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鋰電池技術(shù)是一項偉大的發(fā)明,有著精彩而悠久的歷史,鋰電池英文“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,解決了鋰電池極化問題,制造出第一個不極化,能保持平衡電流的鋅─銅鋰電池,又稱“丹尼爾鋰電池”。
1860年,法國的普朗泰發(fā)明出用鉛做電極的鋰電池,也是蓄鋰電池的前身;與此同時,法國的雷克蘭士發(fā)明了碳鋅鋰電池,讓鋰電池技術(shù)走向了干鋰電池領(lǐng)域。
鋰電池技術(shù)商用始于干鋰電池,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,Thomas Edison在1890年發(fā)明可充電的鐵鎳鋰電池,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,鋰電池技術(shù)迎來了突飛猛進(jìn)的時代,Thomas Edison在1914年發(fā)明堿性鋰電池,Schlecht and Akermann 在1934年發(fā)明鎳鎘鋰電池?zé)Y(jié)極板,Neumann在1947年開發(fā)出密封鎳鎘鋰電池, Lew Urry (Energizer)在1949年 開發(fā)出小型堿性鋰電池,由此迎來堿性鋰電池時代。
進(jìn)入1970年代以后,鋰電池技術(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)了的太陽能鋰電池技術(shù)持續(xù)進(jìn)步外,鋰鋰電池和鎳氫鋰電池也逐步被發(fā)明和商業(yè)應(yīng)用。
什么是動力鋰電池?它與普通鋰電池的區(qū)別
新能源汽車的動力來源一般主要是以動力鋰電池為主。動力鋰電池實際上就是為交通運輸工具提供動力來源的一種電源。它與普通鋰電池的主要區(qū)別為:
一、性質(zhì)不同
動力鋰電池是指為交通運輸工具提供動力的鋰電池,一般是相對于為便攜式電子設(shè)備提供能量的小型鋰電池而言;而普通鋰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)溶液的一次鋰電池,與可充電鋰電池鋰離子跟鋰離子聚合物鋰電池是不一樣。
二、鋰電池容量不同
在都是新鋰電池的情況下,用放電儀測試鋰電池容量,一般動力鋰電池的容量在1000-1500mAh左右;而普通鋰電池的容量在2000mAh以上,有的能到3400mAh。
三、放電功率不同
一顆4200mAh的動力鋰電池可以在短短幾分鐘內(nèi)將電量放光,但是普通鋰電池完全做不到,因此普通鋰電池的放電能力完全無法與動力鋰電池相比。動力鋰電池與普通鋰電池最大的差別,在于其放電功率大,比能量高。由于動力型鋰電池主要用途為車用能源供給,所以相較于普通鋰電池要有更高的放電功率。
四、應(yīng)用不同
為電動汽車提供驅(qū)動動力的鋰電池被稱為動力鋰電池,包括傳統(tǒng)的鉛酸鋰電池、鎳氫鋰電池以及新興的鋰離子動力電鋰鋰電池,分為功率型動力鋰電池(混合動力汽車)以及能量型動力鋰電池(純電動汽車);手機、筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品使用的鋰鋰電池一般統(tǒng)稱為鋰鋰電池,以區(qū)別于電動汽車用的動力鋰電池。
動力鋰電池現(xiàn)有主要種類
目前市場上主流技術(shù)仍以鉛酸鋰電池技術(shù)、鎳氫鋰電池技術(shù)、燃料鋰電池技術(shù)、鋰鋰電池技術(shù)為主。
鉛酸蓄鋰電池
鉛酸蓄鋰電池的應(yīng)用歷史最長,技術(shù)最為成熟,是成本、售價最低廉的蓄鋰電池,已實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。其中閥控式密封鉛酸蓄鋰電池(VRLA)一度成為重要的車用動力鋰電池,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,鉛酸鋰電池的比能量較低,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,目前鉛酸鋰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。
鎳氫鋰電池
鎳氫(Ni/MH)鋰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。與鉛酸鋰電池和鎳鎘鋰電池相比,鎳氫鋰電池具有較高的比能量、比功率及循環(huán)壽命。
其缺點是鋰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,鋰電池內(nèi)壓會逐漸升高,影響到鋰電池的使用。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,鎳氫鋰電池主要由正極、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)。目前鎳氫鋰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。
車用鎳氫鋰電池已實現(xiàn)了批量生產(chǎn)和使用,是混合動力汽車研制中應(yīng)用最多的車載鋰電池類型。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鋰電池制造商。
如今鎳氫鋰電池現(xiàn)階段已經(jīng)退出主流動力鋰電池行列,那么為何豐田還會固執(zhí)己見的堅守鎳氫鋰電池的陣營呢?
這就不得不說到鎳氫鋰電池最大的優(yōu)勢:超強的耐用性!
曾經(jīng)美國著名的汽車媒體對一臺使用了十年后的第一代普銳斯進(jìn)行了對比測試。測試結(jié)果顯示,采用鎳氫鋰電池的第一代普銳斯車型在經(jīng)過了10年行駛33萬公里之后,將其與新車時的數(shù)據(jù)對比,無論是在油耗性能還是在動力性能都保持在同一水平,說明混動系統(tǒng)和鎳氫鋰電池組仍然工作正常。
此外,即便在使用十年跑了33萬公里之后,這輛第一代普銳斯其鎳氫鋰電池組從未發(fā)生過問題,人們十年前所質(zhì)疑因鋰電池容量衰減將大幅影響油耗和動力性能的情況也沒有出現(xiàn)。由此看來,一向嚴(yán)謹(jǐn)保守的日本人對于鎳氫鋰電池的鐘愛確實有其獨到的原因。
燃料鋰電池
燃料鋰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)燃料鋰電池,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,像一個蓄鋰電池,但實質(zhì)上它不能“儲電”而是一個“發(fā)電廠”。
和普通化學(xué)鋰電池相比,燃料鋰電池可以補充燃料,通常是補充氫氣。一些燃料鋰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。氫燃料鋰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。
氫燃料鋰電池的工作原理是:將氫氣送到燃料鋰電池的陽極板(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)燃料鋰電池陰極板(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)燃料鋰電池陰極板,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。
燃料鋰電池發(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,燃料鋰電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60~80%,為內(nèi)燃機的2~3倍。
燃料鋰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,氫燃料鋰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!