行高度的紀(jì)錄，飛抵32 160 m高空。美國(guó)波音公司與美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局簽訂了無(wú)人機(jī)燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)合同，按設(shè)計(jì)要求新型燃料電池的無(wú)人機(jī)將延長(zhǎng)無(wú)人機(jī)在空中連續(xù)飛行時(shí)間，由幾十小時(shí)到數(shù)周。西門子燃料電池在德國(guó) AIP系統(tǒng)潛艇上的應(yīng)用較為成熟。2003年4月試航的212A型 U3l潛艇，其為世界第一艘現(xiàn)代化 AlP質(zhì)子交換膜燃料電池潛艇。

在美國(guó)，鋰離子電池已成為美軍標(biāo)準(zhǔn)電池系列之一。美國(guó)Yardney公司已為水下軍事裝備研制了三款鋰離子動(dòng)力電池，包括：（1）UUV電池系統(tǒng)，總能量10 kWh。共360只單體，單體容量8 Ah；（2）75 kW級(jí)電動(dòng)魚雷用鋰離子電池，由100只正棱柱形單體電池串聯(lián)起來(lái)，該電池組提供電流為250 A，電池組最大重量比功率為650 W／kg；(3)微型潛艇用高性能鋰離子電池系統(tǒng)，2005年首次安裝于ASDS-1艇，鋰離子電池總能量1.2 MWh，單體電池重量比能170～200 Wh／kg。除此之外，Yardney公司生產(chǎn)鋰離子電池組已廣泛應(yīng)用到聲納浮標(biāo)、聲波發(fā)射器、深潛器等水下裝備[9]。

[1]胡信國(guó).動(dòng)力電池進(jìn)展.電池工業(yè),1997,(2):113-118.

[2]楊裕生.動(dòng)力電池發(fā)展中的若干個(gè)問(wèn)題.第四屆動(dòng)力鋰離子電池技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展國(guó)際論壇,2009.

[3]賈恒義.鋰離子電池材料的研究與應(yīng)用.電源技術(shù),2011,(7): 869-871.

[4]王浩,楊聚萍,王莉,李建軍,何向明,歐陽(yáng)明.鋰離子電池的安全性問(wèn)題.新材料產(chǎn)業(yè),2012,(9):88-94.

[5]歷海燕,李全安,文九巴等.動(dòng)力電池的研究應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì).河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)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,陽(yáng)岳西,胡澤春.電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).電網(wǎng)技術(shù),2011,(4): 1-7.

[9]諸侯軍,郎俊山.水下裝備用鋰離子動(dòng)力電池研究進(jìn)展.船電技術(shù),2012,32（增刊）: 96-99.