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電池技術(shù)是一項偉大的發(fā)明,有著精彩而悠久的歷史,電池英文“Battery”首次出現(xiàn)在1749年,它由美國發(fā)明家本杰明富蘭克林首次使用,當(dāng)時他使用了一組串聯(lián)的電容器來進(jìn)行電學(xué)實驗。他使用稀硫酸作電解液,解決了電池極化問題,制造出第一個不極化,能保持平衡電流的鋅─銅電池,又稱“丹尼爾電池”。
1860年,法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的電池,也是蓄電池的前身;與此同時,法國的雷克蘭士發(fā)明了碳鋅電池,讓電池技術(shù)走向了干電池領(lǐng)域。
電池技術(shù)商用始于干電池,它由英國人赫勒森在1887年發(fā)明,并于1896年在美國批量生產(chǎn),與此同時,ThomasEdison在1890年發(fā)明可充電的鐵鎳電池,也于1910年實現(xiàn)商業(yè)化量產(chǎn)。
至此以后,得力于商業(yè)化驅(qū)動,電池技術(shù)迎來了突飛猛進(jìn)的時代,ThomasEdison在1914年發(fā)明堿性電池,SchlechtandAkermann在1934年發(fā)明鎳鎘電池?zé)Y(jié)極板,Neumann在1947年開發(fā)出密封鎳鎘電池,LewUrry(Energizer)在1949年開發(fā)出小型堿性電池,由此迎來堿性電池時代。
進(jìn)入1970年代以后,電池技術(shù)受能源危機的影響,逐步往物理電源方向發(fā)展,除了1954年就出現(xiàn)了的太陽能電池技術(shù)持續(xù)進(jìn)步外,鋰電池和鎳氫電池也逐步被發(fā)明和商業(yè)應(yīng)用。
動力電池是指為交通運輸工具提供動力的電池,一般是相對于為便攜式電子設(shè)備提供能量的小型電池而言;而普通電池是一種以鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料,使用非水電解質(zhì)溶液的一次電池,與可充電電池鋰離子跟鋰離子聚合物電池是不一樣。
在都是新電池的情況下,用放電儀測試電池容量,一般動力電池的容量在1000-1500mAh左右;而普通電池的容量在2000mAh以上,有的能到3400mAh。
一顆4200mAh的動力電池可以在短短幾分鐘內(nèi)將電量放光,但是普通電池完全做不到,因此普通電池的放電能力完全無法與動力電池相比。動力電池與普通電池最大的差別,在于其放電功率大,比能量高。由于動力型電池主要用途為車用能源供給,所以相較于普通電池要有更高的放電功率。
為電動汽車提供驅(qū)動動力的電池被稱為動力電池,包括傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳氫電池以及新興的鋰離子動力電鋰電池,分為功率型動力電池(混合動力汽車)以及能量型動力電池(純電動汽車);手機、筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品使用的鋰電池一般統(tǒng)稱為鋰電池,以區(qū)別于電動汽車用的動力電池。
鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長,技術(shù)最為成熟,是成本、售價最低廉的蓄電池,已實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。其中閥控式密封鉛酸蓄電池(VRLA)一度成為重要的車用動力電池,應(yīng)用在眾多歐美汽車公司開發(fā)的EV和HEV上,例如通用在20世紀(jì)80年代和90年代分別開發(fā)出的Saturn和EVI電動汽車等。
但是,鉛酸電池的比能量較低,續(xù)航時間短,自放電率高,循環(huán)壽命低;其主要原料鉛的重量大,而且在生產(chǎn)和回收過程中可能產(chǎn)生重金屬的環(huán)境污染。所以,目前鉛酸電池主要用于汽車啟動時的點火裝置,以及電動自行車等小型設(shè)備。
鎳氫(Ni/MH)電池具有良好的耐過充、過放能力,不存在重金屬污染問題,而且在工作過程中不會出現(xiàn)電解液增減現(xiàn)象,可以實現(xiàn)密封設(shè)計、免維護(hù)。與鉛酸電池和鎳鎘電池相比,鎳氫電池具有較高的比能量、比功率及循環(huán)壽命。
其缺點是電池具有的記憶效應(yīng)較差,而且隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行,貯氫合金逐漸失去催化能力,電池內(nèi)壓會逐漸升高,影響到電池的使用。此外,鎳金屬昂貴的價格,也導(dǎo)致成本較高。
在關(guān)鍵材料上,鎳氫電池主要由正極、負(fù)極、隔膜和電解質(zhì)構(gòu)成,正極為鎳電極(Ni(OH)2);負(fù)極一般采用金屬氫化物(MH);電解質(zhì)主要為液體,主要成份是氫氧化鉀(KOH)。目前鎳氫電池的研究重點主要在正、負(fù)極材料上,其技術(shù)研發(fā)相比較成熟。
車用鎳氫電池已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用,是混合動力汽車研制中應(yīng)用最多的車載電池類型。最典型的代表即目前混合動力汽車量產(chǎn)規(guī)模最大的豐田Prius。豐田與松下合資成立的PEVE公司是目前世界最大的鎳氫動力電池制造商。
燃料電池是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進(jìn)燃料電池,電就被生產(chǎn)出來。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等,像一個蓄電池,但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。
和普通化學(xué)電池相比,燃料電池可以補充燃料,通常是補充氫氣。一些燃料電池能使用甲烷和汽油作為燃料,但通常是限制在電廠和叉車等工業(yè)領(lǐng)域使用。氫燃料電池基本原理是電解水的逆反應(yīng),把氫和氧分別供給陽極和陰極,氫通過陽極向外擴散和電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后,放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。
氫燃料電池的工作原理是:將氫氣送到燃料電池的陽極板(負(fù)極),經(jīng)過催化劑(鉑)的作用,氫原子中的一個電子被分離出來,失去電子的氫離子(質(zhì)子)穿過質(zhì)子交換膜,到達(dá)燃料電池陰極板(正極),而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的,這個電子,只能經(jīng)外部電路,到達(dá)燃料電池陰極板,從而在外電路中產(chǎn)生電流。
電子到達(dá)陰極板后,與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧,可以從空氣中獲得,因此只要不斷地給陽極板供應(yīng)氫,給陰極板供應(yīng)空氣,并及時把水蒸氣帶走,就可以不斷地提供電能。
燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動機供電,再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動,就可使車輛在路上行駛。與傳統(tǒng)汽車相比,燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60~80%,為內(nèi)燃機的2~3倍。
燃料電池的燃料是氫和氧,生成物是清潔的水,它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳,也沒有硫和微粒排出。因此,氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車,氫燃料是完美的汽車能源!
鋰動力電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池。這種電池的負(fù)極是金屬鋰,正極用MnO2,SOCL2,(CFx)n等。70年代進(jìn)入實用化。因其具有能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點,已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中,如移動電話、便攜式計算機、攝像機、照相機等、部分代替了傳統(tǒng)電池。大容量鋰電池已在電動汽車中試用,將成為21世紀(jì)電動汽車的主要動力電源之一,并將在人造衛(wèi)星、航空航天和儲能方面得到應(yīng)用。
動力電池即為工具提供動力來源的電源,多指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車提供動力的蓄電池。
其主要區(qū)別于用于汽車發(fā)動機起動的起動電池。多采用閥口密封式鉛酸蓄電池、敞口式管式鉛酸蓄電池以及磷酸鐵鋰蓄電池。