通信學(xué)論文-新型綠色電池的發(fā)展及在信息通信產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景.doc

通信學(xué)論文-新型綠色電池的發(fā)展及在信息通信產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景概述近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外信息技術(shù)發(fā)展異常迅猛，由此而形成的信息通訊產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)之一。由此也極大地推動(dòng)了新型綠色電池技術(shù)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。作為通信使用的電池，以下新型綠色電池技術(shù)和相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展尤為迅速。1.貯氫材料及金屬氫化物鎳蓄電池2.鋰離子嵌入材料及液態(tài)電解質(zhì)鋰離子蓄電池3.聚合物電解質(zhì)鋰蓄電池或鋰離子蓄電池4.鋅空氣電池和PEM燃料電池除以上外，針對(duì)我國(guó)通信產(chǎn)業(yè)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)電池工業(yè)界正以極高的速度推動(dòng)環(huán)保型無(wú)汞堿性鋅錳原池及可充電電池和密封鉛酸蓄電池的技術(shù)發(fā)展及擴(kuò)大應(yīng)用市場(chǎng)。新型綠色環(huán)保電池簡(jiǎn)介新型綠色環(huán)保電池是指近年來(lái)已投入使用或正在研制、開(kāi)發(fā)的一類高性能、無(wú)污染電池。目前已經(jīng)大量使用的金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池和正在推廣使用的無(wú)汞堿性鋅錳原電池和可充電電池以及正在研制、開(kāi)發(fā)的鋰或鋰離子塑料蓄電池和燃料電池等都屬于這一范疇。此外，目前已廣泛應(yīng)用并利用太陽(yáng)能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)電池（又稱光伏發(fā)電），也可列入這一范疇。金屬氫化物鎳蓄電池（NiMH）與鎘鎳蓄電池（NiCd）有相同的工作電壓（1.2V），但由于采用稀土合金或TiNi合金貯氫材料作為負(fù)極活性物質(zhì)，取代了致癌物質(zhì)鎘，不僅使這種新型電池成為一種綠色環(huán)保電池，而且使電池的比能量提高了近40，達(dá)到60-80Wh/kg和210-240Wh/L。這種電池是90年代初逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并且首先使用于手機(jī)電池。目前雖然它在手機(jī)上的主導(dǎo)地位逐步被鋰離子電池取代，但是在歐美手機(jī)應(yīng)用中，其市場(chǎng)占有率仍在50左右。鋰離子蓄電池（Li-ion）系由可使鋰離子嵌入及脫嵌的碳作負(fù)極，可逆嵌鋰的金屬氧化物作正極（LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4）和有機(jī)電解質(zhì)構(gòu)成，其工作電壓為3.6V，因此一個(gè)鋰離子電池相當(dāng)于三個(gè)鎘鎳或金屬氫化物鎳電池。由此這種電池的比能量是可以超過(guò)100Wh/kg和280Wh/L，又大大超過(guò)了金屬氫化物鎳蓄電池的比能量。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，自1993-2000年短短的幾年中，其生產(chǎn)量和使用量以極高的速度增長(zhǎng)。堿性鋅錳干電池（alkaline）較同尺寸普通干電池具有更高的容量，并具有大電流放電的能力。近年來(lái)已應(yīng)用了無(wú)汞鋅粉，因此使這種電池成為一種綠色電池，并成為原電池中的主流產(chǎn)品，目前堿性鋅錳干電池仍然是BP機(jī)使用最多的電源。同時(shí)，世界各國(guó)也關(guān)注這種電池的可充性，美國(guó)一家公司已推出可充堿錳電池，產(chǎn)品應(yīng)用緩慢增長(zhǎng)中。這種電池保持了原電池的放電特性，而且能再充電使用幾十次至幾百次（深充放電循環(huán)壽命約25次）。鋰塑料蓄電池（LIP）是金屬鋰為負(fù)極，導(dǎo)電聚合物作電解質(zhì)的新型電池，其比能量已達(dá)到170Wh/kg和350Wh/L。鋰離子塑料蓄電池則是將目前鋰離子蓄電池中的有機(jī)電解液貯存于一種聚合物膜中，或是使用導(dǎo)電聚合物為電解質(zhì)，使電池中無(wú)游離電解液。這種電池可以用鋁塑料復(fù)合膜實(shí)現(xiàn)熱壓封裝，具有重量輕、形狀可任意改變，安全性更好的特點(diǎn)。燃料電池（FC）則是一種利用燃料（如氫氣或含燃料）和氧化劑（如純氧或空氣中的氧）直接連續(xù)發(fā)電的裝置，由于避開(kāi)了卡諾循環(huán)的限制，這種發(fā)電裝置不僅效率高（電化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)40以上），且無(wú)污染氣體排出，因此是未來(lái)的高效和清潔發(fā)電方式。國(guó)內(nèi)外許多公司都在致力于發(fā)展適合手機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)的PEM燃料電池，一旦投入應(yīng)用，其經(jīng)濟(jì)效益極大。密封鉛酸蓄電池是鉛酸蓄電池的一種。世界新型綠色電池發(fā)展及應(yīng)用市場(chǎng)和前景2001年日本野村株式會(huì)社公布了一份詳細(xì)的調(diào)查報(bào)告，表明由1999年4月至2000年3月，世界原電池和蓄電池市場(chǎng)總額已達(dá)285億美元，其中原電池市場(chǎng)總額為101億美元，鉛酸蓄電池市場(chǎng)總額為118億美元，而小型蓄電池市場(chǎng)總額也達(dá)65億美元。同時(shí)明確指出，在小型電池市場(chǎng)中，新型金屬氫化物鎳電池、鋰離子電池和聚合物鋰離子電池自90年代以來(lái)的10年中，增長(zhǎng)額達(dá)到了3倍，而且小型電池中鋰離子電池和聚合物鋰離子電池市場(chǎng)需求將成繼續(xù)上升熱頭，這也正是與它們?cè)谑謾C(jī)中的應(yīng)用比例繼續(xù)增加相關(guān)聯(lián)的。新型金屬氫化物鎳蓄電池是1988年剛進(jìn)入實(shí)用階段的，1990年在日本即投入了大規(guī)模生產(chǎn)。1998-1999年，三洋、松下和東芝形成了三足鼎立的局面，它們分別占有市場(chǎng)份額40，30和20，而生產(chǎn)能力都已達(dá)到1500萬(wàn)只/月。最近報(bào)道，三洋購(gòu)置了東芝的生產(chǎn)工廠，從而使其生產(chǎn)能力大大增加，成為世界第一位。此外，日本日立，湯淺和新神戶等也已逐步形成規(guī)模生產(chǎn)能力。當(dāng)前，大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品已包括圓柱形AAA系列（AAA和LAAA）；AA系列（AA和4/5AA），A系列（4/3A和4/5A）和方形電池系列（F5和F6等），其中AAA系列、AA系列和方形電池系列產(chǎn)品主要用于手機(jī)等，而A系列產(chǎn)品主要用于筆記本計(jì)算機(jī)等。實(shí)際上，目前日本各廠生產(chǎn)的金屬氫化物鎳蓄電池的性能仍在不斷提高，AA電池容量已達(dá)1500mAh，其中三洋公司的AA電池的標(biāo)稱容量已達(dá)1500-1600mAh；最適用于大哥大的AAA電池，容量已從500mAh提高至700-750mAh。而4/3A電池的容量為4000mAh-5000mAh，這種電池的體積比能量達(dá)300Wh/L以上，一度曾超過(guò)鋰離子蓄電池的水平。當(dāng)今日本是鋰離子蓄電不也的最大生產(chǎn)國(guó)，自1990年鋰離子電池由日本SONY公司研制成功后，日本幾家大電池公司都相繼走向產(chǎn)業(yè)化。1999年，Sony公司的月產(chǎn)能力已達(dá)1000萬(wàn)只，三洋和東芝的合資公司（AT）緊追其后，為500萬(wàn)只/月，松下為400萬(wàn)只/月，其它還有日立、富士、日本Moli等也已有相當(dāng)生產(chǎn)規(guī)模。但到2000年，三洋的生產(chǎn)能力已超過(guò)其他公司，成為世界最大的鋰離子電池生產(chǎn)公司，其市場(chǎng)份額已達(dá)30左右。除去加速擴(kuò)大小型電池生產(chǎn)規(guī)模之外，各國(guó)對(duì)這一新體系的研究工作方興未艾，在小型電池領(lǐng)域主要集中于兩個(gè)方面：（1）繼續(xù)尋找新材料，進(jìn)一步提高電池性能和降低電池成本?，F(xiàn)在在多數(shù)電池產(chǎn)品中作用LiCoO2o也已有小部分產(chǎn)品（日本Moli方形電池）開(kāi)始使用LiNio.8Coo.2O2及LiMn2O4替代，前者可以提高電池的比能量，而后者可以降低電池的成本。負(fù)極材料碳是多種多樣的，最近發(fā)現(xiàn)天然石墨不僅價(jià)格適宜，而且可以達(dá)到很高的比容量和低的容量損失（由原6降至4以下）。另外，對(duì)電解質(zhì)材料和隔膜材料的研究也在繼續(xù)進(jìn)行中。（2）產(chǎn)品性能不斷提高，產(chǎn)品規(guī)格品種不斷增加，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。由于手機(jī)越來(lái)越小，小型方形電池受到青睞，為了降低重量，日本三洋公司的方形電池已采用了鋁外殼，并解決了由此帶來(lái)一系列密封及焊接等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，隨著新材料的應(yīng)用及電池優(yōu)化設(shè)計(jì)，鋰離子電池的比能量已從最初的100Wh/kg升至150Wh/kg以上。其中，日本各公司生產(chǎn)的18650型電池容量皆已達(dá)到1800mAh，而研制的產(chǎn)品則已達(dá)2000mAh，同時(shí)方形電池厚度3.8mm的鋰離子電池已成為大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，其重量和體積比能量分別達(dá)160Wh/kg和360Wh/L，這種電池顯然是針對(duì)聚合物鋰離子電池而研制的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。我國(guó)新型綠色電池發(fā)展及應(yīng)用市場(chǎng)現(xiàn)狀和前景自90年代以來(lái)，我國(guó)正日趨成為世界上最大的電池生產(chǎn)國(guó)和最大的電池消耗國(guó)，據(jù)2000年1月20日，我國(guó)中央電視臺(tái)發(fā)布的消息：1999年底，我國(guó)電池年產(chǎn)量達(dá)140億只，其中國(guó)內(nèi)消耗量60億只，人均達(dá)5只。到2000年底，我國(guó)全年電池產(chǎn)量又增至170億只，國(guó)內(nèi)消耗量增至70億只，人均消耗量達(dá)6.6只。我國(guó)在個(gè)人或家庭消費(fèi)中，用于BP機(jī)、手機(jī)、無(wú)繩電話的電池量正處于迅速增長(zhǎng)之中。以下就與通訊用電池的相關(guān)產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)發(fā)展作一簡(jiǎn)要說(shuō)明和分析。（一）中國(guó)原電池產(chǎn)業(yè)近幾十年，中國(guó)原電池產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)下表：在以上統(tǒng)計(jì)數(shù)字中，堿性鋅錳電池的產(chǎn)量增長(zhǎng)最為迅速，這與尋呼機(jī)用戶及家用電器的不斷增長(zhǎng)相關(guān)聯(lián)。具體年度生產(chǎn)量列如下表中：我國(guó)在1998年以前堿性鋅錳電池自動(dòng)化裝配線基本都是進(jìn)口的、絕大多數(shù)堿性鋅錳電池生產(chǎn)線為國(guó)外進(jìn)口。1998年1月8日，第一條國(guó)產(chǎn)LR6型堿性鋅錳電池生產(chǎn)線在寧波的信達(dá)公司建成。這一生產(chǎn)線在外觀、材料選擇、工藝及電子控制上都進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新。它已達(dá)到90年代進(jìn)口設(shè)備的同期國(guó)際先進(jìn)水平。最近，我們最大的堿性鋅錳電池生產(chǎn)廠南孚公司又自行設(shè)計(jì)并制造了一條LR6系列的自動(dòng)組裝生產(chǎn)線，最高速度可達(dá)400只/分，并通過(guò)初評(píng)獲2001年度國(guó)家高科技進(jìn)步獎(jiǎng)。該公司2000年產(chǎn)量為4.5億只，與1999年相比增加了50。這一生產(chǎn)力已列入世界堿性電池最大制造商的前10位，其產(chǎn)品類型齊全，正投入生產(chǎn)的有LR20，LR14，LR6，LR03，6LR61系列產(chǎn)品。近來(lái)，還有一些新的堿性鋅錳電池生產(chǎn)廠家在國(guó)內(nèi)相繼成立。其中1999年，四川綿陽(yáng)成立長(zhǎng)虹電池公司，該廠從日本東芝（TOSHIBA）公司引進(jìn)了四條LR6堿性鋅錳電池生產(chǎn)線。每條線生產(chǎn)速度為300只/分，并且其產(chǎn)品具有不含汞，高容量的特點(diǎn)。勁量中國(guó)公司經(jīng)過(guò)兩年的建設(shè)，近期在天津經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)建成了堿性鋅錳電池生產(chǎn)線。金霸王在廣東省東莞市建廠生產(chǎn)堿性鋅錳電池。其生產(chǎn)速度為450只/分。為了適應(yīng)環(huán)保的需要，我國(guó)也提出了消除原電池中的汞含量的目標(biāo)，為此制定了相應(yīng)的法規(guī)，并從今年初開(kāi)始執(zhí)行：1.自2001年1月1日起，禁止生產(chǎn)汞含量超過(guò)重量百分比0.025的原電池產(chǎn)品。2.2005年1月1日起，禁止生產(chǎn)汞含量超過(guò)重量百分比0.0001的Zn/MnO2堿性電池。為了配合原電池?zé)o汞化的進(jìn)程，1999年11月，比利時(shí)五礦公司和上海有色金屬集團(tuán)公司在上海合資成立無(wú)汞鋅粉制造廠。該公司可提供無(wú)汞堿性電池用的鋅粉。同時(shí)，還有數(shù)家中國(guó)材料生產(chǎn)廠也已開(kāi)始生產(chǎn)和供應(yīng)無(wú)汞鋅粉。此外，湘潭電化集團(tuán)公司新近建成年產(chǎn)量為6000T電解二氧化錳的無(wú)汞堿性鋅錳電池正極材料，該廠產(chǎn)品質(zhì)量性能可達(dá)國(guó)際同類產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)。從原電池產(chǎn)業(yè)看，我們進(jìn)入WTO后，產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力是比較強(qiáng)的，這可以從目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的價(jià)格比較看出，如下表中所示：（二）我國(guó)金屬氫化物鎳電池和鋰離子電池產(chǎn)業(yè)我國(guó)新型金屬氫化物鎳產(chǎn)業(yè)是在“863”計(jì)劃推動(dòng)下發(fā)展起來(lái)的，目前國(guó)內(nèi)已形成一定規(guī)模生產(chǎn)能力的企業(yè)有：天津和平海灣公司、天津藍(lán)天三洋公司、天津津川公司、廣東省太乙和佳力公司、遼寧省三浦公司、江蘇啟東公司和浙江中大公司等，其中和平海灣金屬氫化物鎳電池年產(chǎn)能力為4000萬(wàn)只，主要生產(chǎn)設(shè)備和技術(shù)是由日本原東芝公司引進(jìn)的，現(xiàn)生產(chǎn)的AAA型電池標(biāo)稱容量為600mAh。近期AAA型電池標(biāo)稱容量將增至700mAh。此外，還生產(chǎn)方形F6電池等產(chǎn)品。這些產(chǎn)品主要都用于手機(jī)。我國(guó)的新型鋰離子電池研制首先是由信息產(chǎn)業(yè)部電子十八所于1992年開(kāi)始的，并于1998年建成了年產(chǎn)30萬(wàn)只圓柱電池生產(chǎn)線。1999年在天津市的支持下建成了力神公司。力神公司擁有我國(guó)第一條鋰離子電池自動(dòng)化生產(chǎn)線。自2000年開(kāi)始經(jīng)過(guò)Motorola公司9個(gè)月的認(rèn)證，于今年6月18號(hào)由Motorola公司向力神公司正式頒發(fā)了產(chǎn)品合格證書(shū)和合格供應(yīng)商證書(shū)。這標(biāo)志著我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。與此同時(shí)力神公司已啟動(dòng)第二期工程，將于今年年底由現(xiàn)有年產(chǎn)150由于手機(jī)越來(lái)越小，小型方形電池受到青睞，為了降低重量，日本三洋公司的方形電池已采用了鋁外殼，并解決了由此帶來(lái)一系列密封及焊接等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。同時(shí)，隨著新材料的應(yīng)用及電池優(yōu)化設(shè)計(jì)，鋰離子電池的比能量已從最初的100Wh/kg升至150Wh/kg以上。其中，日本各公司生產(chǎn)的18650型電池容量皆已達(dá)到1800mAh，而研制的產(chǎn)品則已達(dá)2000mAh，同時(shí)方形電池厚度3.8mm的鋰離子電池已成為大規(guī)模生產(chǎn)的產(chǎn)品，其重量和體積比能量分別達(dá)160Wh/kg和360Wh/L，這種電池顯然是針對(duì)聚合物鋰離子電池而研制的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。我國(guó)新型綠色電池發(fā)展及應(yīng)用市場(chǎng)現(xiàn)狀和前景自90年代以來(lái)，我國(guó)正日趨成為世界上最大的電池生產(chǎn)國(guó)和最大的電池消耗國(guó)，據(jù)2000年1月20日，我國(guó)中央電視臺(tái)發(fā)布的消息：1999年底，我國(guó)電池年產(chǎn)量達(dá)140億只，其中國(guó)內(nèi)消耗量60億只，人均達(dá)5只。到2000年底，我國(guó)全年電池產(chǎn)量又增至170億只，國(guó)內(nèi)消耗量增至70億只，人均消耗量達(dá)6