第二章 動(dòng)力電池與能量存儲(chǔ)

1、第二章 動(dòng)力電池與能量存儲(chǔ)燃料驅(qū)動(dòng)技術(shù) 能力轉(zhuǎn)化效率% 溫室氣體排放g/km WTTTTWWTW WTTTTWWTW汽油點(diǎn)燃式 75 18.914.263.3159222.3柴油壓燃式 7622.817.362.993.1165CNG點(diǎn)燃式 8622.219.133108.7141.7LPG點(diǎn)燃式 7418.91462142204E10點(diǎn)燃式 72.518.913.762.8158221E85點(diǎn)燃式 53.818.91060160220M100點(diǎn)燃式 39.8218.4375.3138.7514DME壓燃式 37.722.88.6376.3123.7500CTL壓燃式 45.622.810.4

2、270135405電 鋰電池 38.17528.61280128氫燃料電池 33.646.115.51400140汽油混合動(dòng)力 7525.919.452134186柴油混合動(dòng)力 7630.42345112157燃料電池混合動(dòng)力 33.657.919.51145119典型燃料與驅(qū)動(dòng)技術(shù)的效率與碳排放汽油機(jī)汽車能源轉(zhuǎn)換效率汽油機(jī)汽車能源轉(zhuǎn)換效率WTT 石油石油油箱油箱85%能量轉(zhuǎn)換為汽油能量轉(zhuǎn)換為汽油15%能量損耗能量損耗汽油機(jī)汽車能量轉(zhuǎn)換效率汽油機(jī)汽車能量轉(zhuǎn)換效率TTW 注入注入油箱油箱的汽的汽油油熱損耗熱損耗65.3%摩擦損耗摩擦損耗 8.5%燃料損耗燃料損耗4.2% 輔助機(jī)件損耗輔助機(jī)件損耗

3、2.5%傳動(dòng)系統(tǒng)損耗傳動(dòng)系統(tǒng)損耗1.6%17.9%能量推動(dòng)汽車車車輪輪 電動(dòng)汽車能源轉(zhuǎn)換效率電動(dòng)汽車能源轉(zhuǎn)換效率WTT 煤、核能等煤、核能等100% 電池電池42%能量轉(zhuǎn)換為電能能量轉(zhuǎn)換為電能58%能量損耗能量損耗電動(dòng)汽車能量轉(zhuǎn)換效率電動(dòng)汽車能量轉(zhuǎn)換效率TTW 充入汽充入汽車的電車的電能能100%充電過(guò)程損耗充電過(guò)程損耗17%電機(jī)損耗電機(jī)損耗 7%機(jī)械傳動(dòng)損耗機(jī)械傳動(dòng)損耗 1% 變流損耗變流損耗 3 %輔助機(jī)件損耗輔助機(jī)件損耗5 %67%能量推動(dòng)汽車能量推動(dòng)汽車車車輪輪汽油機(jī)汽車與電動(dòng)汽車能量利用效率比較汽油機(jī)汽車與電動(dòng)汽車能量利用效率比較WTTTTWWTW汽油機(jī)汽汽油機(jī)汽車車85%(75%)

4、 17.9%(18.9%)15%(14.2%)電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車42% (38.1%)67%(60%)28%(22.9%)注：( )內(nèi)為我國(guó)數(shù)據(jù)2.1 動(dòng)力電池分類和基本要求動(dòng)力電池分類和基本要求 電池是電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，是能量的存貯裝置。要使電動(dòng)汽車能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)出比能量高、比功率大、使用壽命長(zhǎng)、成本低的電池。2.1.1 新能源汽車動(dòng)力電池分類新能源汽車動(dòng)力電池分類按電池的工作性質(zhì)及使用特征分類按電池的工作性質(zhì)及使用特征分類按電池的工作性質(zhì)及使用特征來(lái)分類，一般分為四類：一次電池。又稱“原電池”，即放電后不能用充電的方法使它復(fù)原的電池。如：鋅錳干電池，鋅汞電池，銀鋅電池二次電池

5、。又稱“蓄電池”，即放電后又可用充電的方法使活性物質(zhì)復(fù)原而能再次放電，且可反復(fù)多次循環(huán)使用的一類電池。如：鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋅空氣電池。 貯備電池。又稱“激活電池”，是正、負(fù)極活性物質(zhì)和電解液不直接接觸，使用前臨時(shí)注入電解液或用其他方法使電池激活的一類電池。如；鎂銀電池、鈣熱電池、鉛高氯酸電池。燃料電池。又稱“連續(xù)電池”，即只要活性物質(zhì)連續(xù)地注入電池，就能長(zhǎng)期不斷地進(jìn)行放電的一類電池。如：氫燃料電池、肼空燃料電池 。2.1.1 新能源汽車動(dòng)力電池分類新能源汽車動(dòng)力電池分類按電池反應(yīng)原理分類按電池反應(yīng)原理分類按電池反應(yīng)原理可以分為化學(xué)電池、物理電池和生物電池三大類：化學(xué)電

6、池。利用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，化學(xué)電池按工作性質(zhì)分為原電池、蓄電池、燃料電池和儲(chǔ)備電池。化學(xué)電池按電解質(zhì)分為酸性電池、堿性電池、中性電池、有機(jī)電解質(zhì)電池、非水無(wú)機(jī)電解質(zhì)電池、固體電解質(zhì)電池等。化學(xué)電池按電池的特性分為高容量電池、密封電池、高功率電池、免維護(hù)電池、防爆電池等?；瘜W(xué)電池按正負(fù)極材料分為鋅錳電池系列、鎳福鎳氫系列、鉛酸系列、銼電池系列等。物理電池。物理電池是利用光、熱、物理吸附等物理能量發(fā)電的電池。如太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、飛輪電池等。生物電池。生物電池是利用生物化學(xué)反應(yīng)發(fā)電的電池，如微生物電池、酶電池、生物太陽(yáng)電池等。2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 電壓

7、電壓電壓分電動(dòng)勢(shì)，額定電壓、開(kāi)路電壓、放電電壓和終止電壓等。電動(dòng)勢(shì)。為組成電池的兩個(gè)電極的平衡電位之差。端電壓。電池的端電壓是指電池正極與負(fù)極之間的電位差。開(kāi)路電壓。電池的開(kāi)路電壓是無(wú)負(fù)荷情況下的電池電壓。開(kāi)路電壓不等于電池的電動(dòng)勢(shì)。工作電壓。電池在某負(fù)載下實(shí)際的放電電壓，通常是指一個(gè)電壓范圍。例如，鉛酸蓄電池的工作電壓在2V1.8V；鎳氫電池的工作電壓在1.5V1.1V；鋰離子電池的工作電壓在3.6V2.75V。額定電壓。系指該電化學(xué)體系的電池工作時(shí)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)電壓。終止電壓，指放電終止時(shí)的電壓值，視負(fù)載和使用要求不同而異。充電電壓。指外電路直流電壓對(duì)電池充電的電壓。一般的充電電壓要大于電池的

8、開(kāi)路電壓，通常在一定的范圍內(nèi)。電壓效率。指電池的工作電壓與電池電動(dòng)勢(shì)的比值。電池放電，由于存在電化學(xué)極化、濃差極化和歐姆壓降，使電池的工作電壓小于電動(dòng)勢(shì)。改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)(包括真實(shí)表面積、孔率、孔徑分布、活性物質(zhì)粒子的大小等)和加入添加劑(包括導(dǎo)電物質(zhì)、膨脹劑、催化劑、疏水劑、摻雜等)是提高電池電壓效率的兩個(gè)重要途徑。2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 內(nèi)阻內(nèi)阻電池在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個(gè)電壓源，其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻，內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率。蓄電池的內(nèi)阻包括：正負(fù)極板的電阻，電解液的電阻，隔板的電阻和連接體的電阻等。 正負(fù)極板電阻，目前普遍使用的鉛酸

9、蓄電池正、負(fù)極板為涂膏式，由鉛銻合金或鉛鈣合金板柵架和活性物質(zhì)兩部分構(gòu)成。因此，極板電阻也由板柵電阻和活性物質(zhì)電阻組成。板柵在活性物質(zhì)內(nèi)層，充放電時(shí)，不會(huì)發(fā)生化學(xué)變化，所以它的電阻是板柵的固有電阻。活性物質(zhì)的電阻是隨著電池充放電狀態(tài)的不同而變化的。 當(dāng)電池放電時(shí)，極板的活性物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徙U，硫酸鉛含量越大，其電阻越大。而電池充電時(shí)將硫酸鉛還原為鉛，硫酸鉛含量越小，其電阻越小。電解液電阻，電解液的電阻視其濃度不同而異。在規(guī)定的濃度范圍內(nèi)一旦選定某一濃度后，電解液電阻將隨充放電程度而變。電池充電時(shí)，在極板活性物質(zhì)還原的同時(shí)電解液濃度增加，其電阻下降；電池放電時(shí)，在極板活性物質(zhì)硫酸化的同時(shí)電解液濃度

10、下降，其電阻增加。 隔板電阻，隔板的電阻視其孔率而異，新電池的隔板電阻是趨于一個(gè)固定值，但隨電池運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，其電阻有所增加。因?yàn)?，電池在運(yùn)行過(guò)程中有些鉛渣和其他沉積物在隔板上，使得隔板孔率有所下降而增加了電阻。 連接體電阻，連接體包括單體電池串聯(lián)時(shí)連接條等金屬的固有電阻，電池極板間的連接電阻，以及正、負(fù)極板組成極群的連接體的金屬電阻，若焊接和連接接觸良好，連接體電阻可視為一固定電阻。2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 容量和比容量容量和比容量容量。指電池在充足電以后，在一定的放電條件下所能釋放出的電量，以符號(hào)C表示,其單位為安時(shí)(Ah)或毫安時(shí)(mAh),容量與放

11、電電流大小有關(guān)，與充放電截止電壓也有關(guān)系。電池的容量可分為理論容量、額定容量、實(shí)際容量和標(biāo)稱容量： 理論容量，假設(shè)電極活性物質(zhì)全部參加電池的電化學(xué)反應(yīng)所能提供的電量，是根據(jù)法拉第定律計(jì)算得到的最高理論值額定容量，額定容量也稱保證容量，是指設(shè)計(jì)和制造電池時(shí)，按照國(guó)家或相關(guān)部門頒布的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件下能夠放出的最低限度的電量。實(shí)際容量，實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下實(shí)際放出的電量。它等于放電電流與放電時(shí)間的乘積，對(duì)于實(shí)用中的化學(xué)電源，其實(shí)際容量總是低于理論容量而通常比額定容量大10%20%。標(biāo)稱容量，標(biāo)稱容量(或公稱容量)是用來(lái)鑒別電池適當(dāng)?shù)慕浦怠１热萘?。為了比較不同系列的電池

12、，常用比容量的概念。比容量是指單位質(zhì)量或單位體積的電池所能給出的電量，相應(yīng)地稱之為質(zhì)量比容量或體積比容量2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 能量能量電池的能量是指在一定放電制度下電池所能輸出的電能，通常用瓦時(shí)(Wh)表示。電池的能量反映了電池做功能力的大小，也是電池放電過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換的量度。他影響電動(dòng)汽車的行駛距離理論能量，假?zèng)]電池在放電過(guò)程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓保持電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值，而且、活性物質(zhì)的利用率為100，即放電容量等于理論容量，則在此條件下電池所輸出的能量為理論能量，也就是可逆電池在恒溫、恒壓下所做的最大功。實(shí)際能量，實(shí)際能量是電池放電時(shí)實(shí)際輸出的能量

13、。它在數(shù)值上等于電池實(shí)際容量與電池平均工作電壓的乘積。比能量，比能量分為質(zhì)量比能量和體積比能量。質(zhì)量比能量是指單位質(zhì)量電池所能輸出的能量，單位常用Wh/Kg。體積比能量是指單位體積電池所能輸出的能量，也稱能量密度，單位常用Wh/L。常用比能量來(lái)比較不同的電池系列.比能量也分為理論比能量和實(shí)際比能量。2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 效率效率 動(dòng)力電池作為能量存儲(chǔ)器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)把電能釋放出來(lái)。在這個(gè)可逆的電化學(xué)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，有一定的能量損耗。通常用電池的容量效率和能量效率來(lái)表示。 容量效率,容量效率是指電池放電時(shí)輸出的容量與充電時(shí)輸入的容量

14、之比。 影響電池容量效率的主要因素是副反應(yīng)。當(dāng)電池充電時(shí)，有一部分電量消耗在水的分解上。此外，自放電、電極活性物質(zhì)的脫落、結(jié)塊、孔率收縮等也降低容量輸出。 能量效率，能量效率也稱電能效率，是指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比，影響能量效率的原因是電池存在內(nèi)阻，它使電池充電電壓增加，放電電壓下降。內(nèi)阻的能量損耗以電池發(fā)熱的形式損耗掉。2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 功率與比功率功率與比功率電池的功率是指電池在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)輸出的能量，單位為瓦(w)或千瓦(kw)。單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率稱為比功率，單位為W/kg或W/L。 放電電流和放

15、電深度放電電流和放電深度在談到電池容量或能量時(shí)，必須指出放電電流大小或放電條件，通常用放電率表示。放電率,指放電時(shí)的速率，常用“時(shí)率”和“倍率”表示。時(shí)率是指以放電時(shí)間(h)表示的放電速率，即以一定的放電電流放完額定容量所需的時(shí)間。倍率，指電池在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出額定容量所輸出的電流值，數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。例如2“倍率”放電，表示放電電流數(shù)值為額定容量的2倍，若電池容量為3Ah，那么放電電流應(yīng)為23=6A，也就是2“倍率”放電。放電深度,表示放電程度的一種量度，為放電容量與總放電容量的百分比，簡(jiǎn)稱DOD(depth of discharge)。荷電荷電電池還有多少電量，又稱剩余電量，常取其與

16、額定容量或?qū)嶋H容量的比值，稱荷電程度。2.1.2 電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo)電池的基本術(shù)語(yǔ)和性能指標(biāo) 貯存性能和自放電貯存性能和自放電對(duì)于所有化學(xué)電源，即使在與外電路沒(méi)有接觸的條件下開(kāi)路放置，容量也會(huì)自然衰減，這種現(xiàn)象稱為自放電，也稱荷電保持能力。電池自放電的大小，用自放電率來(lái)衡量，一般用單位時(shí)間內(nèi)容量減少的百分比表示：自放電率=(貯存前電池容量-貯存后電池容量)/ 貯存前電池容量100%。電池的自放電主要是由電極材料、制造工藝、儲(chǔ)存條件等多方面因素決定的。一般來(lái)說(shuō)，低溫和低濕的環(huán)境條件下，電池的自放電率低，有利于電池的儲(chǔ)存。壽命壽命電池的壽命分貯存壽命和使用壽命貯存壽命有“干貯存壽命”和“濕貯

17、存壽命”兩個(gè)概念。對(duì)于在使用時(shí)才加入電解液的電池貯存壽命，習(xí)慣上也稱為干貯存壽命。干貯存壽命可以很長(zhǎng)。對(duì)于出廠前已加入電解液的電池貯存壽命，習(xí)慣上稱為濕貯存壽命(或濕荷電壽命)。濕貯存時(shí)自放電嚴(yán)重，壽命較短。使用壽命是指電池實(shí)際使用的時(shí)間長(zhǎng)短。對(duì)一次電池而言，電池的壽命是表征給出額定容量的工作時(shí)間(與放電倍率大小有關(guān))。對(duì)充放電循環(huán)壽命，是衡量二次電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。在一定的充放電制度下，電池容量降至某一規(guī)定值之前，電池能耐受的充放電次數(shù)，稱為二次電池的充放電循環(huán)壽命。充放電循環(huán)壽命越長(zhǎng)，電池的性能越好。在目前常用的二次電池中，鎘鎳電池的充放電循環(huán)壽命500800次，鉛酸電池200500次

18、，鋰離子電池6001000次，鋅銀電池很短，約100次左右。2.1.3 新能源汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的新能源汽車對(duì)動(dòng)力蓄電池的基本要求基本要求新能源汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求主要有：比能量高，為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，要求電動(dòng)汽車上的動(dòng)力電池盡可能儲(chǔ)存多能量，但電動(dòng)汽車不能太重，其安裝電池的空間有限，要求電池具有高的比能量。 比功率大，為了能使電動(dòng)汽車在加速行駛、爬坡能力和負(fù)載行駛等方面能與燃油汽車相競(jìng)爭(zhēng)，要求電池具有高的比功率。充電技術(shù)成熟、時(shí)間短，充電技術(shù)要有通用性，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線充電。連續(xù)放電率高、自放電率低，電池能夠適應(yīng)快速放電的要求。適應(yīng)車輛運(yùn)行環(huán)境，電池能夠在常溫條件下正常穩(wěn)定地工作，不受環(huán)境

19、溫度影響，不需要特殊加熱、保溫系統(tǒng)，能夠適應(yīng)電動(dòng)汽車行駛時(shí)的振動(dòng)。安全可靠。電池應(yīng)干燥、潔凈，電解質(zhì)不會(huì)滲漏腐蝕接線柱、外殼。應(yīng)不會(huì)引起自燃或燃燒，在發(fā)生碰撞等事故時(shí)，不會(huì)對(duì)乘員造成傷害。廢電池能夠回收處理和再生利用，電池中有害重金屬能夠集中回收處理。長(zhǎng)壽命、免維護(hù)。電池的循環(huán)壽命不低于1000次，在使用壽命限定期間內(nèi)，不需要進(jìn)行維護(hù)和修理。 性能并聯(lián)式（最小值）串聯(lián)式（最小值）脈沖放電功率（18s）/Kw2565充電脈沖功率（10s）/Kw3070總能量/kWh0.33.0最低效率(%)9095使用年限1010最大質(zhì)量/kg4065(+10kg/kWh,超過(guò)3Kwh)操作電壓范圍/v3004

20、00300400操作溫度范圍/-4052-4052最大允許自放電（kWh/d）5050表表2-1美國(guó)能源部美國(guó)能源部(DOE)/新生代汽車聯(lián)合體新生代汽車聯(lián)合體(PNGV)對(duì)混合動(dòng)力車用蓄電池的性能要求對(duì)混合動(dòng)力車用蓄電池的性能要求 2.2 電化學(xué)蓄電池組電化學(xué)蓄電池組 日前常用的車用動(dòng)力蓄電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池和鋰電池等。 鉛酸電池廣泛用做內(nèi)燃機(jī)汽車的低壓供電電源，是一種成熟的汽車電池，但存在以下主要的缺點(diǎn)： 比能量低(28-45Wh/kg) 質(zhì)量和體積太大，充電續(xù)駛里程較短 使用壽命較短 重金屬鉛和硫酸對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán)重。 因此，鉛酸電池在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用受到了很大的制約。主要用于

21、低速電動(dòng)汽車。2.2 電化學(xué)蓄電池組電化學(xué)蓄電池組 鎳氫電池的出現(xiàn)是電池技術(shù)上的一次重大突破。鎳氫電池有以下顯著優(yōu)點(diǎn)： 能量密度相對(duì)較高(60-70 Wh/kg) 無(wú)鎘污染，被稱為綠色電池 可以大電流快速充放電 電池的工作電壓為1.2 V，與鎳鎘電池有互換性。2.2 電化學(xué)蓄電池組電化學(xué)蓄電池組鋰動(dòng)力電池已經(jīng)成為新能源汽車研究中的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，鋰電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)喂?jié)工作中壓高達(dá)3.6-4.2V，相當(dāng)于3節(jié)鎳氫電池串聯(lián)能量密度高，日前質(zhì)量比能量可達(dá)到150W h/kg，是鎳氫電池的兩倍左右能量效率高，鋰離子電池能量效率可達(dá)99%以上自放電率小，一般自放電率小于6%循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可以循環(huán)充放電

22、500次以上無(wú)記憶效應(yīng)可以進(jìn)行大電流充放電不含重金屬以及有毒物質(zhì)，不污染環(huán)境，是理想的綠色儲(chǔ)能電源。2.2.1 鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的應(yīng)用歷史最長(zhǎng)，也是最成熟、成本售價(jià)最低廉的蓄電池，已實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。 鉛蓄電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、內(nèi)阻小、可以短時(shí)間供給起動(dòng)機(jī)強(qiáng)大的起動(dòng)電流而被廣泛采用。2.2.2 鎳氫電池鎳氫電池 作為綠色高能二次電池之一的鎳金屬氫化物(nickelmetal hydride)二次電池，一 般簡(jiǎn)稱為鎳氫(NiMH)電池，是一種高能綠色環(huán)保電池，該電池以儲(chǔ)氫合金材料替代金屬鎘，消除了對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)具有高能量密度、大功率、高倍率放電、快速充電能力、無(wú)明顯記憶效應(yīng)等

23、特點(diǎn)，是近二十年來(lái)二次電池重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。2.2.3 動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池 鋰電池的全稱應(yīng)該叫鋰離子電池（簡(jiǎn)稱LIB），在20世紀(jì)90年代初索尼公司將鋰電池產(chǎn)業(yè)化。它以碳為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極；在充放電過(guò)程中，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池名稱的由來(lái)。 2.2.3 動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池鋰電池的分類鋰電池的分類鋰電池分成兩大類：不可充電的和可充電的兩類。不可充電的電池稱為一次性電池，它只能將化學(xué)能一次性地轉(zhuǎn)化為電能，不能將電能還原回化學(xué)能。如鋰-二氧化錳一次電池、鋰亞硫酰氯一次電池。而可充電的電池稱為二次性電池(也稱為蓄電池)。它能將電能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能儲(chǔ)存起

24、來(lái)，在使用時(shí)，再將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能，它是可逆的，如市面上常見(jiàn)的鋰離子手機(jī)電池。按外型分：有方型和柱形；按外包材料分：鋁殼鋰電池，鋼殼鋰電池，軟包電池；按正負(fù)極材料（添加劑）分：鈷酸鋰(LiCoO2)電池或錳酸鋰（LiMn2O4），磷酸鐵鋰電池，一次性二氧化錳鋰電池；按電解質(zhì)材料分類：分為聚合物鋰離子電池和液態(tài)鋰離子電池，液態(tài)鋰離子電池的電解質(zhì)是液態(tài)的，聚合物電池的電解質(zhì)是膠體型、或者固態(tài)聚合物。聚合物鋰電池的反應(yīng)原理和液態(tài)鋰離子電池一樣，一般以軟包的形式，形狀可塑性強(qiáng)。從安全角度來(lái)講，聚合物鋰電池比鋰離子電池更安全。2.2.3 動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池鋰離子蓄電池的構(gòu)造與工作原理鋰離子蓄電

25、池的構(gòu)造與工作原理鋰離子電池通常有圓柱型和長(zhǎng)方型兩種外型。由正極、負(fù)極、電解液和隔膜等組成。 正極：正極是含鋰的過(guò)渡金屬氧化物組成的鋰離子收集極及由鋁薄膜組成的電流收集極。常用的金屬氧化物有鈷酸鋰、錳酸鋰、三元材料和磷酸鐵鋰。負(fù)極：負(fù)極由片狀碳材料組成的鋰離子收集極和銅薄膜組成的電流收集極組成，常用的片狀碳材料有石墨、石墨化碳材料、改性石墨、石墨化中間相碳微粒電解液：一種有機(jī)電解液，大部分是由六氟磷酸鋰（LiFL6）加上有機(jī)溶劑配成。（六氟磷酸鋰由五氯化磷和溶解在無(wú)水氟化氫中的氟化鋰反應(yīng)結(jié)晶而成） 隔膜：一種特殊的復(fù)合膜，它的功能是隔離正負(fù)極，阻止電子穿過(guò)，同時(shí)能夠允許鋰離子通過(guò)，從而完成在電

26、化學(xué)充放電過(guò)程中鋰離子在正負(fù)極之間的快速傳輸。目前主要是聚乙烯（PE）或者聚丙烯（PP）微孔膜。2.2.3 動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池鋰離子電池的保護(hù)鋰離子電池的保護(hù)鋰離子電池供電設(shè)備的安全性是人們目前最為關(guān)注的問(wèn)題，所以對(duì)其的保護(hù)就非常重要。鋰離子電池的保護(hù)主要包括過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)、過(guò)電流及短路保護(hù)等。過(guò)充電保護(hù)，當(dāng)充電器對(duì)鋰離子電池過(guò)充電時(shí)，為防止因溫度上升所導(dǎo)致的內(nèi)壓上升，需終止充電狀態(tài)。為此，保護(hù)器件需監(jiān)測(cè)電池電壓，當(dāng)其到達(dá)電池過(guò)充電壓時(shí)，即激活過(guò)充電保護(hù)功能，中止充電。過(guò)放電保護(hù)，為了防止鋰離子電池的過(guò)放電狀態(tài)，當(dāng)鋰離子電池電壓低于其過(guò)放電電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，即激活過(guò)放電保護(hù)，中止

27、放電，并將電池保持在低靜態(tài)電流的待機(jī)模式。過(guò)電流及短路保護(hù)，當(dāng)鋰離子電池的放電電流過(guò)大或短路情況產(chǎn)生時(shí)，保護(hù)器件將激活過(guò)電流保護(hù)功能。充放電時(shí)的溫度控制，對(duì)充放電過(guò)程的溫度控制也是許多設(shè)計(jì)者需要考慮的。在高溫的時(shí)候?qū)︿囯x子電池充放電，會(huì)有爆炸的危險(xiǎn)；在低溫的時(shí)候充放電，會(huì)對(duì)電芯造成損害。2.2.3 動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池磷酸鐵鋰電池磷酸鐵鋰電池 磷酸鐵鋰（LiFePO4，簡(jiǎn)稱LFP，也叫鋰鐵磷）電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池，其工作原理和普通鋰離子電池是一樣的。除具有普通鋰電池的共性特點(diǎn)外，還有一些特點(diǎn)：LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是3.2 V（穩(wěn)定的放電平臺(tái)）、終止充電電壓

28、是3.6V、終止放電壓是2.0V；比容量大，高效率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為25C、連續(xù)高電流放電可達(dá)10C，瞬間脈沖放電（10S）可達(dá)20C； 工作溫度范圍寬廣（-20 75 ），高溫時(shí)性能良好：外部溫度65時(shí)內(nèi)部溫度則高達(dá)95，電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)安全、完好； 極好的循環(huán)壽命，經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%；過(guò)放電到零伏也無(wú)損壞，零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏，性能良 好，容量為100%；可快速充電，自放電少，無(wú)記憶效應(yīng)； 磷酸鐵鋰電池低溫性能差。這樣的低溫性能不能滿足動(dòng)力電源的使用要求。但當(dāng)前低溫性能有所提升。2.3 超級(jí)電容超級(jí)電容 超級(jí)電容器：又叫雙電層電容器(Ele

29、ctrical Doule-Layer Capacitor)、電化學(xué)電容器 (Electrochemcial Capacitor, EC), 黃金電容、法拉電容等。 超級(jí)電容器儲(chǔ)能機(jī)理在1879年由Helmholz發(fā)現(xiàn)，1947年，Grahame 等人首先開(kāi)始了汞的電毛細(xì)管現(xiàn)象方面的研究。1957 年，Becker 首先提出了可以將較小的電容器用做儲(chǔ)能器件，該種器件具有接近于電池的能量密度。隨后，標(biāo)準(zhǔn)石油公司(SOHIO)在燃料電池的研究開(kāi)發(fā)中認(rèn)識(shí)到了石墨電極表面雙電層電容的巨大利用價(jià)值，1962 年該公司生產(chǎn)了一種工作電壓為6V 的，以碳材料作為電極的電容器，大小和汽車蓄電池的大小差不多。該

30、電容器可以驅(qū)動(dòng)小舟在湖面上行駛十分鐘左右。2.3.1 超級(jí)電容器的分類超級(jí)電容器的分類按電化學(xué)電容器儲(chǔ)存電能的機(jī)理分類按電化學(xué)電容器儲(chǔ)存電能的機(jī)理分類根據(jù)電化學(xué)電容器儲(chǔ)存電能的機(jī)理的不同, 可以將它分為雙電層電容器( Electric double layer capacitor,EDLC) 和贗電容超級(jí)電容器( Pesudocapacitor) 。碳基材料超級(jí)電容器能量?jī)?chǔ)存的機(jī)理主要是靠碳表面附近形成的雙電層, 因此通常稱為雙電層電容，包括2類：平板型超級(jí)電容器，在扣式體系中多采用平板狀和圓片狀的電極，另外也有Econd 公司產(chǎn)品為典型代表的多層疊片串聯(lián)組合而成的高壓超級(jí)電容器，可以達(dá)到30

31、0V 以上的工作電壓。繞卷型溶劑電容器，采用電極材料涂覆在集流體上，經(jīng)過(guò)繞制得到，這類電容器通常具有更大的電容量和更高的功率密度。2.3.1 超級(jí)電容器的分類超級(jí)電容器的分類按電解質(zhì)分類按電解質(zhì)分類按電解質(zhì)可以分為水性電解質(zhì)和有機(jī)電解質(zhì)類型。水性電解質(zhì)。包括以下幾類：酸性電解質(zhì)，多采用36的H2SO4 水溶液作為電解質(zhì)。堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH 等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)，水作為溶劑。中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl 等鹽作為電解質(zhì)，水作為溶劑，多用于氧化錳電極材料的電解液。有機(jī)電解質(zhì)。通常采用LiClO4 為典型代表的鋰鹽、TEABF4 作為典型代表的季胺鹽等作為電解質(zhì)，有機(jī)溶劑如PC

32、、ACN、GBL、THL 等有機(jī)溶劑作為溶劑，電解質(zhì)在溶劑中接近飽和溶解度。2.3.2 超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)與工作原理超級(jí)電容器結(jié)構(gòu)與工作原理超級(jí)電容器是一種與電池和傳統(tǒng)物理電容器都不同的新型儲(chǔ)能器件。由于它本質(zhì)上的原理還是電容原理，因此要使超級(jí)電容器的電容達(dá)到法拉級(jí)，甚至上萬(wàn)法拉，就必須使得極板的有效表面積盡可能的大，極板之間的距離盡可能的小。超級(jí)電容器性能的最核心影響因素是電極材料，常用的電極材料有如下幾種：活性碳電極材料，采用了高比表面積的活性炭材料經(jīng)過(guò)成型制備電極。碳纖維電極材料，采用活性炭纖維成形材料。碳?xì)饽z電極材料，采用前驅(qū)材料制備凝膠，經(jīng)過(guò)炭化活化得到電極材料碳納米管電極材料，碳納米

33、管具有極好的中孔性能和導(dǎo)電性，采用高比表面積的碳納米管材料，可以制得非常優(yōu)良的超級(jí)電容器電極碳電極材料的表面積很大，電容的大小取決于表面積和電極的距離，這種碳電極的大表面積再加上很小的電極距離，使超級(jí)電容器的容值可以非常大，大多數(shù)超級(jí)電容器可以做到法拉級(jí)，一般容值范圍為15000F。超級(jí)電容器原理超級(jí)電容器原理 雙電層電容器。 超級(jí)電容器是一種電容量可達(dá)數(shù)千法拉的電容量極大的電容,根據(jù)電容器的原理，電容量取決于電極間距離和電極表面積，為了得到如此大的電容量，超級(jí)電容器盡可能地縮小電極間距離、增加電極表面積。為此采用了雙電層原理和活性炭多孔化電極，其原理是依靠固液界面的雙電層達(dá)到存儲(chǔ)電荷的目的

34、超級(jí)電容器原理超級(jí)電容器原理 贗電容超級(jí)電容器。 贗電容是在電極表面或者體相的二維或準(zhǔn)二維空間上, 電活性物資進(jìn)行欠電位沉積, 發(fā)生高度可逆的化學(xué)吸附/ 脫附或氧化/ 還原反應(yīng), 產(chǎn)生與電極充電電位有關(guān)的電容。由于贗電容不僅發(fā)生在表面,而且可以深入內(nèi)部, 因而可獲得比雙電層電容更高的電容量和能量密度。目前贗電容電極材料主要為一些金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物。 貴金屬氧化物電容器,是通過(guò)在氧化物電極表面以及體相中發(fā)生快速氧化還原反應(yīng)而達(dá)到儲(chǔ)存電荷的目的，因此，其電容也被稱為贗電容或法拉第準(zhǔn)電容。 在法拉第電荷傳遞過(guò)程中，一些金屬（Pb、Bi、Cu）在Pt 或Au上發(fā)生單層欠電勢(shì)沉積或多孔過(guò)渡族金屬氧化

35、物（如RuO2、IrO2）發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，其放電和充電過(guò)程有如下現(xiàn)象： 兩電極電位與電極上施加或釋放的電荷幾乎呈線性關(guān)系；2.3.4 超級(jí)電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)超級(jí)電容器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)超級(jí)電容器具有如下等特點(diǎn)。電容量大，超級(jí)電容器采用活性炭粉與活性炭纖維作為可極化電極與電解液接觸的面積大大增加，根據(jù)電容量的計(jì)算公式，那么兩極板的表面積越大，則電容量越大。目前單體超級(jí)電容器的最大電容量可達(dá)5000F。妥善解決了貯存設(shè)備高比功率和高比能量輸出之間的矛盾，高功率密度，超級(jí)電容器的內(nèi)阻很小，并且在電極/溶液界面和電極材料本體內(nèi)均能夠?qū)崿F(xiàn)電荷的快速貯存和釋放，因而它的輸出功率密度高達(dá)數(shù)kW/kg，是任何一

36、個(gè)化學(xué)電源所無(wú)法比擬的，是一般蓄電池的數(shù)十倍充電時(shí)間短，充放電循環(huán)壽命很長(zhǎng)。超級(jí)電容器最短可在幾十秒內(nèi)充電完畢，最長(zhǎng)充電不過(guò)十幾分鐘，遠(yuǎn)快于蓄電池的充電時(shí)間。其循環(huán)壽命可達(dá)數(shù)萬(wàn)次以上，可達(dá)500000 次，或90000 小時(shí)?？梢蕴峁┖芨叩姆烹婋娏鳎?700F 的超級(jí)電容器額定放電電流不低于950A，放電峰值電流可達(dá)1680A，。可以在很寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。可以任意并聯(lián)使用以增加電容量，如采取均壓后，還可以串聯(lián)使用。貯存壽命長(zhǎng)。高可靠性。超級(jí)電容器工作過(guò)程中沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，維護(hù)工作少。 2.4 超高速飛輪超高速飛輪將能量存儲(chǔ)于旋轉(zhuǎn)的飛輪，即以機(jī)械能的形式存儲(chǔ)能量是一種很古老的儲(chǔ)能思想，它作為一種簡(jiǎn)單的機(jī)械儲(chǔ)能元件，已