2.3镍氢电池2.4锂离子电池

新能源汽车技术复习：1.电动汽车对动力电池的要求；2.铅酸蓄电池的工作原理。2.3镍氢电池2.4锂离子电池教学目标：1.掌握镍氢电池的主要特点和应用；2.掌握锂离子电池的主要特点和应用。2.3镍氢电池镍氢电池是90年代发展起来的一种新型电池。它的正极活性物质主要由镍制成，负极活性物质主要由贮氢合金制成，是一种碱性蓄电池。镍氢电池具有高比能量、高功率、适合大电流放电、可循环充放电、无污染，被誉为“绿色电源”。氢镍电池应用：民用通讯电源，各种便携式设备电源、电动工具、动力电源等。小型绿色电源，替代镉镍电池。电动工具便携式电源•矿灯•应急灯•网标灯动力电池2.3.1镍氢电池的发展动态目前镍氢电池用于电动汽车主要在日本、美国、德国和法国进行开发。日本从事电动汽车用镍氢电池开发的主要代表性厂家为松下电池公司。松下成功开发了纯电动汽车用的高能型电池组和混合动力汽车用的高功率型电池组，并且将成本降到500美元/kWh左右。丰田“普锐斯”、“雷克萨斯LS600h”等混合动力汽车均采用镍氢充电电池。日本丰田FCHV-adv型车为燃料电池混合动力汽车，配备了燃料电池和镍氢电池，其中镍氢电池为电动机的起动及燃料电堆起动提供电能，一次充满氢的续驶里程为830km左右。2.3.1镍氢电池的发展动态美国Ovonic公司在美国先进电池开发联合体(USABC)的资助下开展电动汽车用MH-Ni蓄电池的开发，研制水平达到了USABC制定的中期发展目标。美国Ovonic公司生产的混合动力电动车用镍氢动力电池，世界众多汽车厂家有着广泛的使用，如丰田Prius，Camry、本田Civic，Insight、福特Fusion，Escape、雷克萨斯RX400h、保时捷Cayenne等。Ovonic公司2011年3月份制定车用镍氢电池技术发展蓝图，提出了“Halfthesize,Halfthecost”（体积减半，耗费减半）的口号。未来镍氢电池的研究重点集中在三个方面：储氢合金的改进；稳定高比容量正极材料Ni(OH)2的制备与O2控制；电解液的重新分配。2.3.1镍氢电池的发展动态德国Varta公司开发的超高功率镍氢电池功率密度已达到1000W/kg，但其比能量仅为40Wh/kg。这种电池也很好地适应了42V汽车电气系统的需求，它不但放电功率高，脉冲充电功率也高达1100W/kg(单体电池水平)，而且在低温-25℃时脉冲充电功率还能达到500W/kg。法国Saft公司的4/5SF型(Φ41mm×93mm)高功率镍氢电池容量为14Ah，比能量为47Wh/kg，80%充电态对应的比功率为900W/kg，功率密度达2500W/L。2.3.1镍氢电池的发展动态在镍氢电池领域，我国在技术和资源上均具有优势，我国的氢氧化镍性能世界领先，稀土资源丰富，具有得天独厚的资源优势。目前，在国内镍氢电池领域，春兰集团与科力远成为主要的竞争对手。除上述两家外，包钢稀土、中炬高新及天津蓝天高科也在生产镍氢电池，而厦门钨业、吉恩镍业则是镍氢电池材料供应商。虽然镍氢电池在技术上取得了很大突破，但仍有不少因素制约其实际应用，包括高温性能、贮存性能、循环寿命、电池组管理系统、热管理和价格等。2.3.1镍氢电池的发展动态镍氢电池现主要应用于混合电动车。HEV市场占56%，零售市场（包括遥控车、玩具、家用电器、数码摄像机）占24%，无绳电话占11%，其他市场为9%。世界镍氢电池主要由中国和日本企业生产，占全球产量的95%以上。全球镍氢电池70%以上在中国生产，中国镍氢电池企业主要包括超霸、豪鹏、比亚迪、环宇、科力远、力可兴、三普、迪生、三捷、量能、格瑞普等。日本企业松下、汤浅、三洋已将小型镍氢电池生产转移到中国。2.3.2镍氢电池的原理电动汽车用镍氢（Ni-MH)电池也称为镍金属氧化物电池。镍氢电池是90年代发展起来的一种新型电池，是在Ni-Cd电池的基础上发展起来的。镍氢蓄电池不含铜、铅，镉不存在重金属污染问题。其基本组成有：氢氧化镍正电极、储氢合金负极及碱性电解液（如质量分数为30%的氢氧化钾水溶液）。雪佛兰Malibu混合动力42V镍氢蓄电池Ni-MHBatteryofToyotaNHW20Prius2.3.2镍氢电池的原理镍氢电池正极的活性物质为NiOOH(放电时）和Ni(OH)2(充电时），负极的活性物质是H2(放电时）和H2O(充电时），在电解液K0H水溶液的作用下，进行电化学反应,完成充电和放电过程。2NiOOH+K0H+H2Ni(OH)2+K0H+Ni(OH)2放电充电NiOOH读作羟基氧化镍又名碱式氧化镍，或氢氧化氧镍2.3.2镍氢电池的原理镍氢电池的工作原理示意图关于储氢合金存氢的金属和合金，统称为储氢合金（hydrogenstoragemetal）,这些金属或合金具有很强的捕捉氢的能力，它可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金(或金属)中先分解成单个的原子，而这些氢原子便“见缝插针”般地进入合金原子之间的缝隙中，并与合金进行化学反应生成金属氢化物(metalhydrides)，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。而当对这些金属氢化物进行加热时，它们又会发生分解反应，氢原子又能结合成氢分子释放出来，而且伴随有明显的吸热效应。关于储氢合金储氢合金，主要有钛系储氢合金、锆系储氢合金、铁系储氢合金及稀土系储氢合金。储氢合金不光有储氢的本领，而且还有将储氢过程中的化学能转换成机械能或热能的能量转换功能。储氢合金在吸氢时放热，在放氢时吸热，利用这种放热－吸热循环，可进行热的储存和传输，制造制冷或采暖设备。储氢合金还可以用于提纯和回收氢气，它可将氢气提纯到很高的纯度。例如，采用储氢合金，可以以很低的成本获得纯度高于99.9999%的超纯氢。关于储氢合金所有这些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金属氢化物。电池充电时，氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H+）会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气（H2），以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。2.3.3镍氢电池的构造镍氢电池由氢氧化镍正极，储氢合金负极，隔膜纸，电解液，钢壳，顶盖，密封圈等组成。在圆柱形电池中，正负极用隔膜纸分开卷绕在一起，然后密封在钢壳中的。在方形电池中，正负极由隔膜纸分开后叠成层状密封在钢壳中。2.3.4镍氢电池的充放电特性（1）镍氢电池的充电特性在充电起始阶段，镍氢电池的充电电压迅速上升；在随后的充电过程中，充电电压上升很缓慢；当充电接近结束时，充电电压会有所下降；当停止充电后，镍氢电池内部的极化作用消失，镍氢电池的端电压逐渐下降至开路电压。充电电流越大，充电电压就越高，充电的效率也越低。当温度过高时，也会降低蓄电池的充电效率，并容易造成充电不足。2.3.4镍氢电池的充放电特性（2）镍氢电池的放电特性镍氢电池在放电最初阶段电压迅速下降，随后下降缓慢。当接近放电终了时，蓄电池的端电压下降较快。放电电流越大，放电电压就越低，放电时间也会越短，蓄电池所能放出的电量相应减小。当温度降低时，蓄电池放电时的端电压也会降低，放电时间也会缩短，蓄电池所能放出的电量也会相应减小。2.3.5镍氢电池的特点镍氢电池的优点是：①比功率大，商业化的镍氢电池的比功率可达到1350Wh/kg。②循环寿命长，电动车用镍氢电池在80%DOD时的循环寿命可达1000次以上，是铅酸电池的3倍多；在100%DOD下的循环寿命也在500次以上。镍氢电池用于混合动力电动汽车，其使用寿命可达5年以上。③不含铅、镉等对人体有害的金属，无污染，故而被称为21世纪“绿色环保电源”。④耐过充电、过放电能力较强。2.3.5镍氢电池的特点⑤无记忆效应。⑥使用温度范围宽。正常使用温度范围为-30〜55℃，储存温度范围为-40〜70℃。⑦使用安全可靠；在进行短路、挤压、针刺、安全阀工作能力、跌落、加热、耐振动等安全性和可靠性试验时，无爆炸和燃烧现象。镍氢电池的不足有：①成本较高，其价格是铅酸电池的5〜8倍。②单格电池的电压较低，只有1.2V。③自放电的损耗较大。④环境温度对蓄电池的放电电压和容量有较大的影响。镍系电池除了镍氢电池还有镍镉电池、镍锌电池等。1.镍镉电池（1）镍镉电池的基本原理镍镉电池也是采用氧化镍作正极的活性物质，负极的活性物质为金属镉Cd,电解液是KOH水溶液。2.3.6镍镉电池镍镉电池在放电过程中，负极Cd被氧化，生成Cd(OH)2；充电时，Cd(OH)2又被还原为Cd。镍镉电池在充电和放电过程中负极的电化学反应为Cd+2OH-一Cd(OH)2+2e镍镉电池在放电时，正极Ni00H被还原为Ni(0H)2，充电时又被氧化成Ni00H。镍镉电池在充电和放电过程中正极的电化学反应为Ni00H+H20+e一Ni(OH)2+OH-镍镉电池在充、放电时，其总的电化学反应表达式为2Ni00H+Cd+2H20一2Ni(OH)2+Cd(OH)2与铅酸电池所使用的电解液（硫酸水溶液）相比，镍镉电池的KOH碱性电解液在充、放电过程中，其密度不发生显著变化。(2)镍镉电池的特点镍镉电池的比能量可达55Wh/kg，比功率超过190W／kg。可快速充电，使用寿命是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的4〜5倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在比能量和使用寿命方面的优势，因此其实际使用成本并不比铅酸蓄电池高多少。镍镉电池注意的问题重金属镉造成环境污染。镍镉电池在电动汽车上的使用，有被镍氢电池完全取代的趋势。镍镉电池，长期不彻底充电、放电，易在电池内留下痕迹，降低电池容量，这种现象称为电池记忆效应。意思是说，电池好像记忆用户日常的充、放电幅度和模式，日久就很难改变这种模式，不能再做大幅度充电或放电。镍氢动力电池在电动汽车上的应用由于镍氢电池满足混合动力电动汽车高功率密度的要求，该类电池目前在混合动力电动汽车尤其是在日系车型中应用广泛，如丰田凯美瑞混合动力车、普锐斯、雷克萨斯CT200.本田思域CIVIC等。福特公司推出的Escape混合动力汽车也采用了额定电压在300V左右的镍氢电池组。丰田PRIUS普锐斯混合动力汽车采用镍氢电池作为动力电源。PRIUS普锐斯的HV蓄电池采用的就是288V，6.5A·h的镍氢动力电池。该电池组可以通过发电机和电动机实现充放电，且输出功率大、重量轻、寿命长、耐久性好。丰田凯美瑞混合动力车也采用了镍氢电池组。新途锐混合动力车采用镍氢电池作为动力电源新途锐混合动力车型是大众汽车旗下第一款采用了电驱动技术的车型。途锐混合动力通过结合电力驱动、车辆滑行、能量回收和启动-停车系统四个方面的技术，使得这辆重达2.3吨的SUV在城市路况的燃油效率较同级别车型提高了25%；在城市、高速公路和乡间的综合路况，平均油耗则降低了17%。锂一次电池(又称锂原电池,PrimaryLB)锂电池(LithiumBattery,简写成LB)锂二次电池(又称锂可充电电池，RechargeableLB)2.4锂离子电池锂离子电池区别于锂电池早期的锂电池锂离子电池(Li-ionBatteries)是锂电池发展而来。所以在介绍之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放电循环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。锂离子电池：炭材料锂电池后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高