胶体蓄电池、锂离子蓄电池和钛酸锂的特点与应用

1.阀控式铅酸免维护蓄电池

阀控式铅酸免维护蓄电池是目前市场上能够大量提供的蓄电池，使用中不需要补充水分，免维护。铅酸蓄电池已经有130多年的历史，可以说是使用最多的蓄电池。它性能可靠，生产工艺成熟，价格也较低，废电池易回收再生。然而，铅酸蓄电池比能量低，太重、太大，能提供的电能较少，使用寿命较短，作为电动车的动力电源一般只能够使用1～2年。此外，铅酸蓄电池还有深度放电能力和低温放电能力较差，不能快速充电等缺点。阀控式铅酸免维护蓄电池外形如图3-1所示。

图3-1 阀控式铅酸免维护蓄电池外形

近些年来，随着新技术的发展，铅酸蓄电池比能量低、循环寿命短、充电时发生酸雾、生产中可能有铅污染环境等缺点不断被克服，各项指标有很大提高，不仅能很好地用作电动自行车和电动摩托车的电源，而且在电动车上也能发挥很好的作用。

铅酸蓄电池的改进型——胶体铅酸蓄电池用胶体电解液代换硫酸电解液，其安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸蓄电池有所改善。但是从长远看，铅酸蓄电池在电动车上的使用前景不佳。还有一点，报废的铅酸蓄电池因被废弃会造成二次污染，这也是有些地方政府不肯支持电动车大量上路的重要原因之一。

1）阀控式铅酸蓄电池具有以下三大特性。

①电解液处于不流动贫液状态。

②具有自动开启、关闭的安全阀。

③蓄电池内氧气可再化合，解决了气体析出问题。

2）胶体蓄电池的特性。胶体蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进。它采用凝胶状电解质，内部无游离的液体存在，同等体积下电解质容量大，热容量大，热消散能力强，能避免一般蓄电池易产生的热失控现象。另外，它的电解质浓度低，对极板腐蚀弱，浓度均匀，不存在酸分层的现象。改进后的胶体蓄电池在多项重要性能上优于阀控式铅酸免维护蓄电池，例如使用性能稳定，可靠性高，使用寿命延长，对环境温度的适应能力（高或低温）强，承受长时间放电能力、循环放电能力、深度放电及大电流放电能力强，有过充电及过放电自我保护，蓄电池在100%放电后仍可继续接在负载上，几周内充电仍可恢复至原容量等优点。胶体蓄电池特别适合在气温较低的地区使用，例如我国东北地区。

2.镍氢蓄电池

镍氢蓄电池是20世纪90年代涌现出的电池家族的新秀，发展迅猛。镍氢蓄电池和镍镉蓄电池同属碱性蓄电池，是一种密封电池，可以在任何工况下工作，使用方便，重量在10kg左右。该蓄电池与普通的铅酸电池相比，二次污染的程度大大降低了。同时，该蓄电池可随时充放电，循环使用，且不用维护。以过充过放为一次使用过程，预计可使用1000次。镍氢蓄电池外形如图3-2所示。

镍氢蓄电池主要优点是比能量高，一次充电可行驶的距离长。大电流工作时也能平稳放电，加速爬坡能力好；功率高、低温放电性能好、循环寿命长、安全可靠、免维护、无记忆效应、对环境不存在任何污染、可再生利用、符合持续发展的理念。但是镍氢蓄电池成本较高，价格昂贵。

3.锂离子蓄电池

锂是世界上最轻的金属，构成蓄电池时，输出电压近4V。锂离子蓄电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，其优点是比能量高，是当前比能量最高的蓄电池，已经在便携式信息产品中获得推广应用。锂离子蓄电池外形如图3-3所示。

图3-2 镍氢蓄电池外形

图3-3 锂离子蓄电池外形

锂离子蓄电池采取了3层保护措施，可抗过充过放，使用更安全方便。其显著特点为体积小、质量轻、使用寿命长且环保（不需要回收）。

1995年，索尼公司又成功开发了用于电动车的锂离子蓄电池，共两种类型：一种是用于纯电动车，这种容量为100A·h圆柱形单体蓄电池，被称为高能型锂离子蓄电池；另一种用于混合动力车，这种容量为22A·h，8块单体串联成的蓄电池模块，其输出功率为前者的2.7倍，被称为高功率型锂离子蓄电池。

锂离子蓄电池已于1996年由日产汽车公司首次安装在Al-traE锂离子电动车上，并在北京第一届国际电动车展览会上展出。该车一次充电可行驶200km，最高时速120km/h。(www.xing528.com)

电动车锂离子蓄电池10块串联电压为36V，该电池重量轻，整体重量约为3.5kg，寿命约4年。而铅酸蓄电池单只重4.2kg，总重为12.5kg，寿命只有2年。但是现阶段环保效能较好的锂电池使用成本较高，不能大量普及。

（1）什么是锂电池人们说的锂电池通常指的是锂离子电池。锂离子电池具有重量轻、容量大、无记忆效应等优点，因而得到了普遍应用。现在的许多数码设备都采用了锂离子电池作电源，尽管其价格相对来说比较昂贵。锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，而且具有很低的自放电率。此外，锂离子电池几乎没有记忆效应以及不含有毒物质等优点也是它被广泛应用的重要原因。

（2）锂离子电池种类目前市场上的锂离子电池，有以下两种：

1）以磷酸铁锂为正极的锂离子电池。负极为碳、正极为磷酸铁锂的锂电池综合性能好，安全性较高，它不用昂贵的原料，不含有害元素，循环寿命长达2000次，并克服了电导率低的缺点。能量型电池的质量比能量可达120W·h/kg，与超级电容器并联使用，可以组成性能全面的动力电源。功率型电池的质量比能量也有70～80W·h/kg，可以单独使用而不必并联超级电容器。

2）以钛酸锂为负极的锂离子电池。钛酸锂在充放电过程中体积变化极小，可以保证电动机机构稳定和延长蓄电池的寿命。钛酸锂电极电位较高（相对于Li＋/Li电极为1.5V），在蓄电池充电时可以不生成锂晶枝，保证了蓄电池的高安全性。但也因钛酸锂电极电位较高，即使与电极电位较高的锰酸锂正极配对，蓄电池的电压也仅为约2.2V，所以蓄电池的比能量只有约50～60W·h/kg。即使如此，这种蓄电池高安全性，长寿命的突出优点，也是其他蓄电池无可比拟的。

（3）锂离子电池的构造锂离子电池由外壳、正极材料、负极材料、电解液、隔膜等构成。锂离子电池的构造如图3-4所示。

图3-4 锂离子电池的构造

①正极材料。从当前市场正极材料的应用情况来看，主要包括钴酸锂、锰酸锂、三元材料（镍钴锰酸锂）和磷酸铁锂。在动力电池领域，锰酸锂和磷酸铁锂是最有前途的正极材料；在通信电池领域，三元素复合材料最有可能成为替代钴酸锂的正极材料。因此，各类正极材料的市场占有率会随着发展趋势的变化而变化，其中锰酸锂、三元材料和磷酸铁锂正极材料的市场份额在逐渐增加，而钴酸锂则逐渐被以上三种材料替代。

②负极材料。目前市场上主要的负极材料包括乙炔黑、人造石墨、碳微珠、合金和天然石墨，其中以天然石墨和人造石墨的市场占有率最高，分别为52%和38%。目前在国内，负极材料领先的企业主要包括深圳贝特瑞、上海杉杉和长沙海容，而在全球范围内，负极材料的市场份额主要集中在日本日立、日本精工碳素、JFE日本钢铁、三菱、中国宝安-贝特瑞、杉杉股份六大厂家。

③电解液。六氟磷酸锂（LiPF₆）作为电解液的主要原材料，占电解液总成本的50%左右，目前售价超过30万元/吨，毛利率超过60%，为锂离子电池产业链中盈利能力最高的环节之一。但因其生产技术难度非常高，目前主要被关东电化学工业、SUTERAKEMI-FA、森田化学等日本企业垄断。天津金牛是国内较早拥有六氟磷酸锂生产技术并实现产业化的公司，但基本自用，对外出售的只是电解液。

目前，全球锂电池电解液的供应商同锂电池的全球格局一样，主要集中在中、日、韩三国。在国内，供应商主要有江苏国泰、华荣、深圳新宙邦、天津金牛、东莞杉杉等公司，主要供应国内市场。

④锂电池隔膜。目前，锂电池隔膜生产由于技术门槛较高，世界上只有日本、美国等少数几个国家拥有锂电池隔膜的生产技术和相应的规模化产业。世界隔膜的主要生产企业有日本旭化成工业（Asahi）、东燃化学（Tonen）、宇部兴产（UBE）；韩国的SK；美国的Celgard等，合计占据了全球市场份额的77%。国内现有生产线主要为低成本的单层聚烯烃拉伸隔膜生产线，主要供应中、低端市场，主要的隔膜生产企业有深圳星源材质科技、佛塑金辉高科、河南新乡格瑞恩新能源等，价格只有进口隔膜的1/3～1/2，供货周期也相对短些，但在动力电池隔膜的生产能力上均偏弱。

（4）锂电池是未来电动车产业动力电源的发展方向作为一种新能源，锂离子电池未来发展潜力巨大。以全固体薄膜锂离子电池为例，现在日本和英国已经生产出1min之内就可将电量百分百充满的电动车电池。据悉，在新能源政策的支持下，预计2015年我国新能源汽车的需求量将达97.7万辆，年均增长率216%。作为新能源汽车的核心动力设备，锂电池市场空间巨大。

4.超级电容器

超级电容器的优势是质量比功率高、循环寿命长，弱点是质量比能量低、购置价格贵，但是循环寿命长达50万～100万次，故单次循环价格不高，与铅酸电池、能量型锂离子电池并联可以组成性能优良的动力电源系统。超级电容器外形如图3-5所示。

图3-5 超级电容器外形

5.锌空气燃料电池

锌空气燃料电池性能稳定，重量轻，所需原料无毒、无害、无污染，而生产成本只有普通蓄电池的30%。目前，天津九能京通新能源科技公司投资3.3亿元建设的锌空气燃料电池项目，位于天津宝坻经济开发区。据悉，该公司开发生产的锌空气燃料电池为国家863计划科技成果，已通过国家动力电池测试中心检测，主要技术指标达到国际先进水平，可广泛用于电动车、通信、矿山、大型数据库等领域。同时，还将提供电池锌膏加注还原服务，以实现循环再生利用和延长产品使用寿命的目的。锌空气燃料电池外形如图3-6所示。

图3-6 锌空气燃料电池外形