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各种能源电池比较

来源:沃尔德   发布日期:2013-06-14   点击次数:3064

1.铅酸电池
    铅酸电池历史最悠久,目前应用依然十分广泛。铅酸电池由普兰特(Plante)于1859年发明,至今已有140多年的历史。100多年来,铅酸电池的工艺、结构、生产、性能和应用都在不断发展,科学技术的发展给古老的铅酸电池带来了蓬勃的生机。
    铅酸电池通过极板化成,在正极板上生成二氧化铅,在负极板上生成海绵状铅。在硫酸电解液中,正极电位为1.682V,负极电位为-0.395V(对于单格电压为2V的铅酸电池),因而这种电池的电动势是2.077V。
    铅酸电池放电工作电压较平稳,既可以小电流放电,也可以很大的电流放电;工作温度范围宽,可在-40℃ ~65℃范围中工作。这种电池技术成熟,成本低廉,跟随负荷输出特性好,因此至今仍不失为蓄电池中的重要产品。但这种电池也有明显缺点,例如重量大,质量比能量低,需要维护,充电速度慢。
    铅酸电池技术在近代有了重大变革,性能有了极大飞跃,主要标志是20世纪70年代发展的阀控密封铅酸电池(VRLA)。美国Gates首创了全密封结构的超细玻璃纤维吸液式铅酸电池,从而发展为阀控密封免维护铅酸电池。近十来年中,又出现了双极性密封铅酸电池和水平式电极密封铅酸电池。在双极性密封铅酸电池中引入强力薄板两侧为正、负活性物质的双极性电极,使其内阻大幅度降低,从而大大提高了比能量和充电速度。这种铅酸电池具有能量高、成本最低、寿命最长(10年)、容量更大(是普通铅酸电池的两倍)、不漏液、安全、无污染、可回收、免维护、使用方便等特点。对于新发展的双极性密封铅酸电池和水平式铅酸电池,C/3放电比能量不小于50Wh/kg,显示了优良的性能。
2.镉镍电池
    1899年瑞典人杨格纳(Jinger)发明了镉镍电池,至今也有100多年的历史了。镉镍电池也是一种历史悠久和应用广泛的二次电池。德国的Varta公司是世界上第一个生产镉镍二次电池的厂家。
镉镍电池的电极板使用孔隙性镍烧结板或泡沫镍,正极镍板浸渗Ni(OH)2,负极镍板浸渗或涂布Cd(OH)2,电解液多数为30% ~40%的KOH水溶液。正极电位为 +0.52V,负极电位为 -0.809V(对于单格电压为1.2V的镉镍电池),因此镉镍电池的电动势为1.329V。
    镉镍电池的工作电压为1.2V左右,具有优良的大电流放电性能,可在-20℃ ~60℃的温度范围内工作。与铅酸电池相反,这种电池的过充电性能好,可靠性高。类似的碱溶液二次电池还有铁镍电池、锌镍电池、锌银电池、镉银电池等,这类电池具有充放电次数多、工作寿命长、长期不用也不影响寿命、可靠耐久、容易使用等特点,因而有很大的产量和应用市场。总之,镉镍电池最大的优点是稳定耐用,缺点是镉较贵和污染环境。
    镉镍电池种类繁多,有放置用大型镉镍电池(其容量多数在20Ah以上)和小型密封式镉镍电池。容量在6Ah以下、0.5Ah以上的镉镍电池为圆柱形和扁平形,0.5Ah以下的为纽扣式电池。日本三洋公司生产的容量从40mAh到2000mAh不等的95种型号的镉镍电池,按用途可分为8类:一般用(标准型)电池、高容量(E型)电池、快速充电用(R型)电池、高温用(H型)电池、耐热用(K型)电池、长寿命(C型)电池、保护记忆用(S型)电池和扁平形(KF型)电池。典型的标准型电池为 AA型,其容量为 600mAh,尺寸为14.2mm×50.5mm,重量为23g,内阻为 12mΩ。AAA型电池的容量为250mAh,尺寸为10.5mm×44.5mm,重量为11g,内阻为24Ω。在20世纪60年代,密封式镉镍电池因具有大功率放电特性而用于导弹、火箭以及人造卫星能源系统。
    镉镍电池正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成,石墨不参加化学反应,其主要作用是增强导电性;负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成,氧化铁粉的作用是使氧化镉粉有较高的扩散性,防止结块,并增加极板的容量。活性物质分别包在穿孔钢带中,加压成型后即成为电池的正、负极板。极板间用耐碱的硬橡胶绝缘棍或带孔的聚氯乙烯瓦楞板隔开。电解液通常用氢氧化钾溶液。与其他电池相比,镉镍电池的自放电率(即电池不使用时失去电荷的速率)适中。镉镍电池在使用过程中,如果放电不完全就再次充电,那么在下次再放电时就不能放出全部电量。比如,镉镍电池放出80%的电量后再充足电,则在下一步的使用中该电池只能放出80%的电量。这就是镉镍电池所谓的记忆效应。当然,几次完整的放电/充电循环将使镉镍电池恢复正常工作。由于镉镍电池具有记忆效应,因此,若镉镍电池未完全放电,则应在充电前将每节电池放电至1V以下。
3.镍氢电池
    镍氢电池是才生产了几年的新电池,又称为储氢电池。20世纪70年代,荷兰飞利浦实验室在研究第一代稀土永磁合金时,试验了LaNi5的磁性能,竟意外地发现其有很好的储氢性能,但深入研究发现储氢合金不适用于电池,因为其平衡压太高,循环寿命太短。进一步研究和改进发现,这些缺点都可克服,从而为发展储氢电池奠定了技术基础。20世纪80年代末,已找到了适用于电池的储氢合金,典型材料为MmNi3.55Co0.75Mn0.4Al0.3,这里的Mm为混合稀土,应用混合稀土替代镧,有利于降低成本。用储氢合金替代镉镍电池中的镍电极,由此形成镍氢电池。镍氢电池和镉镍电池具有相同的工作电压(1.2V),因此这两种电池在应用中有着良好的互换性。
    镍氢电池的能量高,为镉镍电池的1.8~2倍,为铅酸电池的3倍。镍氢电池具有良好的充放电性能,可随充随放、快充深放,无记忆效应,不含镉、铅、汞等有害物质,对环境无污染,被称为绿色电池。
    用于镍氢电池的储氢材料有两大类:一类为AB5系列,日本的松下公司、三洋公司以及荷兰的飞利浦公司和我国都采用这种材料;另一类为 AB2系列,美国的 Ovonic公司、Gates公司以及德国的 Varta公司等都使用这种材料。通过对储氢合金的组成、制备工艺、电极改性、电极成型工艺等的研究,镍氢电池的性能不断得以提高。
    镍氢电池与镉镍电池类似,多种多样,有方形蓄电池组(作为动力电池用,其容量为10~20Ah),有圆柱形和扁平形的小型电池,也有纽扣式电池。日本三洋公司生产的AA型镍氢电池的容量为1100mAh,尺寸为14.2mm×50.0mm,重量为27g;AAA型的容量为650mAh,尺寸为10.5mm×44.5mm,重量为13g。
    镍氢电池的正极板材料为NiOOH,负极板材料为吸氢合金,电解液通常用30%的KOH水溶液,并加入少量的NiOH。隔膜采用多孔维尼纶无纺布或尼龙无纺布等。
    镍氢电池具有较好的低温放电特性,即使在-20℃环境温度下,采用大电流(以1C放电速率)放电,放出的电量也能达到标称容量的85%以上。但是,在高温(+40℃以上)时,这种电池的蓄电容量将下降5% ~10%。这种由于自放电(温度越高,自放电率越大)而引起的容量损失是可逆的,通过几次充放电循环就能恢复到最大容量。
    镉镍电池和镍氢电池的充电过程非常相似,都要求恒流充电,两者的差别主要在快速充电时为防止电池过充电而采用的检测方法上。充电器对电池进行恒流充电,同时检测电池的电压和其他参数。当电池电压缓慢上升达到某个峰值时,镍氢电池的快速充电过程终止;而对于镉镍电池来说,则当电池电压第一次下降时终止快速充电过程。为避免损坏电池,电池温度过低时不能进行快速充电。电池温度低于10℃时,应采用涓流充电方式给电池充电。待电池温度一旦达到规定数值后,必须立即停止涓流充电而进入快速充电阶段。

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