第六章光伏儲能及其充放電模式2013

1、第第6 6章章 光伏儲能及其充放電模式光伏儲能及其充放電模式n6.1 蓄電池的基本概念與特性蓄電池的基本概念與特性n6.2 蓄電池種類和工作原理蓄電池種類和工作原理n6.3 鉛酸電池放電特性鉛酸電池放電特性n6.4 蓄電池的充電控制方法蓄電池的充電控制方法6.1 蓄電池的基本概念與特性蓄電池的基本概念與特性n儲能部分主要由蓄電池、充放電器及其儲能部分主要由蓄電池、充放電器及其控制器控制器n蓄電池是一種將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b蓄電池是一種將化學能轉變?yōu)殡娔艿难b置，屬于可逆的直流電源。置，屬于可逆的直流電源。n應用最廣泛的汽車蓄電池是鉛酸蓄電池。應用最廣泛的汽車蓄電池是鉛酸蓄電池。n蓄電池最主要的作

2、用是：發(fā)動機工作時蓄電池最主要的作用是：發(fā)動機工作時向起動機和點火裝置供電。向起動機和點火裝置供電。n汽油機起動電流為汽油機起動電流為200200600A600A有的柴油機有的柴油機起動電流達起動電流達1000A1000A。6.1 蓄電池的基本概念與特性蓄電池的基本概念與特性6.1.3 蓄電池基本特性蓄電池基本特性n1.蓄電池的自放電蓄電池的自放電n2. 使用壽命使用壽命n3.蓄電池的運行方式蓄電池的運行方式n4.蓄電池的充電蓄電池的充電1.蓄電池的自放電蓄電池的自放電n輕微的自放電是不可避免的，這是因為制造蓄電池輕微的自放電是不可避免的，這是因為制造蓄電池的材料和硫的材料和硫 酸不可能絕對純

3、凈，加之正極板上的二酸不可能絕對純凈，加之正極板上的二氧化鉛與柵架中的鉛、錦，以及氧化鉛與柵架中的鉛、錦，以及 負極板上的鉛與柵負極板上的鉛與柵架上的錦都是不同金屬，它們之間存在電位差，形架上的錦都是不同金屬，它們之間存在電位差，形成成 局部電流。不過因以上原因每晝夜的自放電量僅局部電流。不過因以上原因每晝夜的自放電量僅為蓄電池額定容量的為蓄電池額定容量的 0.5%-1%，這對于在汽車上，這對于在汽車上能夠經(jīng)常得到充電的蓄電池來說，影響并不很大。能夠經(jīng)常得到充電的蓄電池來說，影響并不很大。但是，若使用和保養(yǎng)不當，自放電的速度就會加快，但是，若使用和保養(yǎng)不當，自放電的速度就會加快，甚至在充甚至在

4、充 足電后，僅僅幾天或幾小時內(nèi)足電后，僅僅幾天或幾小時內(nèi)完全放光完全放光。這種故障叫嚴重的自放電。這種故障叫嚴重的自放電。 充足了電的蓄電池，在不使用的情況下，逐漸失去電量的現(xiàn)象叫自充足了電的蓄電池，在不使用的情況下，逐漸失去電量的現(xiàn)象叫自放電。放電。自放電舉例自放電舉例n（1）由于）由于負極活性物質(zhì)負極活性物質(zhì)多為活潑的金屬粉多為活潑的金屬粉末電極，末電極，其電勢其電勢通常比電解液中的通常比電解液中的氫電勢氫電勢更更負負（低）（低），可發(fā)生轉換氫氣的化學反應。因，可發(fā)生轉換氫氣的化學反應。因此，自放電通常發(fā)生在蓄電池的負極。例如：此，自放電通常發(fā)生在蓄電池的負極。例如：負極內(nèi)部存在電勢比氫低

5、的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)負極內(nèi)部存在電勢比氫低的雜質(zhì)，這些雜質(zhì)就會和負極材料組成腐蝕性微電池，結果負就會和負極材料組成腐蝕性微電池，結果負極上的金屬自溶解，并伴有氫氣產(chǎn)生。極上的金屬自溶解，并伴有氫氣產(chǎn)生。2.使用壽命使用壽命n許多設計和用料精良的免維護鉛酸蓄電池許多設計和用料精良的免維護鉛酸蓄電池浮充使用的理論壽命為浮充使用的理論壽命為1520年以上，但年以上，但真正能在使用中達到如此壽命的電池恐怕真正能在使用中達到如此壽命的電池恐怕是少之又少。拿汽車與摩托車廣泛使用的是少之又少。拿汽車與摩托車廣泛使用的干荷電少維護起動用鉛酸蓄電池來說，設干荷電少維護起動用鉛酸蓄電池來說，設計使用壽命為計使用壽命為

6、45年以上，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，年以上，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很少能達到以上水平，大部份幾個月至一很少能達到以上水平，大部份幾個月至一年就夭折了。年就夭折了。蓄電池壽命結束的主要原因：蓄電池壽命結束的主要原因：n1. 容量逐漸下降容量逐漸下降.引起容量衰退的主要因引起容量衰退的主要因素有：蓄電池內(nèi)部的活性物質(zhì)晶型改變，素有：蓄電池內(nèi)部的活性物質(zhì)晶型改變，活性物質(zhì)膨脹和脫落，蓄電池骨架或者活性物質(zhì)膨脹和脫落，蓄電池骨架或者基板的腐蝕等；基板的腐蝕等；n2. 內(nèi)部短路，比如隔膜物質(zhì)的降解老化內(nèi)部短路，比如隔膜物質(zhì)的降解老化而穿孔，活性物質(zhì)的脫落和膨脹使得兩而穿孔，活性物質(zhì)的脫落和膨脹使得兩極短接，充電過程生成枝

7、晶穿透隔膜等極短接，充電過程生成枝晶穿透隔膜等也可以引起短路。也可以引起短路。問題1：電池硫化及其防止方法電池硫化及其防止方法n（摘自朱松然老師的鉛蓄電池技術，朱松然老師是天津大學電化學專業(yè)的老教授。其編著有鉛蓄電池技術和蓄電池手冊）n答：正常的鉛蓄電池在答：正常的鉛蓄電池在放電時放電時形成形成硫酸鉛結晶硫酸鉛結晶，充電，充電時比較容易地還原為時比較容易地還原為鉛鉛。如果電池使用和維護不善，。如果電池使用和維護不善，例如經(jīng)常充電不足或過放電，使用后未即時充電，負例如經(jīng)常充電不足或過放電，使用后未即時充電，負極上就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛。這種硫酸極上就會逐漸形成一種粗大堅硬的硫酸鉛。這種

8、硫酸鉛用常規(guī)的方法充電很難還原，被稱為不可逆硫酸鹽鉛用常規(guī)的方法充電很難還原，被稱為不可逆硫酸鹽化，它引起蓄電池容量下降，成為蓄電池壽命終止的化，它引起蓄電池容量下降，成為蓄電池壽命終止的主要原因。防止負極不可逆硫酸鹽化最簡單的方法是，主要原因。防止負極不可逆硫酸鹽化最簡單的方法是，及時充電和不要過放電。對于已經(jīng)硫化的電池（表現(xiàn)及時充電和不要過放電。對于已經(jīng)硫化的電池（表現(xiàn)為充電時間縮短，行駛距離縮短），為充電時間縮短，行駛距離縮短），必須使用大電流必須使用大電流正脈沖方式修復。正脈沖方式修復。 問題問題2：電動車最昂貴的部件和消耗品就是動力的來：電動車最昂貴的部件和消耗品就是動力的來源源蓄電

9、池。正確使用才可能發(fā)揮電池的正常壽命：蓄電池。正確使用才可能發(fā)揮電池的正常壽命：n1 、勿過放：低壓指示或欠壓保護后一定不要再放電，過度、勿過放：低壓指示或欠壓保護后一定不要再放電，過度放電會導致電池極板形成過多的難以還原的大顆粒硫酸鉛結放電會導致電池極板形成過多的難以還原的大顆粒硫酸鉛結晶，減少極板有效反應面積和放電活性物質(zhì)。虛壓回升時千晶，減少極板有效反應面積和放電活性物質(zhì)。虛壓回升時千萬不要再啟動電機。放置不用時，每月最少充足一次電。萬不要再啟動電機。放置不用時，每月最少充足一次電。2 、勿過充：過長時間的充電會引起電池產(chǎn)熱升溫和水電解、勿過充：過長時間的充電會引起電池產(chǎn)熱升溫和水電解生

10、成過多的氧氣、氫氣，二者將使電池充鼓變形、失水。有生成過多的氧氣、氫氣，二者將使電池充鼓變形、失水。有意深充時，充電器綠燈顯示后意深充時，充電器綠燈顯示后4小時就斷電。平時充電器綠燈小時就斷電。平時充電器綠燈顯示后就立即斷電。以上損害是難以修復的。顯示后就立即斷電。以上損害是難以修復的。3 、勤充電：只要條件允許就充電，盡量使蓄電池處于淺循、勤充電：只要條件允許就充電，盡量使蓄電池處于淺循環(huán)狀態(tài)。無助力裝置的摩托型車輛，更應在備用電量使用前環(huán)狀態(tài)。無助力裝置的摩托型車輛，更應在備用電量使用前充電。充電。 4 、多助力：啟動、上坡、逆風時進行腳踩助力，多用中低、多助力：啟動、上坡、逆風時進行腳踩

11、助力，多用中低速行駛，盡量減少蓄電池的大流量放電。速行駛，盡量減少蓄電池的大流量放電。 n5 、養(yǎng)好車：整車、特別是電機功效低會加劇蓄電池的放電（剎、養(yǎng)好車：整車、特別是電機功效低會加劇蓄電池的放電（剎車易導致電機過熱，磁鋼轉子退磁）?？刂破鞑粶?，易產(chǎn)生過放車易導致電機過熱，磁鋼轉子退磁）?？刂破鞑粶?，易產(chǎn)生過放電。電。6 、勤維護：每、勤維護：每1個月作一次深充放（即放電到欠壓保護，再深個月作一次深充放（即放電到欠壓保護，再深充）；充電環(huán)境溫度最好在充）；充電環(huán)境溫度最好在25攝氏度（冬夏盡量在室內(nèi)充）；攝氏度（冬夏盡量在室內(nèi)充）；定期（定期（3月月/次）作電脈沖強充維護，有電池缺水現(xiàn)象就作

12、補液次）作電脈沖強充維護，有電池缺水現(xiàn)象就作補液脈沖維護。脈沖維護。 合格電動車鉛酸蓄電池的正常使用壽命為：深循環(huán)合格電動車鉛酸蓄電池的正常使用壽命為：深循環(huán)300次，電次，電池容量不低于池容量不低于70（電池容量低于（電池容量低于70后，性能就會快速衰后，性能就會快速衰減），按深循環(huán)一次騎行減），按深循環(huán)一次騎行30公里計，一組蓄電池可以續(xù)行近一公里計，一組蓄電池可以續(xù)行近一萬公里；按平均每天騎行萬公里；按平均每天騎行20公里計，可以使用近兩年。公里計，可以使用近兩年。 在選用了合格的蓄電池后，其使用壽命更主要的是由使用方式在選用了合格的蓄電池后，其使用壽命更主要的是由使用方式和整車狀況決定

13、的。消費者應該多從蓄電池的使用和整車養(yǎng)護著和整車狀況決定的。消費者應該多從蓄電池的使用和整車養(yǎng)護著手來確保蓄電池的壽命。舊蓄電池經(jīng)過重新配組、加液或脈沖維手來確保蓄電池的壽命。舊蓄電池經(jīng)過重新配組、加液或脈沖維護后，性能可能有少許提高，但已經(jīng)處于容量快速衰減期，使用護后，性能可能有少許提高，但已經(jīng)處于容量快速衰減期，使用壽命會很快終止！鉛酸蓄電池是不能修復的！。壽命會很快終止！鉛酸蓄電池是不能修復的！。3.蓄電池的運行方式蓄電池的運行方式n蓄電池組主要有三種運行方式：蓄電池組主要有三種運行方式：循環(huán)放電制循環(huán)放電制、連續(xù)、連續(xù)浮充制浮充制和定期和定期浮充制浮充制。(a)循環(huán)制循環(huán)制 也叫充放電

14、制，也叫充放電制，工作方式經(jīng)常完全放電，然后充電，再完工作方式經(jīng)常完全放電，然后充電，再完全放電再充電如此循環(huán)全放電再充電如此循環(huán)。循環(huán)制多用于移動型，其工作線。循環(huán)制多用于移動型，其工作線路簡單，直流電流中無脈動交流成分，如蓄電池車，礦燈路簡單，直流電流中無脈動交流成分，如蓄電池車，礦燈和手提燈等。和手提燈等。牽引電池就是典型的循環(huán)制工作這種電流在充放電的過程牽引電池就是典型的循環(huán)制工作這種電流在充放電的過程中，活性物質(zhì)的體積不斷的收縮膨脹，使正負極活性物質(zhì)中，活性物質(zhì)的體積不斷的收縮膨脹，使正負極活性物質(zhì)的結構的結構.物化性質(zhì)等的變化，致使正極活性物質(zhì)軟化脫落，物化性質(zhì)等的變化，致使正極活

15、性物質(zhì)軟化脫落，失水率高，從而蓄電池的使用壽命較短。失水率高，從而蓄電池的使用壽命較短。(b) 浮充制浮充制 n連續(xù)浮充制：連續(xù)浮充制：是晝夜將蓄電池組和整流設備并聯(lián)在負載的回是晝夜將蓄電池組和整流設備并聯(lián)在負載的回路上。平時用設備將所需電流全部由整流設備供給，蓄電池始路上。平時用設備將所需電流全部由整流設備供給，蓄電池始終保持少量的充電電流，并在負載上起平滑作用，正常情況下終保持少量的充電電流，并在負載上起平滑作用，正常情況下一般有一般有2.2V左右的直流電壓，加在蓄電池的兩端。當停電或整左右的直流電壓，加在蓄電池的兩端。當停電或整流設備出故障時，蓄電池自動給負荷供電，這樣能保證不中斷流設備

16、出故障時，蓄電池自動給負荷供電，這樣能保證不中斷負荷供電。負荷供電。 定期浮充制定期浮充制：也叫半浮充制，是定期將直流電源設備和蓄電：也叫半浮充制，是定期將直流電源設備和蓄電池并聯(lián)的供電方式池并聯(lián)的供電方式 , 部分時間由蓄電池供電，部分時間由整流部分時間由蓄電池供電，部分時間由整流設備供電，并補充蓄電池已放出的容量。設備供電，并補充蓄電池已放出的容量。 浮充的運行方式其壽命比循環(huán)制長，供電設備的效率較高主要浮充的運行方式其壽命比循環(huán)制長，供電設備的效率較高主要用于固定型電池組，該電池組可以進行直流供電或者作為直流用于固定型電池組，該電池組可以進行直流供電或者作為直流升壓升壓 . 事故照明事故

17、照明 . 信號指示信號指示 . 遙控以及需不間斷電源的設備等遙控以及需不間斷電源的設備等。 4. 4. 蓄電池的充電蓄電池的充電n蓄電池充電方式有：恒流充電、恒壓充電、蓄電池充電方式有：恒流充電、恒壓充電、恒壓限流、快速充電、智能充電恒壓限流、快速充電、智能充電n（1）恒流充電）恒流充電constant current charge 電流電流維持在恒定值的維持在恒定值的充電充電。是一種廣泛采用的充電。是一種廣泛采用的充電方法。方法。蓄電池蓄電池的的初充電初充電，運行中的蓄電池的，運行中的蓄電池的容量容量檢檢查，運行中的查，運行中的牽引牽引蓄電池的充電以及蓄電池蓄電池的充電以及蓄電池極板極板的的

18、化成充電，多采用恒流或分階段恒流充電。此法的化成充電，多采用恒流或分階段恒流充電。此法的優(yōu)點是可以根據(jù)蓄電池的容量確定充電電流值，直優(yōu)點是可以根據(jù)蓄電池的容量確定充電電流值，直接計算充電量并確定充電完成的接計算充電量并確定充電完成的時間時間。恒流充電的缺點：恒流充電的缺點：n由于此充電方法開始階段的充電電流比由于此充電方法開始階段的充電電流比可充值小，在充電后期充電電流又比可可充值小，在充電后期充電電流又比可充值大；整個充電過程時間長、析出氣充值大；整個充電過程時間長、析出氣體多、對極板的沖擊大、能耗高、效率體多、對極板的沖擊大、能耗高、效率低低(不超過不超過65)。而且整個充電過程必。而且整

19、個充電過程必須有專人看管，因此，常選用階段充電須有專人看管，因此，常選用階段充電法。法。 （2）恒壓充電）恒壓充電 現(xiàn)在電子技術比較完善，通常不采用恒流充現(xiàn)在電子技術比較完善，通常不采用恒流充電，否則會出現(xiàn)充電后期電壓高而使電池壽電，否則會出現(xiàn)充電后期電壓高而使電池壽命縮短的情況。目前通常都是采用恒壓限流命縮短的情況。目前通常都是采用恒壓限流的方式充電。的方式充電。恒壓充電優(yōu)缺點：恒壓充電優(yōu)缺點：優(yōu)點優(yōu)點就是不會充過頭，可以一直充。就是不會充過頭，可以一直充。缺點缺點是是：（：（1）開始充時電流太大，損害電池，對充開始充時電流太大，損害電池，對充電器要求也高很多電器要求也高很多；（；（2）充電

20、電壓過低，后期充電）充電電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適宜串聯(lián)數(shù)目較多的電流又過小，充電時間過長，不適宜串聯(lián)數(shù)目較多的蓄電池組充電。蓄電池組充電。恒壓充電舉例說明：恒壓充電舉例說明：n例如鉛酸蓄電池充電，例如鉛酸蓄電池充電，12V12Ah的電池，采的電池，采用恒壓（用恒壓（14.8V)，限流（，限流（0.24A)電流的方式電流的方式充電，開始充電時，電壓還沒有達到充電，開始充電時，電壓還沒有達到14.8V，電流固定在電流固定在0.24A，當電壓從，當電壓從12.6V慢慢上升慢慢上升到到14.8V后，變成恒壓充電，這時候電流會緩后，變成恒壓充電，這時候電流會緩慢下降。當電流下降到

21、慢下降。當電流下降到0.05A左右時，認為電左右時，認為電池充足電。池充足電。 現(xiàn)在的充電器充電原理都是這樣現(xiàn)在的充電器充電原理都是這樣的，包括鉛酸蓄電池，鋰離子蓄電池。的，包括鉛酸蓄電池，鋰離子蓄電池。n 鎳氫電池充電原理不一樣，通常只采用恒流鎳氫電池充電原理不一樣，通常只采用恒流充電，沒有恒壓，通過檢測電壓達到最高值然充電，沒有恒壓，通過檢測電壓達到最高值然后回落后回落0.02V，就切斷電源，充電結束。，就切斷電源，充電結束。 （3）（4）快速充電）快速充電n采用脈沖充電，有利于延長電瓶壽命。由于低壓采用脈沖充電，有利于延長電瓶壽命。由于低壓交流電經(jīng)全波整流后是脈動直流，只有當其波峰交流電

22、經(jīng)全波整流后是脈動直流，只有當其波峰電壓大于電瓶電壓時，可控硅才會導通，而當脈電壓大于電瓶電壓時，可控硅才會導通，而當脈動直流電壓處于波谷區(qū)時，可控硅反偏截止，停動直流電壓處于波谷區(qū)時，可控硅反偏截止，停止向電瓶充電，因而流過電瓶的是脈動直流電。止向電瓶充電，因而流過電瓶的是脈動直流電。 n目前的快速充電還無法解決充滿的問題，充電一目前的快速充電還無法解決充滿的問題，充電一定程度后，就無法再維持大電流了，否則對電池定程度后，就無法再維持大電流了，否則對電池有較大傷害。有較大傷害。 （5）智能充電）智能充電6.2 蓄電池種類及其工作原理蓄電池種類及其工作原理常用蓄電池一般分為酸性蓄電池和堿性蓄電

23、池常用蓄電池一般分為酸性蓄電池和堿性蓄電池比較常用的是鉛蓄電池比較常用的是鉛蓄電池( (俗稱電瓶俗稱電瓶) )6.2 酸性蓄電池結構及原理酸性蓄電池結構及原理n主要由極板、隔板、電解液和外殼組成主要由極板、隔板、電解液和外殼組成 隔板隔板蓄蓄電電池池的的結結構構1.1.極板極板 極板分極板分正極板正極板和和負極板負極板兩種兩種n正極板上的正極板上的活性物質(zhì)是活性物質(zhì)是二氧化鉛二氧化鉛，呈棕紅色；呈棕紅色；n負極板上負極板上的的活性物質(zhì)是活性物質(zhì)是海綿狀純鉛海綿狀純鉛，呈青灰色。呈青灰色。 負極板負極板隔隔 板板正極板正極板在成流過程中，在成流過程中，負極被氧化，正負極被氧化，正極被還原，負極極

24、被還原，負極板一般為深灰色，板一般為深灰色，正極板為暗棕色。正極板為暗棕色。極板的構造極板的構造正極板正極板:活性物質(zhì)PbO2：疏松的多孔體 板柵：Pb合金鑄造成的柵欄片 狀物體（1）極板）極板(板柵板柵 ):以鉛銻以鉛銻合金為骨架，上面緊密地合金為骨架，上面緊密地涂上鉛膏，經(jīng)過化學處理涂上鉛膏，經(jīng)過化學處理后，正、負極板上形成各后，正、負極板上形成各自的活性物質(zhì)，正極的活自的活性物質(zhì)，正極的活性物質(zhì)是性物質(zhì)是PbO2，負極的活，負極的活性物質(zhì)是海綿鉛性物質(zhì)是海綿鉛.2.隔板隔板 n1）功用在正負極板間起絕緣作用，使蓄電）功用在正負極板間起絕緣作用，使蓄電池結構緊湊。池結構緊湊。n2）特征）特

25、征 (1)隔板有許多微孔隔板有許多微孔，可使電解液暢通無阻。，可使電解液暢通無阻。 (2)隔板一面平整，一面有溝槽，隔板一面平整，一面有溝槽，溝槽面對著溝槽面對著正極板正極板，且與底部垂直，使充放電時，電解液，且與底部垂直，使充放電時，電解液能通過溝槽及時供給正極板，能通過溝槽及時供給正極板，當正極板上的活當正極板上的活性物質(zhì)性物質(zhì)PbO2脫落時，能迅速通過溝槽沉入容脫落時，能迅速通過溝槽沉入容器底部。器底部。注：溝槽應垂直放置，并朝向正極板。注：溝槽應垂直放置，并朝向正極板。隔板隔板隔膜的微觀結構隔膜的微觀結構隔膜須具備的特性：隔膜須具備的特性：電子絕緣性電子絕緣性+離子導電性離子導電性隔膜

26、材料隔膜材料n鋰離子蓄電池隔膜材料主要有聚烯烴類、高分子材料、無機材料等。根據(jù)原材料特點及加工方法不同，可將鋰離子蓄電池隔膜分成聚烯烴隔膜、聚合物隔膜、聚烯烴隔膜、聚合物隔膜、陶瓷隔膜、纖維隔膜陶瓷隔膜、纖維隔膜等。目前市場化的聚烯烴隔膜主要以聚乙烯、聚丙烯聚乙烯、聚丙烯為主，包括單層聚乙烯(PE)、單層聚丙烯(PP)以及三層PP/PE/PP的復合膜。全球蓄電池隔膜市場全球蓄電池隔膜市場n目前，主要隔膜材料生產(chǎn)企業(yè)有：日本日本旭化成(Asahi)、宇部興產(chǎn)(UBE)、東燃化學(Tonen，埃克森美孚控股)、三菱化學與三菱樹脂、三井化學等，美國美國Celgard、Entek，韓國韓國SK能源、W

27、-Scope、WIDE、Finepol等公司，此外，德國德國贏創(chuàng)德固賽集團、英國英國N-Tech公司、荷蘭荷蘭DSM集團等公司也在生產(chǎn)鋰離子蓄電池隔膜材料。在2009年全球鋰離子蓄電池材料市場中，日本旭化成日本旭化成是最大的供應商，占據(jù)了全球約占據(jù)了全球約1/3的市場份額的市場份額；東燃化學和美國Celgard公司僅次于旭化成，市場占有率都在20%以上。國內(nèi)蓄電池隔膜企業(yè)：國內(nèi)蓄電池隔膜企業(yè)：n1.深圳市星源材質(zhì)科技股份有限公司n2.佛山金輝高科光電材料有限公n3.格瑞恩新能源材料股份有限公司n4.桂林新時科技公司n5. 2010年8月，明基材料與奇瑞集團聯(lián)合發(fā)布聲明，雙方將成立合資公司，合作

28、開發(fā)電動汽車用鋰離子蓄電池隔膜材料。國內(nèi)蓄電池隔膜產(chǎn)業(yè)的特點：國內(nèi)蓄電池隔膜產(chǎn)業(yè)的特點：n工信部副部長苗圩工信部副部長苗圩：動力蓄電池動力蓄電池最大的問題是占30%左右成本的隔膜隔膜，這種隔膜我國一家企業(yè)都做不了，而且生產(chǎn)這種隔膜的技術和裝備，都列入了西方對中國限制出口限制出口的清單，所以現(xiàn)在中國想買相關設備、技術、工藝時，還沒有人賣。如果到2015年我國將形成100萬輛電動汽車的規(guī)模，則鋰離子蓄電池隔膜需求為15億m2。（三）基本反應原理（三）基本反應原理 當用連有電流計的導線連接兩極當用連有電流計的導線連接兩極時，可以觀察到三個重要的現(xiàn)象：時，可以觀察到三個重要的現(xiàn)象： Zn棒逐漸溶解，銅

29、棒上有氣體溢棒逐漸溶解，銅棒上有氣體溢出，導線中有電流流過出，導線中有電流流過此反應的實質(zhì)是：此反應的實質(zhì)是：ZnZn2+2e- (氧化反應氧化反應)2H+2e-(還原反應還原反應)H2組成蓄電池需要有兩個條件：組成蓄電池需要有兩個條件：一是必須把化學反應中失去電子的過程一是必須把化學反應中失去電子的過程(氧化過程氧化過程)和得到電和得到電子的過程子的過程(還原過程還原過程)分割在兩個區(qū)域進行；分割在兩個區(qū)域進行；電池反應可逆電池反應可逆.二是物質(zhì)在進行轉變的過程中，電子必須通過外線路。二是物質(zhì)在進行轉變的過程中，電子必須通過外線路。6.2.1 鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池的工作原理242(

30、 ) Pb H SO PbO ( )1 1電動勢的建立電動勢的建立（a a）負極板）負極板：鉛溶于電解液中，失：鉛溶于電解液中，失電子生成電子生成PbPb2+2+ PbPb PbPb2+2+2e+2e Pb Pb2+2+進入電解液后，進入電解液后，負極板表面積負極板表面積積累了過剩的電子而帶負電積累了過剩的電子而帶負電. .同時，同時，電解液中的電解液中的PbPb2+2+又將受到吸引并分又將受到吸引并分布在負極板上。布在負極板上。n蓄電池的電動勢是正、負極浸入電解液后產(chǎn)生的。蓄電池的電動勢是正、負極浸入電解液后產(chǎn)生的。其反應過程如圖所示：其反應過程如圖所示：最終使得負極具有負電位，為最終使得負

31、極具有負電位，為-0.1V-0.1V。當離開負極板和又沉積在負極板上的當離開負極板和又沉積在負極板上的PbPb2+2+相等時，相等時，達到動態(tài)平衡，負極板不再溶解。達到動態(tài)平衡，負極板不再溶解。電動勢的建立電動勢的建立其反應式為其反應式為: : PbO PbO2 2+2H+2H2 2OPb(OH)OPb(OH)4 4 Pb(OH) Pb(OH)4 4PbPb4+ 4+ + 4OH+ 4OH- - nOHOH- -留在電解液中，留在電解液中，PbPb4+4+ 沉附沉附在正極表面在正極表面, ,使正極板有使正極板有+2.0V+2.0Vn在外電路未接通時，反應達到在外電路未接通時，反應達到動態(tài)平衡時

32、，靜止電動勢為：動態(tài)平衡時，靜止電動勢為： E=2.0E=2.0( (0.1)=2.1V0.1)=2.1V(b)正極板：正極板：正極板中的正極板中的PbO2PbO2與電解液中的水作用，生成氫氧化鉛與電解液中的水作用，生成氫氧化鉛Pb(OH)4.Pb(OH)4.氫氧化鉛是一種可以離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛是一種可以離解的不穩(wěn)定物質(zhì), ,有生成了四價鉛離子有生成了四價鉛離子. .電動勢的建立電動勢的建立 一個極板組的電動勢也是一個極板組的電動勢也是2.1V； 要得到要得到12V電壓需串連電壓需串連6個單格。個單格。(2) 放電時化學反應：放電時化學反應：正極板正極板：Pb 4+2ePb2+ Pb2+

33、SO42-PbSO4 附在正極板上 負極板負極板： Pb-2ePbPb-2ePb2+2+ Pb Pb2+2+SO+SO4 42-2-PbSO4PbSO4 附在負極板上附在負極板上放電過程總的反應放電過程總的反應:PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4正極活性物正極活性物負極活性物負極活性物負極生成物負極生成物正極生成物正極生成物電解液電解液電解液生成物電解液生成物放電過程是化學能變成電能的過程，這時正極的活性放電過程是化學能變成電能的過程，這時正極的活性物質(zhì)物質(zhì)PbO2變?yōu)樽優(yōu)镻bSO4，負極的活性物質(zhì)海綿鉛變?yōu)?，負極的活性物質(zhì)海綿鉛變?yōu)镻bSO4，電解液

34、中，電解液中H2SO4分子不斷減少，逐漸消耗生成分子不斷減少，逐漸消耗生成H2O，H2O分子相應增加，電解液的相對密度降低。分子相應增加，電解液的相對密度降低。（3）工作原理）工作原理充電過程充電過程負極正極正極PbSO4Pb2+ SO42-負極反應為：負極反應為：PbPb2+ 2e-PbSO4Pb2+ SO42-Pb2+ - 2e-Pb4+Pb4+ +4OH-Pb(OH)4PbO2 +2H2OPb(OH)4正極反應為：正極反應為：H2SO42H+ SO42-H2SO42H+ SO42- 2.正極板上的正極板上的Pb2+在外電源作用下被氧化，失去兩個電子在外電源作用下被氧化，失去兩個電子變?yōu)樽?/p>

35、為Pb4+，它又與，它又與OH結合生成結合生成Pb(OH)4，然后又分解為，然后又分解為PbO2和和H2O，而，而SO42-離子移向正極與離子移向正極與H+結合生成結合生成H2SO4 1.充電時，負極板上的充電時，負極板上的PbSO4進人溶進人溶液，解離成液，解離成Pb2+與與SO42-。電解液中電解液中的的H H2 2O O解離成解離成H H+ +與與OHOH- -。在負極上，充。在負極上，充電時負極板上的電時負極板上的Pb2+這時獲得兩個電這時獲得兩個電子，被還原成子，被還原成Pb(以海綿狀固態(tài)析出以海綿狀固態(tài)析出)，這時電解液中的這時電解液中的H+移向負極，在負移向負極，在負極附近與極附

36、近與SO42-結合成結合成H2SO4 。充電時正負極反應的說明充電時正負極反應的說明所以充電過程總的反應所以充電過程總的反應 充電過程中，正、負極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復，電充電過程中，正、負極板上的有效物質(zhì)逐漸恢復，電解液解液H2SO4比重逐漸增加，所以從比重升高的數(shù)值也可比重逐漸增加，所以從比重升高的數(shù)值也可以判斷它充電的程度。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的以判斷它充電的程度。電解液中，正極不斷產(chǎn)生游離的H+和和SO42- ，負極不斷產(chǎn)生，負極不斷產(chǎn)生SO42- ，在電場的作用下，在電場的作用下，H+向負極移動，向負極移動， SO42-向正極移動，形成電流。向正極移動，形成電流。2H2O2H2

37、+O2 到充電終期，到充電終期，PbSO4絕大部分反應為絕大部分反應為PbO2和海綿狀和海綿狀Pb，如繼續(xù)充電，就要引起水的分解，正極放出，如繼續(xù)充電，就要引起水的分解，正極放出O2，負極放出負極放出H2PbO2 + 2H2SO4 + PbPbSO4 + 2H2O + PbSO4正極物質(zhì)正極物質(zhì)負極物質(zhì)負極物質(zhì)負極生成物負極生成物正極生成物正極生成物電解液電解液電解液生成物電解液生成物問題：充電和放電過程中，正極有時候是問題：充電和放電過程中，正極有時候是陽極有時候是負極？陽極有時候是負極？正負極正負極是從電位高低來說的，電位高是從電位高低來說的，電位高的就是正極，電位低就是負極。的就是正極，

38、電位低就是負極。陰陽極陰陽極是從發(fā)生的化學反應來說的，是從發(fā)生的化學反應來說的，發(fā)生氧化反應就是陽極，發(fā)生還原反發(fā)生氧化反應就是陽極，發(fā)生還原反應就是陰極。比較容易記憶的說法是，應就是陰極。比較容易記憶的說法是，陰極發(fā)生還原反應，陽極發(fā)生氧化反陰極發(fā)生還原反應，陽極發(fā)生氧化反應。應。國際市場對鉛酸蓄電池的需求量也不斷加大，歐盟國際市場對鉛酸蓄電池的需求量也不斷加大，歐盟、美國等一些發(fā)達國家出于保護本國環(huán)境的敏感（停止、美國等一些發(fā)達國家出于保護本國環(huán)境的敏感（停止或限制或限制鉛、鎘、鎳鉛、鎘、鎳等有色重金屬的生產(chǎn)），早已限制鉛等有色重金屬的生產(chǎn)），早已限制鉛酸蓄電池制造業(yè)在本國的生產(chǎn)，轉而向發(fā)

39、展中國采購或酸蓄電池制造業(yè)在本國的生產(chǎn)，轉而向發(fā)展中國采購或紛紛在中國建廠，以轉嫁對本國環(huán)境的污染。紛紛在中國建廠，以轉嫁對本國環(huán)境的污染。中國已成中國已成為世界上最大的鉛酸蓄電池出口國之一，在國際市場上為世界上最大的鉛酸蓄電池出口國之一，在國際市場上具有舉足輕重的地位，成為全球鉛酸蓄電池的生產(chǎn)和消具有舉足輕重的地位，成為全球鉛酸蓄電池的生產(chǎn)和消費大國。費大國。6.2.2堿性蓄電池結構和原理堿性蓄電池結構和原理n定義一般地，以KOH、NaOH水溶液為電解質(zhì)的蓄電池稱之為堿性蓄電池，包括鐵鎳、鎘鎳、氫鎳、氫化物鎳以及鋅銀電池等。n常用的鎳鎘堿性蓄電池由氫氧化鎳氫氧化鎳正極板、鎘負極板和隔膜等組成

40、。電解液為氫氧化鉀（KOH）水溶液加之適量的氫氧化鋰（LiOH）。鎳鎘堿性電池及其工作原理鎳鎘堿性電池及其工作原理-放電過程放電過程n放電時：接通電路后，正極板得到從負極放電時：接通電路后，正極板得到從負極輸入的電子，正極板的活性物質(zhì)輸入的電子，正極板的活性物質(zhì)NiOOHNiOOH在在水的參與下，生成水的參與下，生成NiNi（OHOH）2 2和和OHOH- -，此時，此時兩個極板的反應分別為：兩個極板的反應分別為：n正極板：n負極板：鎳鎘堿性電池及其工作原理鎳鎘堿性電池及其工作原理-充電過程充電過程n充電過程是放電過程的逆過程。借助于外電源作充電過程是放電過程的逆過程。借助于外電源作用，使電子

41、從正極輸出，經(jīng)電源后回到負極，正用，使電子從正極輸出，經(jīng)電源后回到負極，正極的極的NiNi（OHOH）2 2又還原為又還原為NiOOHNiOOH，負極板的，負極板的CdCd（OHOH）2 2也恢復為也恢復為CdCd和和OHOH- -。 OHOH- -從負極遷移至正極，即把從負極遷移至正極，即把負電荷運回正極，完成導電作用。負電荷運回正極，完成導電作用。從以上分析可以看出，電解液從以上分析可以看出，電解液KOH沒有參與化沒有參與化學反應，僅起到了導電作用。學反應，僅起到了導電作用。鎳氫蓄電池鎳氫蓄電池n正極活性物質(zhì)正極活性物質(zhì)：NiOOHn負極活性物質(zhì)負極活性物質(zhì)：H2n電解液：電解液：30%K

42、OH溶液鉛酸蓄電池與堿性蓄電池優(yōu)缺點對比鉛酸蓄電池與堿性蓄電池優(yōu)缺點對比n1.鉛酸蓄電池鉛酸蓄電池單個電池的電壓為2V左右，內(nèi)阻小，適合大電流放電，一般作為柴油機啟動電源。n2.堿性蓄電池堿性蓄電池單個電壓為1.25V左右。具有體積小，機械強度高，工作電壓平穩(wěn)，使用壽命長，在船上日益廣泛。首先首先，堿性電池在壽命上，保養(yǎng)上都比酸電池優(yōu)越很多，一般，堿性電池在壽命上，保養(yǎng)上都比酸電池優(yōu)越很多，一般堿性蓄電池幾乎不需要有人值守，如果換鉛酸電池機房就必須堿性蓄電池幾乎不需要有人值守，如果換鉛酸電池機房就必須派人值守，還要準備維護電池的器具；派人值守，還要準備維護電池的器具；第二第二，鉛酸電池充電時，

43、鉛酸電池充電時會產(chǎn)生酸霧，堿性電池則不會；會產(chǎn)生酸霧，堿性電池則不會；第三第三，鉛酸電池需要補液，檢，鉛酸電池需要補液，檢查硫化，堿性電池也不會；查硫化，堿性電池也不會；第四第四，同樣能量密度的電池，鉛酸，同樣能量密度的電池，鉛酸電池體積重量都要比堿性電池大很多，唯一不好的是堿性電池電池體積重量都要比堿性電池大很多，唯一不好的是堿性電池單節(jié)電壓低，而且價格也比鉛酸電池高很多。單節(jié)電壓低，而且價格也比鉛酸電池高很多。鎳鎘電池鎳鎘電池電極：電極： 陽極陽極( (負極負極) )：鎘鎘(Cd)(Cd) 陰極陰極( (正極正極) )：二氧化鎳二氧化鎳(NiO(NiO2 2) )或或 氫氧化鎳氫氧化鎳(N

44、i(OH(Ni(OH3 3) ( (若為若為銀鎘電池銀鎘電池時，差異只是陰極材料為時，差異只是陰極材料為AgAg2 2O O) )電解質(zhì)電解質(zhì): :KOH KOH 鹼性溶液鹼性溶液 優(yōu)點優(yōu)點: :電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定(1.2V),(1.2V),體積小、體積小、壽命長、電壓穩(wěn)定，但壽命長、電壓穩(wěn)定，但有記憶效應有記憶效應全反應全反應:Cd+2Ni(OH):Cd+2Ni(OH)3 32Ni(OH)2Ni(OH)2 2+Cd(OH)+Cd(OH)2 2鎳氫電池鎳氫電池SANYO公司所生產(chǎn)的鎳氫電池 電極與電解液：電極與電解液： 陰極陰極與電解液：與電解液：和鎳鎘電池相同和鎳鎘電池相同 ; ; 陽極：陽極

45、：儲氫合金儲氫合金優(yōu)點優(yōu)點: :電壓穩(wěn)定電壓穩(wěn)定(1.2V),(1.2V),陰極活性物質(zhì)不含鎘，所以不會像鎳鎘電池有陰極活性物質(zhì)不含鎘，所以不會像鎳鎘電池有 鎘污染的問題長環(huán)壽命、且鎘污染的問題長環(huán)壽命、且記憶效應較鎳鎘電池小記憶效應較鎳鎘電池小;具有不錯的具有不錯的 能量密度能量密度( 50 60 Wh/kg( 50 60 Wh/kg或或 250 300 Wh/L )250 300 Wh/L )，以及良好的循環(huán)壽命以及良好的循環(huán)壽命 能快速充電、安全無公害。能快速充電、安全無公害。缺點缺點: :鎳氫電池在高溫下效能較差，且在一般使用上有自放電率高及鎳氫電池在高溫下效能較差，且在一般使用上有自

46、放電率高及記憶效應的問題。記憶效應的問題。6.2.3 6.2.3 其它蓄電池其它蓄電池n1. 鋰電池鋰電池n2.燃料電池燃料電池n3.超導儲能超導儲能n4.超級電容超級電容1.鋰電池鋰電池-Lithium battery 金屬鋰金屬鋰（ Lithium ）n鋰號稱“稀有金屬稀有金屬”，其實它在地殼中的含量不算“稀有”，地殼中約有有0.0065%0.0065%的鋰，其豐度居第二十七二十七位。已知的鋰礦物鋰礦物有150150多種，其中主要有鋰輝石鋰輝石、鋰云母鋰云母、透鋰長石透鋰長石等。此外，海水中的鋰的含量也不算少，總儲量達26002600億億噸，可惜濃度太小，提煉難度較大。某些礦泉水和植物機體

47、里，也含有豐富的鋰，如有些紅色、黃色的海藻和煙草中，往往含有較多的鋰化合物，可供開發(fā)利用。n我國的鋰礦資源豐富，以我國目前的鋰鹽產(chǎn)量計算，僅江西云母鋰礦江西云母鋰礦就可供開采上百年上百年。金屬鋰金屬鋰的主要用途：的主要用途：n1.Li最早工業(yè)用途是以硬脂酸鋰硬脂酸鋰（高抗水性、耐高溫和良好的低溫性能）的形式做潤滑劑的增稠劑； n2.冶金工業(yè)中，利用Li能強烈的和O、N、Cl、S等物質(zhì)的性質(zhì)，充當脫氧劑脫氧劑和脫硫劑脫硫劑；n3.1kg鋰鋰燃燒后可釋放42998kJ的熱，因此Li是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一；n4.如果在玻璃制造中加入鋰，鋰玻璃的溶解性只是普通玻璃的1/100，加入鋰后使玻璃

48、成為“永不溶解”，并可以抗酸腐蝕；金屬鋰金屬鋰的主要用途的主要用途n5.純鋁太軟，當在鋁中加入少量的Li、Mg、Be等金屬熔成合金，既輕便，又特別堅硬，用這種合金來制造飛機，能使飛機減輕2/3的重量；n6.真正使鋰成為舉世矚目的金屬，還是在它的優(yōu)異的核性能核性能被發(fā)現(xiàn)之后， 1kg鋰鋰通過熱核反應放出的能量相當于20000t優(yōu)質(zhì)煤的燃燒，人們稱它為“高能金屬高能金屬”；n7.鋰電池是鋰電池是20世紀世紀30、40年代才研制開發(fā)的優(yōu)質(zhì)年代才研制開發(fā)的優(yōu)質(zhì)能源能源，它以開路電壓高開路電壓高，比能量高比能量高，工作溫度范圍工作溫度范圍寬寬，放電平衡放電平衡，自放電子等優(yōu)點，已被廣泛應用于各種領域，是

49、很有前途的動力電池。鋰電池的發(fā)展歷史鋰電池的發(fā)展歷史n1. 19701. 1970年代，?？松哪甏？松腗.S.WhittinghamM.S.Whittingham采用硫化采用硫化鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鈦作為正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成首個鋰電池；鋰電池；n2. 19822. 1982年伊利諾伊理工大學（美）的年伊利諾伊理工大學（美）的R.R.AgarwalR.R.Agarwal和和J.R.SelmanJ.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性，此過程是快速的，并且可逆。首個可用的鋰離子石墨過程是快速的，并且可逆。首個可用

50、的鋰離子石墨電極由電極由貝爾實驗室貝爾實驗室試制成功。試制成功。 n3. 19833. 1983年年M.ThackerayM.Thackeray、J.GoodenoughJ.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)等人發(fā)現(xiàn)錳錳尖晶石尖晶石是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良是優(yōu)良的正極材料，具有低價、穩(wěn)定和優(yōu)良的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了于鈷酸鋰，即使出現(xiàn)短路、過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。燃燒、爆炸的危險。 鋰電池的發(fā)展歷史鋰電池的發(fā)展歷史n4.1989年，A.Manthiram和J.Goo

51、denough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓；n5. 1991年索尼公司發(fā)布首個商用鋰離子電池。隨后，鋰離子電池革新了消費電子產(chǎn)品的面貌；n6. 1996年Padhi和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結構的磷酸鹽，如磷酸鐵鋰磷酸鐵鋰(LiFePO4)，比傳統(tǒng)的正極材料（LiCoO2）更具優(yōu)越性，因此已成為當前主流的正極材料。鋰電池的分類鋰電池的分類n鋰電池分為一次鋰電池一次鋰電池和二次鋰電池二次鋰電池。n一次鋰電池用鋰金屬做陽極，MnO2等材料做陰極；二次鋰電池則以鋰離子和碳材料做陽極，因此二次鋰電池二次鋰電池又稱為鋰離子電池鋰離子電池。金屬金屬 Li K Ca Na Mg Al Mn Zn電勢電勢 -3.0 -2.9 -2.8 -2.7 -2.4 -1.7 -1.2 -0.8金屬金屬 Cr Fe Cd Ni Sn Pb H+電勢電勢 -0.7 -0.5 -0.4 -0.3 -0.15 -0.12 0金屬活動順序表金屬活動順序表（ unit：V ）鋰電池鋰電池n1.LiMnO2電池，使用以下反