动力电池的类型以及应用特点

动力电池类型及应用特点

目录

1.铅酸电池

2.镍金属电池

3.锂离子蓄电池

4.高温钠电池

5.金属空气电池

6.超级电容

7.飞轮电池

8.燃料电池

9.太阳能电池

1、铅酸电池

法国人普兰特于1859年发明铅酸蓄电池，至今已经历了近157年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种，产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用，它也是成熟的电动汽车蓄电池。

铅酸电池组成：正负电极分别为二氧化铅和铅，电解液为硫酸。

铅酸电池可以分为两类：

注水式铅酸电池：注水式铅酸电池价廉，但需要经常维护，补充电解液。

阀控式铅酸电池：阀控式铅酸电池通过安全控制阀自动调节密封电池体内在充电或工作异常时产生的多余气体，免维护，更符合电动汽车的要求。

总体上说，铅酸电池具有可靠性好、原材料易得、价格便宜等优点，比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。

但它有三大缺点；比能量低，所占的质量和体积太大；

充电行驶里程较短；

使用寿命短，使用成本过高。

由于铅酸电池的技术比较成熟，经过进一步改进的铅酸电池仍将是近期电动汽车的主要电源，正在开发的电动汽车用先进铅酸电池主要有以下几种：

l 水平铅酸电池；

l 双极密封铅酸电池；

l 卷式电极铅酸电池等。

根据铅酸蓄电池结构与用途区别，粗略将电池分为四大类：

1、启动用铅酸蓄电池；

2、动力用铅酸蓄电池；

3、固定型阀控密封式铅酸蓄电池；

4、其它类，包括：小型阀控密封式铅酸蓄电池，

矿灯用铅酸蓄电池等。

一个单格铅酸电池的标称电压是2.0V，能放电到1.5V，能充电到2.4V。在应用中，经常用6个单格铅酸电池串联起来组成标称是12V的铅酸电池；同时还有24V(12V*2)、36V(12V*3)、48V(12V*4)等。

12V电压变化范围：9V-14.4V；

24V电压变化范围：18V-28.8V；

36V电压变化范围：27V-43.2V；

48V电压变化范围：36V-57.6V；

电池正常温度操作范围为：77.F（25℃）；

电池放电后（装在设备中）：5.F到122.F（-15℃到50℃）；

充电后：32.F到104.F（0℃到40℃）；

储存中：5.F到104.F（-15℃到40℃）。

启动用铅酸蓄电池：一种专门用于车辆、船舶和飞机起动、照明、点火（缩写为SLI）和供电（20世纪80年代以后多缩写为SLIG）的铅酸蓄电池。一般指汽车蓄电池(automobile battery)，或者叫汽车启动电池。多为额定电池的额定容量C约36～210A·h，形成一个系列，比能量为35～45W·h/kg（按20h放电率能量计），可以数倍于C放电率放电。

启动用蓄电池（汽车启动电池）电压等级：12V（乘用车），24V（商用车）；

动力用铅酸蓄电池：为工具提供动力来源的电源，多指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车提供动力的蓄电池，其主要区别于用于汽车发动机起动的启动电池；

低速电动车用电池电压等级：48V，60V，72V等；

2、镍金属电池

（1）镍镉电池（Ni-Cd，Nickel-Cadmium Batteries）

镍镉电池最早应用于手机等设备的电池种类，它具有良好的大电流放电特性、耐过充放电能力强、维护简单；

镍镉电池最致命的缺点是在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短。所谓“记忆效应”就是电池在充电前，电池的电量没有被完全放尽，久而久之将会引起电池容量的降低，在电池充放电的过程中（放电较为明显），会在电池极板上产生些许的小气泡，日积月累这些气泡减少了电池极板的面积也间接影响了电池的容量。

此外，镍镉电池（Ni－Cd）中的镉有毒，使废电池处理复杂，环境受到污染，因此它将逐渐被用储氢合金做成的镍氢充电电池（Ni－MH）所替代。

（2）镍氢电池（Ni－MH Batteries）

镍氢电池是手机电池中质量优良、安全可靠且有利于环保的电池。镍金属氢电池的电量储备比镍镉电池多30%，使移动电话的通话时间也因而延长了30%。镍氢电池比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，对环境无污染，无记忆效应。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵，性能比锂电池要差。属于中档电池。

从电池电量来讲，相同大小的镍氢充电电池电量比镍镉电池高约1.5～2倍，现已经广泛地用于移动通讯、笔记本计算机等各种小型便携式的电子设备。

更大容量的镍氢电池已经开始用于汽油/电动混合动力汽车上，利用镍氢电池可快速充放电过程，当汽车高速行驶时，发电机所发的电可储存在车载的镍氢电池中，当车低速行驶时，通常会比高速行驶状态消耗大量的汽油，因此为了节省汽油，此时可以利用车载的镍氢电池驱动电动机来代替内燃机工作，这样既保证了汽车正常行驶，又节省了大量的汽油，因此，混合动力车相对传统意义上的汽车具有更大的市场潜力。

丰田普锐斯汽车采用镍氢电池是最典型的应用。

3、锂离子蓄电池

锂离子蓄电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

电极材料都是锂离子可以嵌入(插入)/脱嵌(脱插)的。

以钴酸锂，锰酸锂、镍钴锰酸锂（三元材料）、磷酸铁锂等为正极材料的动力电池，统归为锂离子动力电池，各有优势，是新一代锂离子动力电池的发展趋势；和所有化学电池一样，锂离子电池也由四个部分组成：正极、负极、隔膜和电解质。

（1）正极——活性物质一般为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂（三元材料）、磷酸铁锂材料等，

正极反应：放电时锂离子嵌入，充电时锂离子脱嵌。

钴酸锂电池：其特性是结构稳定、容量比高、综合性能突出、但安全性差、成本非常高，主要为中小型号电芯，广泛应用于笔记本电脑、手机、MP3/4等小型电子设备中，标称电压3.7V。

锰酸锂电池：锰酸锂是成本低、安全性和低温性能好的正极材料，但是其材料本身并不太稳定，容易分解产生气体，因此多用于和其它材料混合使用，以降低电芯成本，但其循环寿命衰减较快，容易发生鼓胀，高温性能较差、寿命相对短，主要用于大中型号电芯及动力电池方面，其参数如下：

标称电压为3.7V，输出电压范围：2.5~4.2v ，标准持续放电电流：0.2C，最大持续放电电流：1C，工作温度：充电：0~45℃，放电：-20~60℃。

三元锂电池：是指正极材料使用锂镍钴锰三元正极材料的锂电池，三元材料是镍钴锰酸锂Li（NiCoMn）O2，三元材料做正极的电池相对于钴酸锂电池安全性高；

电芯正极材料：锰酸锂（LiMn204），

混合添加剂：锂、镍、铝氧化物（Li（Ni-Al）02）。

电芯负极材料：石墨。

磷酸铁锂电池：是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池，分子式：LiFePO4；

磷酸铁锂电热峰值可达350℃-500℃，而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

（2）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过；

（3）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳；

（4）有机电解液——溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂，聚合物的则使用凝胶状电解液；

（5）电池外壳——分为钢壳、铝壳、铝塑膜（软包装）等。

锂离子动力电池电压是镍镉电池，镍氢电池的3倍，铅酸电池的2倍，这是体现锂离子动力电池比能量高的一个重要原因，锂离子动力电池组成相同电压的动力电池组时，锂离子动力电池使用的串联数目会大大少于铅酸电池和镍氢电池。如果动力电池中单体电池数量越多，电池组中单体电池的一致性要求就越高，寿命就越不好做，在实际使用过程中电池组有问题分析后，一般是其中一、两个单体电池出问题然后导致整组电池出现问题，因此不难理解为什么48V的铅酸电池比36V的铅酸电池反馈要高，从这个角度上讲锂电更适合动力电池的使用。例如36V 的锂电只需要10个单体，而36V铅酸电池需要18个单体电池，即3只12V的电池组，而每只12V的铅酸电池有六个单格即六个单体电池组成。

钛酸锂电池：钛酸锂作为锂离子电池负极材料，可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成2.4V或1.9V的锂离子二次电池。

钛酸锂还可以用作正极，与金属锂或锂合金负极组成1.5V的锂二次电池。

由于钛酸锂的高安全性、高稳定性、长寿命和绿色环保的特点，预计钛酸锂材料在数年后，一定会成为新一代锂离子电池的负极材料而被广泛应用在新能源汽车、电动摩托车和要求高安全性、高稳定性和长周期的应用领域。钛酸锂电池工作电压2.4V，最高电压3.0V，充电电流大于2C。

钛酸锂电池也由四个部分组成：正极、负极、隔膜、电解液、电池壳；

钛酸锂特性如下：测试数据表明，在6C充电，6C放电，100%DOD的条件下，钛酸锂单体电池的循环寿命超过25000次，剩余容量超过80%，同时电芯产生的胀气现象不明显，不影响其寿命。

4、钠硫电池

钠硫电池是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池；在一定的工作温度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，至今才40年左右的历史。

电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。

钠硫电池特色：

1）比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高。其理论比能量为760Wh/Kg，实际已大于150Wh/Kg，是铅酸电池的3-4倍；

2）可大电流、高功率放电：其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2，瞬时间可放出其3倍的固有能量；

3）充放电效率高：由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。

钠硫电池缺陷：

钠硫电池工作温度在300-350℃，电池工作时需要一定的加热保温，采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。

钠硫电池已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。在国外已经有上百座钠硫电池储能电站在运行，是各种先进二次电池中最为成熟和最具潜力的一种。

5、 空气电池

空气电池是化学电池的一种，构造原理与干电池相似，所不同的只是它的氧化剂取自空气中的氧，空气电池分类如下：

(1）锌空气电池( zinc air battery)

用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质，以锌为负极，以氯化铵或苛性碱溶液为电解质的一种原电池，称之为锌氧电池。分为中性和碱性两个体系的锌空气电池，分别用字母A和P表示，其后再用数字表示电池的型号。锌空气电池的充电过程进行得十分缓慢，为解决这一问题，通常锌空气电池的负极锌板或锌粒，被氧化成氧化锌而失效后，一般采用直接更换锌板或锌粒和电解质的方法，使锌空气电到完全更新。

(2）锂空气电池

锂空气电池并非新概念，由于在正极上使用空气中的氧作为活性物质，理论上正极的容量密度是无限的，可加大容量。另外，如果负极使用金属锂，理论容量会比锂离子充电电池提高一个数量级。

但是锂-空气电池至今都未普及其原因是它存在致命缺陷，即固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止；日本的研究院克服了这个困难，但要想实现商用，可能还需要10年。

(3）铝空气电池

铝空气电池是以铝与空气作为电池材料的一种新型电池。它是一种无污染、长效、稳定可靠的电源，是一款对环境十分友好的电池。电池的结构以及使用的原材料可根据不同实用环境和要求而变动，具有很大的适应性，既能用于陆地也能用于深海，既可做动力电池，又能作长寿命高比能的信号电池，是一款十分强大的电池，有很广阔的应用前景。

铝空气电池的化学反应与锌空气电池类似，铝空气电池以高纯度铝Al(含铝99.99%)为正极、氧为负极，以氢氧化钾(KOH)和氢氧化钠(NaOH)水溶液为电解质。铝摄取空气中的氧，在电池放电时产生化学反应，铝和氧作用转化为氧化铝。铝空气电池的进展十分迅速，它在EV（纯电动汽车）上的应用已取得良好效果，是一种很有发展前途的空气电池。

铝空气电池优点

l 比能量大；

l 质量轻；

l 铝没有毒性和危险性。

铝空气电池缺点

l 比功率低；

l 充电和放电速度缓慢；

l 电压滞后，自放电率较大；

l 需采用热管理系统来防止铝空气电池工作时的过热。

6、超级电容电池

超级电容电池又叫双电层电容器(Electrical Double-LayerCapacitor)是一种新型储能装置，它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。

超级电容器用途广泛：用作起重装置的电力平衡电源，可提供超大电流的电力；用作车辆启动电源，启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，可以全部或部分替代传统的蓄电池；用作车辆的牵引能源可以生产电动汽车、替代传统的内燃机、改造现有的无轨电车；用在军事上可保证坦克车、装甲车等战车的顺利启动（尤其是在寒冷的冬季）、作为激光武器的脉冲能源。此外还可用于其他机电设备的储能能源。

突出优点是功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其特性罗列如下：

（1）充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%

以上；

（2）循环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达1~50万次，

没有“记忆效应”；

（3）大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流

能量循环效率≥90%；

（4）功率密度高，可达300W/KG~5000W/KG，相当于电池的

5~10倍；

（5）产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，

是理想的绿色环保电源；

（6）充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，安全系数高，

长期使用免维护；

（7）超低温特性好，温度范围宽-40℃～+70℃；

（8）检测方便，剩余电量可直接读出；

（9）容量范围通常0.1F--1000F 。

7、飞轮电池

飞轮电池是20世纪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。当飞轮电池发出电的时，飞轮转速逐渐下降，飞轮电池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，飞轮电池比能量可达150Wh/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电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，由静止到96km/h加速时间为6.5秒。

8、燃料电池

燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成，不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部，限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质，只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给，进行反应。原则上只要反应物不断输入，反应产物不断排除，燃料电池就能连续地发电。这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池

氢-氧燃料电池反应原理是电解水的逆过程。

电极反应为：

负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-；

正极：1/2O2+H2O+2e-→2OH-；

电池反应：H2+1/2O2==H2O。

燃料电池组成部分

1、电极（Electrode）

燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所。

电极分两部分，其一为阳极（Anode），另一为阴极（Cathode），

2、电解质隔膜（Electrolyte Membrane）

电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子；

3、集电器（Current Collector）

集电器又称作双极板（Bipolar Plate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用；

4、辅助系统

反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电性能控制系统、安全装置等。

燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极（阳极）和空气极（阴极）、及两侧气体流路构成，气体流路的作用是使燃料气体和空气（氧化剂气体）能在流路中通过。

按燃料的处理方式的不同，可分为直接式、间接式和再生式。直接式燃料电池按温度的不同又可分为低温、中温和高温三种类型。间接式的包括重整式燃料电池和生物燃料电池。再生式燃料电池中有光、电、热、放射化学燃料电池等。按照电解质类型的不同，可分为碱型、磷酸型、聚合物型、熔融碳酸盐型、固体电解质型燃料电池。

丰田Mirai搭载的燃料电池堆栈是由370片薄片燃料电池组成的，因此被称为“堆栈”，一共可以输出114千瓦的发电功率。

9、太阳能电池

太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到，瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，voltaics伏特，缩写为PV），简称光伏。

工作原理

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结内建电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。

太阳能电池组件构成及各部分功能：

1） 钢化玻璃：其作用为保护发电主体（电池片），

其特性如下：透光率在91%以上；超白钢化处理；

2） EVA：其作用是 用来粘结固定钢化玻璃和发电主体（电池片），透明EVA材质的优劣直接影响到组件的寿命，主要粘结封装发电主体和背板。

3） 电池片：其主要作用就是发电，分两类：

晶体硅太阳能电池片：设备成本相对较低，光电转换效率也高，在室外阳光下发电比较适宜，但消耗及电池片成本很高；

薄膜太阳能电池片：消耗和电池成本很低，弱光效应非常好，在普通灯光下也能发电，但相对设备成本较高，光电转化效率相对晶体硅电池片一半多点，如计算器上的太阳能电池。

4） 背板作用，密封、绝缘、防水（一般都用TPT、TPE等材质必须耐老化，大部分组件厂家都是质保25年，钢化玻璃，铝合金一般都没问题，关键就在与背板和硅胶是否能达到要求。）

5） 铝合金保护层压件，起一定的密封、支撑作用。

6） 接线盒保护整个发电系统，起到电流中转站的作用，如果组件短路接线盒自动断开短路电池串，防止烧坏整个系统接，线盒中最关键的是二极管的选用，根据组件内电池片的类型不同，对应的二极管也不相同。

7） 硅胶密封作用，用来密封组件与铝合金边框、组件与接线盒交界处有些公司使用双面胶条、泡棉来替代硅胶，国内普遍使用硅胶，工艺简单，方便，易操作，而且成本很低。

太阳能发电方式

1）光—热—电转换

光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样。

2）光—电直接转换

太阳光电的发电原理是利用太阳电池吸收0.4μm～1.1μm波长(针对硅晶)的太阳光，将光能直接转变成电能输出的一种发电方式。

由于太阳能电池产生直流电，需加装直/交流转换器（DC/AC逆变器），换成交流电供家庭用电或工业用电。