2021鎳氫電池儲能技術

鎳氫電池儲能技術目錄TOC\o"1-2"\h\u87061.鎳氫電池概述 323231.1.1.基本原理 370401.1.2.鎳氫電池分類 7254821.1.3.鎳氫電池發(fā)展歷史 9191791.2.鎳氫電池的功率和能量應?范圍 11240601.2.1.?品電池 11292091.2.2.動?電池 1248691.2.3.智能電? 1522831.3×108kW，按儲能電池占到總儲能設備?重的2%?2.5%計算，2015 153045鎳氫電池應?現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)鏈及環(huán)境問題 1718661鎳氫電池相關新技術的發(fā)展 249298 3628207HEV混合動?? 36471燃料電池? 398722?結 41鎳氫電池概述基本原理鎳氫電池是繼鎳鎘電池后的新?代?能?次電池，與鎳鎘電池相?，鎳氫電池具有對環(huán)境友好（不含?屬鎘）、?能量較?（60?120W·h/kg）、循環(huán)壽命?（500?1800次）、適合?電流放電等優(yōu)點[]。鎳氫電池的正極采?氫氧化鎳，化學式為Ni（OH）2，也稱鎳電極。負極采??屬合?儲氫材料，英?名為MetalHydride，縮寫為MH，也稱儲氫合?電極，因此，鎳氫電池也表?為Ni/MH電池。鎳氫電池的電解液通常使?添加少量氫氧化鋰的氫氧化鉀?溶液（體積分數(shù)約30%），因此鎳氫電池也屬于堿性電池。電解液中有?層絕緣電?的隔膜，?般采?多孔的維尼綸?紡布、尼??紡布、聚丙烯接枝處理膜等[2]。在充電的時候，正極材料Ni（OH）2與電解溶液中的OH-反應?成堿式氧化鎳NiOOH（?名羥基氧化鎳）和H2O，并釋放出電?。?負極中的合?M與H2O以及從正極轉移過來的電?反應?成?屬氫化物MHx（x為配位數(shù)）并釋放出OH-。整個過程中，OH-和H2O的總濃度不變，但是在濃度差的驅動下OH-和H2O反向地從電極?端通過擴散到另?端。充電過程的總反應可以表?為M從氫氧化鎳中奪取了H，反應式?表11-1中的式（11-1）?式（11-3）。同樣地，當鎳氫電池放電的時候，電極反應、OH-、H2O都朝著與充電過程中的?向相反的過程進?，M?將H返還給了氫氧化鎳。具體的化學反應?表11-1中的式（11-4）?式（11-6）。值得指出的是，?論是充電還是放電過程，H都是以H2O為載體從電極?端轉移到另?端。表鎳氫電池在正常充電/放電過程中的電極反應[3，4]鎳氫電池充放電過程物質循環(huán)路線可?圖11-1更形象地表?出來，三個??形塊表?的是正、負極以及電解液，虛線代表的是充電過程物質轉移的路線圖，例如，正極材料中Ni（OH）2變成NiOOH，負極材料中M變成MH，電解液中OH-向正極移動，H2O向負極移動，電?由正極流向負極。反過來，放電過程?實線表?充電的逆過程。圖鎳氫電池充/放電過程的?意圖[5]（箭頭表?電?流動/物質變化的?向）鎳氫電池的設計是正極限容，負極容量過剩，也就是說儲氫合?M的理論吸氫量遠?于從氫氧化鎳中100%釋放出來的氫。鎳氫電池過充或過放時，電解質中的氫氧根離?和?分別在正負電極反應，?總的反應為零（?表11-2）。只要過充或過放緩慢進?，這個反應理論上可以不產(chǎn)?任何副產(chǎn)物，因此鎳氫電池相?鋰離?電池不怕?電流的過充或過放。如果過充/過放電流較?，鎳氫電池內(nèi)部壓?增加主要是由于氧?的積累[6，7]。表鎳氫電池在過充電/過放電過程中的電極反應鎳氫電池正負極在標準狀態(tài)下的電勢差為1.2V。圖11-2表?的是鎳氫單電池電極電勢在充放電過程中隨荷電狀態(tài)的變化趨勢。從圖中可以很明顯地看到三個階段：電量0%?20%區(qū)間、20%?80%區(qū)間以及80%?100%三個區(qū)間。在第?和第三階段，鎳氫電池的電壓變化加快，?在中間段表現(xiàn)得很平緩，這?段鎳氫電池的內(nèi)阻變化較?，是鎳氫電池頻繁使?的充放電區(qū)間。在前后兩個階段?論是充電還是放電過程，電勢差增加的速度或下降的速度都較快，這是因為在電池容量的兩端，極化電勢較?，?在中間階段，電壓的增加或減少?乎與電量成線性關系。鎳氫電池正負極之間的標準電勢差為1.23V，充電過程中電極之間的電勢差可以升??1.5V左右。但是到了100%充電狀態(tài)的時候，電勢差會出現(xiàn)?幅度的下降。電池電勢差最?約為1.5V，?電勢差在放電過程中最低約為1.0V左右，過度的充電或放電都會對鎳氫電池產(chǎn)?不可逆轉的損害[4]。圖鎳氫電池充放電的特征曲線[8]鎳氫電池分類鎳氫電池按封裝?式可分為極板盒式鎳氫電池（?稱袋式或盒式電池）、?極板盒式鎳氫電池（包括燒結式、壓成式、粘接式和發(fā)泡式等）和密封鎳氫蓄電池。按形狀鎳氫電池可分為圓柱形和?形（?圖11-3），在應?過程中，由于活性物質的結構變化，電極會發(fā)?膨脹，圓柱形電池的耐壓程度要遠?于?形電池，所以?般圓柱形電池的安全閥開啟壓???形電池要?得多。?形電池在應?中容易發(fā)?膨脹，組合應?時需要采取防膨脹措施。圖鎳氫電池結構?意圖Ni-MH電池由正極、負極、隔膜、堿性電解液、不銹鋼殼蓋等組成。隔膜采?聚丙烯接枝，?于儲存電解液、導通離?并阻斷電池內(nèi)部正負電極間電?傳遞。詳細的鎳氫電池內(nèi)部結構及其功能?表11-3。表鎳氫電池結構部件及其功能按照電池尺?以及功率分類，鎳氫電池的型號通常有A、AA、AAA、AAAA、AAAAA、SC、D、F等（?圖11-4）。常?電池有AA型電池，俗稱5號電池，直徑約為13.9mm，容量為1200?1600mA·h，也有?容量AA型電池直徑做到14.1mm，容量可以達到2200mA·h。AAA型電池俗稱7號電池，10.5mm標稱直徑，容量為550?700mA·h。D型電池?名1號電池直徑32.1mm容量可以做45009000mA·h。湖南科霸汽?動?電池有限公司?產(chǎn)的混動?載鎳氫電池就是容量為6000mA·h的D型電池。圖鎳氫電池產(chǎn)品及其尺?鎳氫電池發(fā)展歷史鎳氫電池的發(fā)展史實際上是儲氫材料的發(fā)展史。1967年，?內(nèi)?Battelle研究中?對氫氧化鎳（NiOOH）電極的研究過程中發(fā)現(xiàn)，?種新型的功能材料在?定的溫度和壓?條件下可吸收和釋放?量的氫，這種材料也就是后來被?于鎳氫電池的負極材料。經(jīng)過科學家對儲氫材料的?次改進，穩(wěn)定的負極材料在1980年被開發(fā)出來，鎳氫電池才從實驗室?向實際應?。我國鎳氫電池起步不算晚，1983年南開?學就已經(jīng)開始鎳氫電池研究，1987年通過改進鎳氫電池?藝，采?發(fā)泡鎳，電池容量提升40%。1989年鎳氫電池研究列?國家計劃，1990年鎳氫電池進?商化?產(chǎn)。最早的鎳氫電池產(chǎn)品以圓形為主，單體容量?。1992年?東省中?市建?了國家?技術儲能材料?程開發(fā)中?和鎳氫電池中試?產(chǎn)基地，有效地推動了我國鎳氫電池產(chǎn)業(yè)化進程。到了90年代中期，鎳氫電池追求?容量、?功率的性能，以?形為代表的動?電池進?研發(fā)和?產(chǎn)。其中北京有??屬研究院先后運?了0.84kW·h（35A·h，24V）鎳氫電池驅動的電動三輪?，14.4kW·h（120A·h，120V）、24kW·h（200A·h，120V）鎳氫電池電動汽?，續(xù)航?程可以達225km，最?時速121km/h。此外，春蘭集團、天津電源研究所、沈陽三普、上海友申等單位研發(fā)的鎳氫電池產(chǎn)品也陸續(xù)在電動?領域?范運?。在20世紀90年代，鎳氫電池逐步取代鎳鎘電池的市場地位，普及地應?在?品消費電?，如各種電動?具、電動???、混合動?汽?（HEV）、磁懸浮列?、潛?艇、通信后備電源設施以及某些軍事裝置和醫(yī)療裝置等領域。進?新世紀后，能量密度更?的鋰離?電池技術逐漸成熟，鎳氫電池的市場逐漸被鋰離?取代，尤其體現(xiàn)在?品領域。根據(jù)全球銷量統(tǒng)計，鎳氫電池2000年的市場約12億美元，逐步下降?2003?2004年的7.5億美元。但是從2005年開始，鎳氫電池市場銷售額呈上升趨勢，2010年全球鎳氫電池銷售約10億美元，?2010?2014年鎳氫電池的銷售當量?幅下降，基本維持在10億美元的當量。這主要得益于?本開發(fā)的?質量、?功率鎳氫動?電池，并裝載在混合動?汽?上銷售，截?2014年9?底，?本豐?公司開發(fā)的普銳斯（Prius）油電混動汽?累積銷量達到700萬輛。但是在?品市場，鎳氫電池的空間近?年來?直被鋰離?電池擠壓。雖然我國鎳氫電池產(chǎn)量早已超過?本居世界?位，但都是集中在?品領域的?產(chǎn)。再加上油電混合系統(tǒng)集成??的核?技術缺乏，我國絕?多數(shù)企業(yè)在電動汽??向上已經(jīng)拋棄了鎳氫路線，真正在堅持鎳氫動?電池的只有湖南科?遠新能源股份有限公司。其在2011年收購?本湘南??并全盤引進、吸收鎳氫動?電池的先進?產(chǎn)技術，是?前國內(nèi)唯?能?產(chǎn)汽?鎳氫動?電池的?家，并且成為?本豐?混動汽?的戰(zhàn)略供應商之?。鎳氫電池的功率和能量應?范圍?品電池鎳氫電池在?品市場上由于受鋰電池的競爭，市場空間已剩下為數(shù)不多的領域，如?繩電話、電動?具等，配置的鎳氫電池容量?般為700?2000mA·h。隨著?機的普及，?繩電話這?應?領域也將慢慢被取代。電動?具保留少量應?鎳氫電池的，例如掃地機就是其中之?。美國的iRobot機器?吸塵器（?圖11-5）是由美國?省理?學院（MIT）的羅迪·布魯克斯教授的團隊發(fā)明的，這個家??具深受喜歡，2011年全球銷量就超過100萬臺，創(chuàng)造了機器?銷售神話。在iRobot機器中搭載了?個14.4V、4500mA·h的鎳氫電池包，由12個D型電池串聯(lián)?成。圖iRobot機器?吸塵器（a）及其搭載容量為4500mA·h的鎳氫電池（b）鎳氫電池的循環(huán)壽命與材料、電池?作環(huán)境溫度、SOC等因素有關。?般情況下，新購買的鎳氫電池只含有少量的電量，電池在購買后需要先進?充電再使?[11]。但如果電池出?時間?較短，電量很?，推薦先使?然后再充電。鎳氫電池的前?鎳鎘電池有?定的記憶效應，即如果電池每次只放出30%的電量，在?期使?后，鎳鎘電池剩余的70%電量將?法放出。這是因為傳統(tǒng)?藝中鎳鎘電池的負極為燒結式，鎘晶粒較粗，鎘晶粒容易聚集成塊?使電池放電時形成次級放電平臺。?電池會儲存這?放電平臺并在下次循環(huán)中將其作為放電的終點，盡管電池本?的容量可以使電池放電到更低的平臺上。在以后的放電過程中電池將只記得這?低容量。同樣在每?次使?中，任何?次不完全的放電都將加深這?效應，使電池的容量變得更低。鎳氫電池采?儲氫合?作為負極后基本上解決了記憶效應的問題。例如動?電池?的鎳氫電池，經(jīng)常在?幅度的充放電過程，這樣也要求鎳氫電池不能有記憶效應。但是鎳氫電池卻有?定的?放電象1213。研究發(fā)現(xiàn)，鎳氫電池的?放電與電極反應動?學、氧化還原穿梭機制、容量保留等因素相關。?般?品鎳氫電池在?期不?狀況下?放電為10%?15%，?載鎳氫電池???質量更?，另???使?也較頻繁，?放電較低。據(jù)測試，鎳氫電池保存的最佳條件是帶80%的電量，并且盡量不要對鎳氫電池進?過放電，過放會導致電池失效。動?電池動?電池由于受復雜?況影響，其性能指標在?能量、?功率、循環(huán)壽命、?作溫度、?倍率充放電等??要求較為苛刻[14]，同時對動?電池的管理系統(tǒng)也要求較?[15]。???因為充電的時候電池會發(fā)熱，正極材料在溫度較?的時候放電效率較低16，?法滿?動?輸出。例如，普通鎳氫電池在45℃溫度下充電效率約為80%，1C以上放電效率為85%。?溫下充電析氧副反應嚴重，內(nèi)壓增?會導致鎳氫電池迅速失效。因此，制備?性能耐?溫的電極材料是動?電池的基本要求。相?于鋰離?動?電池、氫燃料電池等其他新能源汽?動?電池體系（?表11-4），鎳氫動?電池在技術成熟度、產(chǎn)品穩(wěn)定性、安全性以及快速充放電能???，均具有突出的優(yōu)勢，主要特點有：表三種動?電池技術對?①相關應?情況參?同種電池EV：研發(fā)階段。①質量?功率??前商業(yè)化的鎳氫功率型電池能做到135W·h/kg。②循環(huán)次數(shù)多?前電動?的鎳氫動?電池80%放電深度（DOD）循環(huán)可達1000次以上，為鉛酸電池的3倍以上；某公司（?圖11-6）和?本PEVE公司模塊電池單元壽命達到1400?1600次，在混合動?汽?（hybridelectricvehicle，HEV）中可使?10年以上。圖某公司?產(chǎn)的鎳氫電池單體和L6模塊③?污染：不含鉛、鎘等對?體有害的?屬，為21世紀“綠?環(huán)保電源”。耐過充過放。?記憶效應。⑥使?溫度范圍寬：正常使?溫度范圍-30?55℃；貯存溫度范圍-40?70℃。安全、可靠：鎳氫動?電池在短路、擠壓、針刺、安全閥?作能?、跌落、加熱、耐振動等安全性、可靠性試驗中?爆炸、象。磷酸鐵鋰電池是?前安全性最?的鋰系電池，但其安全性仍于鎳氫電池，其滿??載?安全?可靠性的要求需要?很?的路。氫動?電池的以上特點表明其特別適合?作混合電動汽?的動?電池。2009年6?25??信部發(fā)布的《新能源汽??產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品準?管理規(guī)則》中對各種新能源汽?所處的技術階段進?了明確劃分。具體情況為：①氫燃料電池汽?被劃分為起步期，即指“技術原理的實現(xiàn)路徑尚處于前期研究階段，缺乏國家和?業(yè)有關標準，尚未具備產(chǎn)業(yè)化條件的產(chǎn)品”。并且規(guī)定“起步期產(chǎn)品只能進??批量?產(chǎn)，且只在批準的區(qū)域、范圍、期限和條件下進??范運?，并對全部產(chǎn)品的運?狀態(tài)進?實時監(jiān)控”。②鋰離?電池乘??被劃分為技術發(fā)展期，即指“技術原理的實現(xiàn)路徑基本明確，國家和?業(yè)標準尚未完善，初步具備產(chǎn)業(yè)化條件的產(chǎn)品”，并且規(guī)定“發(fā)展期產(chǎn)品允許進?批量?產(chǎn)，只能在批準的區(qū)域、范圍、期限和條件下銷售、使?，并?少對20%的銷售產(chǎn)品的運?狀態(tài)進?實時監(jiān)控”。?以鎳氫汽?動?電池作為儲能設備的混合動?乘??則被劃分為技術成熟期，即指“技術原理的實現(xiàn)路徑清晰，產(chǎn)品技術和?產(chǎn)技術成熟，國家和?業(yè)標準基本完備，可以進?產(chǎn)業(yè)化階段的產(chǎn)品”，并且規(guī)定“成熟期產(chǎn)品與常規(guī)汽?產(chǎn)品的《?輛?產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品公告》管理?式相同，在銷售、使?上與常規(guī)汽?產(chǎn)品相同”。相?之下，鎳氫動?電池是??汽?動?電池體系中最為成熟，綜合性能最佳的?種，據(jù)?本野村綜合研究所分析，由于鎳氫電池技術相對成熟，近年內(nèi)HEV所?電池將以鎳氫電池為主，占95%以上，未來五年，鎳氫電池仍然是HEV動?電池市場的主流。鎳氫電池未來在電動汽?領域發(fā)展的?向主要包括：①需要進?步完善鎳氫電池技術及BMS技術，延?使?壽命，降低單位電耗成本。②鎳氫電池回收再利?體系的建成，對鎳氫電池中有價值的材料進?回收再利?，可以降低汽?電池使?成本。③尋求對?能量要求不苛刻的新興市場，鎳氫電池的優(yōu)勢在?倍率充放電能?以及使?的安全性。智能電?據(jù)我國?信部報2015年我國智能電?總儲能設備可達到1.3×108kW，按儲能電池占到總儲能設備?重的2%?2.5%計算，2015年我國儲能電池總容量可到315×104kW·h，估計未來?年儲能電池的年均市場規(guī)?？梢赃_到45?60億元。代號為“堅強電?”的中國智能電?每年投?2000億元我國智能電?建設分三個階段。第?階段（2009?2010年）：規(guī)劃試點階段，重點開展堅強智能電?發(fā)展規(guī)劃?作，制定技術和管理標準，開展關鍵技術研發(fā)和設備研制，開展各環(huán)節(jié)的試點?作。第?階段（2011?2015年）：全?建設階段，特?壓電?和城鄉(xiāng)配電?建設，初步形成智能電?運?控制和互動服務體系，關鍵技術和裝備實現(xiàn)重?突破和?泛應?。第三階段（2016?2020年）：引領提升階段，全?建成統(tǒng)?的堅強智能電?，技術和裝備全?達到國際先進?平。屆時，電?優(yōu)化設置資源能??幅提升，清潔能源裝機?例??提?，分布式電源實現(xiàn)即插即?，智能電表普及應?。?前應?在智能電?的儲能蓄電池主要有鉛酸電池、鋰離?電池、鈉硫電池、全釩液流電池、鎳鎘電池、鎳氫電池。其中鎳鎘已經(jīng)被鎳氫電池取代，鉛酸電池的歷史最悠久、技術成熟、成本低但是由于對環(huán)境有污染的負?影響，在歐洲的發(fā)達國家已經(jīng)明確將步淘汰鉛酸電池，?采?更加環(huán)保的其他新能源技術。鋰離?電池在?規(guī)模集成技術上還未成熟，?容量的儲能應?主要還在?范運?中。鈉流電池和全釩液流電池這兩種新興技術被市場看好，正在?速發(fā)展的過程中。表11-5對?了蓄電池應?于智能電?領域的技術參數(shù)。表各種?于智能電?儲能電池?較[17]使?鎳氫電池做智能電?儲能系統(tǒng)的案例有春蘭清潔能源研究院有限公司承擔的國家“??五”863計劃——《?功率鎳氫電池系統(tǒng)開發(fā)研究》項?開發(fā)，2010年與上海電?公司合作開發(fā)的100kW儲能系統(tǒng)，并在上海世博會上展?[18，19]。2012年12?，由湖南科?遠新能源股份有限公司麾下的先進儲能材料國家?程研究中?有限公司?主研發(fā)了中國?套微?分布式新源儲能節(jié)能系統(tǒng)（?圖11-7），采?全球最先進的?本松下湘南??（2011年被科?遠成功收購）???能動?鎳氫電池技術，不間斷運?滿兩?后電池的?致率達到99.89%，功率最?可達5MW，使?壽命8年，安全性能?、穩(wěn)定性能強、使?壽命?、放電功率?及可循環(huán)利?、?污染。圖微?分布式新能源儲能系統(tǒng)?程結構圖鎳氫電池應?現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)鏈及環(huán)境問題市場根據(jù)全球統(tǒng)計的電池銷量[20]，鎳氫電池銷售額從2000年開始到2015年沒有明顯的增?，鎳氫電池產(chǎn)能近年來趨于穩(wěn)定，基本維持在10億只左右，并預測其2020年銷售額會進?步萎縮[圖11-8（a）]。市場萎縮的主要原因是??市場被鋰電池替代，?且低廉的鉛酸電池帶來了強勁的市場增?。?載電池是鎳氫電池市場保有量最重要的點，其市場規(guī)模占據(jù)了鎳氫電池56%的銷量。在??市場上，鎳氫電池在玩具、家?電器、?繩電話、儀器儀表等應?上仍具有?定的優(yōu)勢[圖11-8（b）]。這是由于鎳氫電池的低溫性能優(yōu)于鋰電，且鎳氫電池適合于?倍率的放電。圖鎳氫電池全球銷量統(tǒng)計（a）及鎳氫電池應?領域市場情況（b）我國鎳?屬資源和稀?資源豐富，全球鎳氫電池70%以上在中國?產(chǎn)。世界許多著名公司都紛紛將?產(chǎn)基地轉向中國，?本松下電池公司、?本三洋電池公司、?本湯淺電池公司先后在?錫、蘇州、津建?；世界上最?的鈷供應商?利時五礦公司、最?的鎳供應商拿?英可公司等也先后在中國投資設?，中國已成為全球先進電池材料?產(chǎn)中?。根據(jù)全國化學與物理電源?業(yè)協(xié)會2013年公布的中國電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展數(shù)據(jù)顯?，我國2006年?產(chǎn)鎳氫電池近12億只，2009年微增?到峰值近13億只。但是2009年之后整個鎳氫電池?業(yè)增?乏?，產(chǎn)量緩慢下降（表11-6）。主要的原因是???原材料價格不斷攀升，另???鋰離?電池在??市場各??爭奪鎳氫電池的場導致產(chǎn)量萎縮[21]。鎳氫電池在未來?年的??市場上前景堪憂，其??市場的份額會被鋰電進?步蠶?，鎳氫電池企業(yè)?臨進?步轉型的壓?。表2006?2012年我國主要電池產(chǎn)品產(chǎn)量單位：億只據(jù)?業(yè)??調查22，2011年國內(nèi)具有?定規(guī)模的鎳氫電池?產(chǎn)企業(yè)為194家，其中?東144家、河南14家、上海6家、湖南3家等。整體上看，全國194家企業(yè)中員??數(shù)3000以上的只有10家，占5%，如超霸、豪鵬、?亞迪、科?遠等；?員總數(shù)1000?以上3000?以下企業(yè)41家，占21%；?員1000?以下，200?以上有80家，占40%；200?以下68家，占35%。由此可?，多數(shù)企業(yè)為?企業(yè)，?產(chǎn)?藝落后，產(chǎn)品質量?法保證，資??量薄弱，抗?險能?差。近年來，隨著鋰離?電池的興起，鎳氫電池市場份額逐步被擠壓，鎳氫電池?產(chǎn)企業(yè)由于多為?營企業(yè)，資?實?與技術研發(fā)能?薄弱，很容易就被市場淘汰。以混合動?汽??鎳氫電池為例，10年前國內(nèi)尚有春蘭集團、中炬集團、科?遠集團等?批國內(nèi)上市企業(yè)從事該?業(yè)，但?前僅有科?遠集團仍在堅守。鎳氫電池?產(chǎn)企業(yè)逐步實現(xiàn)優(yōu)勝劣汰，呈現(xiàn)集團化、趨勢化、多元化、全產(chǎn)業(yè)鏈形式發(fā)展。如?亞迪建?了鎳氫電池、鋰離?電池、純電動汽?等多元化電池帝國；如科?遠，參股湖南稀?集團，組建湖南科霸汽?動?電池有限責任公司，合資成?科?美等公司，拉通了鎳氫電池全產(chǎn)業(yè)鏈。鎳氫電池回收中國是世界上最?的電池?產(chǎn)?國，中國電池產(chǎn)品在全球的市場份額中，鎳鎘電池占全球產(chǎn)量的55%，鎳氫電池占全球產(chǎn)量的60%，鋰離?電池占到30%。中國更是廢舊的?次電池產(chǎn)??國，據(jù)估計，?型電池企業(yè)的廢品率?般在1%?3%、極??產(chǎn)過程中的廢棄邊?料占1%?2%，??型電池企業(yè)的殘次品率更?。鎳氫電池的平均壽命在3年左右，每1億只鎳氫電池要耗費約2000t的電極活性材料，回收利?鎳氫電池中的?量Ni、Co及稀?等有價?屬，對?屬資源的有效利?及進?步降低電池的?產(chǎn)成本均有?常重要的價值。??前國內(nèi)廢舊電池的整體回收?例不到2%，絕?多數(shù)??電池都沒有進?回收處理，廢舊電池被使?者當作?活垃圾丟棄，對環(huán)境造成很?污染。由于鎳、鈷?屬價格很?，很多具有較?回收價值的電池（鎳氫、鎳鎘、鋰電池等）被私?商販獲得后，都在??的?作坊內(nèi)進?簡單的回收處理或者?價賣給?型電池回收??。?型??、?作坊回收的產(chǎn)品?般都為粗制硫酸鎳，很難作為電鍍或電池材料使?，同時它們基本沒有很好的污?處理設施，容易對環(huán)境造成?次污染。部分國內(nèi)?型的電池企業(yè)建有??相關聯(lián)的回收??，進?專?的電池和電池材料回收。?具有正規(guī)資質的回收企業(yè)的收購價格通常?沒有回收資質的?型回收??、?作坊的回收價格低，這是因為企業(yè)在污?處理??投?較?。但國內(nèi)外很多?型電池企業(yè)仍然選擇將廢舊電池、電池邊?料等廢舊資源銷售給具有處理資質的正規(guī)回收企業(yè)，不會隨意銷售給?作坊與?型??。?型正規(guī)回收企業(yè)?般都會?產(chǎn)附加值較?的電池級硫酸鎳、氯化鈷或者對其進?步加?成超細鎳粉、鈷粉、覆鈷球鎳等附加值較?的產(chǎn)品。廢舊鎳、鈷資源的收購價格?般根據(jù)廢舊資源中的鎳含量進?折算計價，其他可回收物質都不會作為計價依據(jù)。?前與電池?業(yè)相關的廢舊鎳、鈷資源存在形式主要有廢舊電池、正負極邊?料、廢鎳泥渣，可回收的?屬主要有鎳、鈷、稀?、銅等貴重?屬，其含量分布如表11-7所?，各種資源的收購價格?般為“價格系數(shù)×鎳含量×當前?屬鎳價”。表鎳氫電池相關的廢舊鎳鈷資源情況回收技術分析鎳氫電池的正極及電池結構與鎘鎳電池相同，因此?前鎳氫電池處理技術在很?程度上是繼承或借鑒了鎳鎘電池的處理?法。但是與鎳鎘電池中成分?較單?的負極材料相?，鎳氫電池的儲氫合?電極材料通常含有多種?屬元素（如Ni、Co、La、Ce、Mn、Fe、Zr、Ti等），因此應根據(jù)鎳氫電池的特殊性并考慮廢舊電池材料再?冶?過程的技術可?性及經(jīng)濟性進?處理?，F(xiàn)針對不同的回收?標、不同的電極材料等提出?種廢舊鎳氫電池材料的回收處理?法。?前國內(nèi)外對廢舊鎳氫電池處理?法主要有?法冶?回收[23]、濕法冶?回收、正負極分開回收、電池再?利?等技術。?法冶?技術?法回收是以?產(chǎn)鎳鐵合?為?標的廢電池處理?法。主要利?廢舊鎳氫電池中各元素的沸點差異進?分離、熔煉。具體步驟為：先將廢舊鎳氫電池破碎，解體，洗滌，以除去KOH電解液。重?分選出有機廢物，再放?焙燒爐中在600?800℃下焙燒，從排出的煙?廢渣中分離和提純不同的?屬。可獲得含鎳質量分數(shù)為50%?55%，含鐵質量分數(shù)為30%?35%的鎳鐵合?。該?藝?法流程簡單、物料通過量?、對所處理的儲氫合?類型沒有限制、適合處理較復雜的電池，可直接利?現(xiàn)有的處理廢舊鎘鎳電池的設備。但?法回收的產(chǎn)品是Ni-Fe合?，并未實現(xiàn)鎳的分離回收，利?此?藝?法得到的合?價值低，貴重?屬鈷也未被回收，?稀?元素成分也進?了爐渣，資源浪費較?。TobiasMuller等[24]研究了?種?法回收廢舊鎳氫電池的新?藝，該?藝將經(jīng)過分解和前處理的廢舊Ni-MH電池在直流電弧熔爐中熔化，然后?產(chǎn)鎳鈷合?。對爐渣體系選擇的分析研究表明，在實驗室和產(chǎn)業(yè)規(guī)模下，采?CaO體系，鎳和鈷?乎100%集中到?屬相中，?稀??屬則集中在渣相中。濕法冶?技術同?法冶?處理技術相?，濕法冶?處理技術具有可將各種?屬元素單獨回收且回收率?的優(yōu)點，但濕法冶?處理?藝?較復雜，?般先將廢舊鎳氫電池進?機械粉碎、去堿液、磁?與重?分離?法處理后，將含鐵物質分離出來；然后酸浸、溶解全部電極敷料，過濾除去不溶物（黏結劑和導電劑?墨等），再加?相應的藥劑，調節(jié)溶液pH值，使稀?元素、鐵、錳、鋁等?屬元素以沉淀的形式分離出來，得到鎳、鈷元素含量較?的浸出溶液。濕法冶?處理中研究的重點和難點是浸出條件的優(yōu)選和鎳、鈷元素的分離。濕法回收技術具有投資?、能耗低、污染?、產(chǎn)品附加值?的特點，適合于?型??進舊電池的回收。曾?祥等[25]研究了采?剝離電池鐵殼，粉碎電極芯，電極材料酸浸，化學除雜，鎳、鈷?屬分離?法分別得到了含鎳、鈷的溶液，然后分別加?相應化學試劑再濃縮結晶得到了純度較?的、可作為?業(yè)產(chǎn)品的硫酸鎳和醋酸鈷晶體。正負極分開回收技術未來?年混合動?汽??電池所占的?例會逐漸增加，?型廢舊鎳氫電池中正負極板、隔膜等構件?較容易分離，因此正負極材料分開處理的技術?然引起?們?泛的關注。將鎳氫電池正負極進?分離后，對正負極材料分別處理。研究證明，電池回收?藝以正負極分開技術回收的投資最少、效益最?且處理?藝較為簡單。①正極材料回收。對于正極材料的活性物質，先將其浸在硫酸溶液中，因為于硫酸體系中浸出的鎳、鈷可?于電池?產(chǎn)。廖華等[26]依據(jù)正交實驗得出浸出的最佳條件：氧化劑的加?量為0.38mL/g正極材料，浸出時間60min，浸出溫度80℃，硫酸初始濃度為3.0mol/L。然后根據(jù)鎳、鈷兩者電極電位不同，即2價鈷較鎳容易被氧化成為3價，并迅速?解形成Co（OH）3沉淀，因其溶度積常數(shù)（Ksp=1.6×10-44）很?，在較低的pH值及恰當?shù)难趸瘎┳?下即可產(chǎn)?Co（OH）3沉淀，?鎳不發(fā)?這樣的反應?？刂企w系的pH值為3，在回流下加?硫酸銨氧化鈷，從?將鎳鈷分離，回收得到的碳酸鎳和硫酸鈷產(chǎn)品的純度都在99.0%，兩者的回收率都超過98%[27]。②負極材料回收。負極材料可以采?濕法冶?技術有效回收其中的鎳、鈷等稀??屬。林才順等[28]通過預處理后對負極材料進?酸浸取。實驗證明，按1.67∶0.13∶7.50?例配制?業(yè)濃硫酸、濃硝酸和去離??在80℃浸出廢舊儲氫合?負極材料最好。稀?硫酸鹽易溶于硫酸鈉使之形成稀?硫酸復鹽沉淀分離。以?錳酸鉀為氧化劑、?業(yè)稀堿為中和劑分離鐵、錳、鋁。剩下含鈷的硫酸鎳溶液直接制備含鈷型Ni（OH）2。王榮等[29]將收集的儲氫合?廢料經(jīng)過?定預處理，除去廢料中的有害雜質，同時添加?定的有價?屬，然后進?真空熔煉，直接得到鎳氫電池制造所需的合格儲氫合?。此?產(chǎn)?藝?法簡單，安全可靠，?污染，?且合?元素回收利?率?、成本低；但是這種儲氫合?廢料回收對原料的要求?，得到的產(chǎn)品質量不穩(wěn)定，產(chǎn)品雜質含量?，產(chǎn)品性能與原合?性能仍有?定的差異，故?這種回收?法受到?定的限制。③失效鎳氫電池直接再?技術。鎳氫電池濕法冶?回收采?的機械破碎和酸浸取逐?分離各物質等??，?藝過程復雜，且難以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化[30]。?本通過深?系統(tǒng)地研究電池的失效機理，開發(fā)出鎳氫電池直接再?技術，采?含鎳等離?的濃硫酸清潔電池內(nèi)部，保持?定溫度并對電池充電，以恢復正負極的容量以及隔膜的親?性，從?實現(xiàn)對鎳氫電池的再?。如?本豐????株式會社利?包含鎳離?或鈷離?的濃硫酸注?鎳氫電池，加熱到60℃保持1h使得負極表?的氫氧化物徹底清除，恢復負電極容量。在充電?向充電流，提?負極反應活性。將濃硫酸排?，補充新的堿性電解質，恢復正極容量，獲得再?的電池[31]。鎳氫電池相關新技術的發(fā)展正極材料鎳氫動?電池正極材料活性物質為?密度球型氫氧化鎳Ni（OH）顆粒32，品種有覆鈷型氫氧化鎳，也有組分調整型氫氧化鎳，還有外摻型普通氫氧化鎳。制備?容量、?活性的Ni（OH）2是國內(nèi)外研究鎳氫電池正極材料的熱點。研究的重點在于控制氫氧化鎳的形貌[33]、化學組成[34]、粒度分布[35]、結構[36]。?業(yè)上的氫氧化鎳是通過連續(xù)?產(chǎn)?藝，硫酸鎳經(jīng)由氨配位絡合，共沉淀析出的粉末，均粒度??為6?15μm。該粉末通過摻雜鋅（Zn）和鈷（Co）固溶于氫氧化鎳中?以抑制導致正極顯著膨脹的γ-NiOOH的?成37，以及抑制充電時正極因過充產(chǎn)?氧?，從?進?改進，提?充放電效等。鎳氫電池正極材料活性物質依據(jù)傳統(tǒng)晶體學理論存在四種基本晶型結構，即α-Ni（OH）2、β-Ni（OH）2、β-NiOOH和γ-NiOOH。們之間的相互轉化反應通常表?如下（括號內(nèi)為理論密度）：鎳電極在正常充放電情況下，正極活性物質在β-Ni（OH）2與β-NiOOH之間轉變，過充時，?成γ-NiOOH，γ-NiOOH在放電時轉變?yōu)棣?Ni（OH）2，α-Ni（OH）2在堿液中陳化時可轉變?yōu)棣?Ni（OH）2。氫氧化鎳粉末在?次電池活性物質中屬于半導體，本體導電性能較差，為確保導電功能，?般在正極活性物質中需添加碳粉、?屬粉末[38]或?屬氧化物等導電材料，?前主流?式是添加鈷氧化物或鈷氫氧化物等鈷化合物[39]，通過在充電過程中?成?次鈷化合物，填充在正極活性物質之間，形成導電性?絡，從?實現(xiàn)正常充放電。添加鈷化合物與氫氧化鎳粉末進?機械混合的均勻程度有限，在??電池領域應?尚可，但在?端動?電池領域上的應?就不能盡如?意。為此研究者提出了在以氫氧化鎳為主成分的內(nèi)核粒?的表?均勻包覆形成氫氧化鈷層的活性物質，填充有該活性物質粉末的正極裝配成鎳氫電池后，通過充電將正極活性物質表?包覆層的氫氧化鈷氧化，?成?次鈷化合物β-CoOOH，從?形成優(yōu)良的導電?絡[40，41]。該?法雖能極?地改善導電?絡的均勻覆蓋性，但氫氧化鈷在氧化成?次鈷化合物的同時，需消耗在負極上對等的活性物質，且該應是不可逆的，這便導致負極上放電儲備?成量增?、放電容量減?。此外，β-CoOOH穩(wěn)定性不?[42]，在?期的充放電過程中和與電解液?期接觸過程中，有可能被還原。為改善該情況，研究者提出預先在氫氧化鎳為主成分的內(nèi)核粒?的表?均勻包覆形成氫氧化鈷層，再在堿性?溶液中，通過氧化劑將氫氧化鈷層氧化，即在組裝成電池以前，將表層氫氧化鈷氧化成更加穩(wěn)定的具有優(yōu)良導電性能的更?次鈷化合物γ-CoOOH。該鈷化合物因提前被氧化，因此之前通過充電過充?成的β-CoOOH所對應的負極放電儲備即可??削減。該改性即?前?端鎳氫動?電池所?到的正極材料覆鈷氫氧化鎳，簡稱覆鈷球鎳。在覆鈷球鎳的基礎上，將內(nèi)核的氫氧化鎳的?部分鎳氧化成?次鎳化物，可以進?步降低在充放電過程中負極放電儲備的?成量。對鎳氫電池正極活性物質的其他改性?法，研究者還提出在活性物質中添加堿?屬離?的?法，如添加鋰離?。堿?屬離?的添加能防?內(nèi)核氫氧化鎳和包覆層?次鈷化合物的剝離，能夠抑制過放電時電池容量的降低，同時當鋰離?進?氫氧化鎳晶格中?使晶格缺陷增加后，電?的移動得到促進，導電性提?，活性物質利?率提?。上述提及的氫氧化鎳顆粒均為β-Ni（OH）2，為?前市?上主流的球形氫氧化鎳。未來氫氧化鎳的發(fā)展?向有可能朝著α-Ni（OH）2的研究?向進?。α-Ni（OH）2?β-Ni（OH）2的克容量提升1.5倍左右，且能從機理上杜絕過充帶來的危害，如電池膨脹、容量下降等。但α-Ni（OH）2?前仍存在振實密度較低、粒度偏?等問題，使得單位體積內(nèi)正極活性物質填充量有限，從?限制了其市場應?。負極材料鎳氫電池負極材料通常采?儲氫合?，傳統(tǒng)單?的儲氫合?已經(jīng)很難滿?市場對?性能電池的需求[43，44]。為了提?鎳氫電池負極儲氫材料的綜合性能，?們通常采?機械合?化[45]或粉末燒結等?法將某些合?進?復合，使各種合?的優(yōu)良性能在復合處理過程中產(chǎn)?協(xié)同效應，從?制備出各種綜合性能更加優(yōu)良的復合儲氫合?負極材料。復合儲氫合?是由2種或2種以上儲氫合?或?屬間化合物通過適當?shù)闹苽?法合成的?類新型儲氫合?，常?的復合儲氫合?及其儲氫性能?表11-8。表常?儲氫合?及其儲氫性能?較[46]對于衡量儲氫合?的性能，吸氫量是?個重要考核指標。美國能源部（DoE）提出，?載使?固體儲氫的?標是5%[47]，從表11-8中可以看出，只有鎂基儲氫合?有可能達成?標。除了這個數(shù)據(jù)外，分解壓和分解溫度也是重要的指標，鎂基儲氫合?雖然儲氫量較?，但是釋放氫?的溫度較?，不利于市場推?。滯后系數(shù)表?的是釋放氫?的平衡壓?與吸收氫?的平衡壓??值，這個值越?表明兩個壓?越接近。下?將分別對?種儲氫合?進?分類描述：稀?系儲氫合?稀?系儲氫合?以LaNi5為典型代表，該合?具有CaCu5型六?結構，在室溫下有良好的氫吸收（解吸）性能，平臺壓?適中且平坦、吸/放氫平衡壓差（磁滯）?，動?學性能優(yōu)良、易于活化且不易中毒。在25℃及0.2MPa壓?下，該合?儲氫量約為1.4%（質量分數(shù)，下同），分解熱為30kJ/mol，在常規(guī)條件下即可實現(xiàn)對氫的存儲。同時，該合?還具有吸/放氫純度?（99.9%以上）的特點，因此亦可作為制備?純度氫?的?種途徑。?前主要采?Mm（Mm為混合稀?，主要成分為La、Ce、Pr、Nd等）取代部分元素La來提?合?的抗粉化、抗氧化性能，降低合?的成本。同時也可通過對B側（Ni、Co、Mn、Al）的化學組成優(yōu)化來降低合?的平衡氫壓。針對普通??電池的低成本合?需求，?前主要采??Pr、Nd，低鈷甚??鈷配?來降低成本，?些合??銅、鐵的部分取代鈷元素來實現(xiàn)低成本化。針對??鎳氫電池的性能需求，?前除化學成分優(yōu)化外，主要通過熔煉急冷控制合?內(nèi)部晶體結構、減少成分及結構偏析，后期采?表?處理等?藝來控制合?表?微觀形貌進?提?合?的催化及耐腐蝕性能。稀?儲氫合?是市場上?較成熟的產(chǎn)品，產(chǎn)品中三分之?是稀?元素（La、Ce、Pr和Nd），稀?元素由于儲量和?途不同，價格差別很?，其中Pr和Nd的價格較?，是La、Ce合?價格的3?6倍。因此，稀?儲氫合?發(fā)展的趨勢就是既要將Pr和Nd去掉，?要保持儲氫合?的性能。內(nèi)蒙古稀奧科儲氫合?有限公司就開發(fā)了?Pr、Nd產(chǎn)品[48]，成本下降10%?20%，各項電化學性能不差于傳統(tǒng)的含Pr、Nd產(chǎn)品。對稀?系儲氫合?的研究開發(fā)，今后應著重于調整和優(yōu)化合?吸氫A側、不吸氫B側的化學組成，并進?步優(yōu)化合?的組織結構及微觀表?形貌，進?改善合?的綜合性能[49]。鎂系儲氫合?鎂系合?的典型代表是Mg2Ni[50，51]。鎂系合?具有成本低（即資源豐富、價格低廉）、重量輕（密度僅為1.74g/cm3）、儲氫量?（儲氫合?中儲氫能?最?，如MgH2儲氫量達7.6%，?Mg2NiH4的儲氫量也可達3.6%）的特點。因此，鎂系合?被認為是最具潛?的合?材料，但由于Mg表?容易氧化?產(chǎn)氧化膜，導致Mg吸放氫的件較為苛刻。該合?的放氫溫度?（?般為250?300℃），放氫動?學性能以及抗腐蝕性能均較差，?前主要通過熱處理、表?處理來進?步改善動?學性能和提?循環(huán)壽命[5]。鈦系儲氫合?鈦系合?的典型代表是TiFe。鈦系合?具有儲氫性能好（儲氫量為1.8%?4%）、放氫溫度低（可在-30℃時放氫）、成本較低等優(yōu)點，但缺點是不易活化、易中毒（H2O、O2）、氫化物不穩(wěn)定、磁滯較?。?前主要采?Ni等?屬部分取代Fe，進?形成多元合?以實現(xiàn)常溫下的活化，同時結合表?處理來使其具備更?的實?價值。釩基固溶體型儲氫合?釩基固溶體型合?具有儲氫量?（儲氫量為3.8%）、活化容易、氫在氫化物中的擴散速度較快等優(yōu)點，已經(jīng)在氫的儲存、凈化、壓縮以及氫的同位素分離等領域進?了實際應?，但缺點是合?在電化學條件下活性低，循環(huán)容量衰減速度較快且成本較?。因此對于釩基固溶體型儲氫合?的研究開發(fā)，優(yōu)化合?成分與結構、合?的制備技術以及合?表?改性技術，將是進?步提?合?性能的主要研究?向。鋯系儲氫合?鋯系儲氫合?主要有Zr-V、Zr-Cr、Zr-Mn，典型代表是ZrMn2。該合?具有Laves相結構、吸/放氫量?（ZrMn2的理論容量可達482mA·h/g）、循環(huán)壽命?、易于活化、沒有滯后效應等優(yōu)點，但同時存在初期活化困難、氫化物?成熱較?、?倍率放電性能較差以及合?的原材料價格相對偏?等問題。為改善其綜合性能，?前主要通添加Ni、Mn、Cr、V等元素使得合?的相結構由ZrMn2的純C14相結構部分轉變?yōu)镃15，同時合?中出現(xiàn)?系列的Zr-Ni相。對于鋯系合?的研究開發(fā)，?前最常?的?段依然是進?步調整和優(yōu)化合?的化學組成以及優(yōu)化合?的組織結構、改善合?的表?形貌。動?電池國外鎳氫動?電池進展國外研制HEV??功率鎳氫電池的公司主要有松下電動汽?能源有限公司（PEVE）、?本三洋電機株式會社、美國的Cobasys公司、德國的Varta公司和法國的Saft公司等。主要的電池供應商是三洋電機株式會社和松下電動汽?能源有限公司（PEVE）。松下電動汽?能源有限公司（PEVE）：為實現(xiàn)混合動??的產(chǎn)量達到全球汽?總產(chǎn)量?分之?的?標，豐?汽?公司攜?松下電器公司?幅增產(chǎn)?于混合動??等環(huán)保?型的?載鎳氫電池。豐?與松下共同出資的電池?產(chǎn)企業(yè)“PrimearthEV能源”（簡稱PEVE）將新建?家?產(chǎn)主流鎳氫電池的??，投資規(guī)模約2億美元，在2011年建成投產(chǎn)，每年可?產(chǎn)約50萬塊?載電池，電池模塊規(guī)格仍然為6.5?8A·h模塊電池，?前采?松下電池的商業(yè)化混合動?汽?有：豐?全系列的Prius、Alphard、Estima、Lexus、Camry及highland等系列本?的Civic、Insight等。鑒于該公司所裝配電池的汽?的銷量巨?，該公司的?載電池系統(tǒng)?前是最成熟的。松下EV電池公司早在1997年就開始?產(chǎn)HEV?的圓形6.5A·h的鎳氫電池組，其質量?功率600W/kg。早期的“Prius”、現(xiàn)在的insight、Civic采?的就是這種型號的電池。2004年，松下EV電池公司報道其新推出的HEV?6.5A·h?形鎳氫模塊放電功率?達1200W/kg，據(jù)稱其負極采?AB5型儲氫合?，正極活性物質因含有添加劑?有很好的?溫充電接受能?，采?聚丙烯隔膜并作疏?處理，電池組內(nèi)單體電池之間采?新的內(nèi)連接結構，可降低內(nèi)阻、提??功率。三洋電機株式會社是第?家實現(xiàn)HEV商品化?產(chǎn)的公司。該公司2006年開始與德國?眾集團攜?開發(fā)新?代鎳氫電池系統(tǒng)。其圓柱形5.5A·h的鎳氫電池組，質量?功率為1000W/kg。2001年為Escape配備，后來為本?Accord采?。?前本?和福特兩家汽??商均使?了由三洋電機提供的7.2V/6.5A·h鎳氫電池。美國的Cobasys公司的電池技術源于世界著名的鎳氫電池研究單位Ovonic公司。Cobasys是ChevronThecnology美國第??能源公司）和ECD（EnergyConversionDevices）的合資公司。ECD全資控股Ovonic，Ovonic擁有很多關于鎳氫電池??的專利，全世界?產(chǎn)鎳氫電池的企業(yè)須得到它的許可才能?產(chǎn)銷售。Cobasys專?為混合動?汽?開發(fā)8.8A·h電池模塊。?前采?該電池的有通?、福特等公司。德國的Varta是美國江森?控（JohnsonControlsInc.，JCI）控股的企業(yè)，江森?控是世界上最?的汽?電池制造商之?。該公司為混合動???鎳氫電池開發(fā)的主要產(chǎn)品有圓形模塊5.5A·h、8A·h、12A·h；?形模塊7A·h、25A·h。其中?形模塊優(yōu)于市場上同類產(chǎn)品：內(nèi)阻低、質量?功率?（1200W/kg）、質量?能量?、低溫性能好。其產(chǎn)品已經(jīng)在奇瑞A5、上海通?君越等汽?上使?。法國Saft公司的4/5SF型（Φ41mm×93mm）?功率鎳氫電池容量為14A·h，?能量為47W·h/kg，80%充電態(tài)對應的?功率為900W/kg，體積?功率達2500W/L，使?溫度在10?45℃。另外，?本的蓄電池公司、古河電池公司、東北電?公司、湯淺公司及韓國現(xiàn)代汽?公司等都在進?積極開發(fā)。?前，國際上最先進的電池單元是由松下電動汽?能源公司設計制造的，制造?法不再是先做單體電池，?是電池模塊單元，?汽?公司全系列混合電動汽?均采?了這種先進的模塊電池單元為其成為全球最?電動汽??商奠定基礎，正是基于這種新型的技術，使豐?公司成為電動汽?的全球霸主。這種集成性的電池??提?了電池組的實際使?性能，原因還在于這種設計技術了采??度?動化的制造?法相配合，在可靠性及實現(xiàn)較低缺陷率??，?幅度提?了汽?固有的?可靠性的要求。國內(nèi)鎳氫動?電池發(fā)展情況我國也有很多科研單位?直從事HEV?鎳氫電池的研究，例如，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所?期從事鎳氫電池及相關材料的研究和開發(fā)，北京有?總院、中?中炬森萊電池公司、湖南神?科技、春蘭研究院、鞍?三普等單位均從不同?度做過?量積極有益的?作，取得了很?的進展。例如，在混合電動客???，北京有?院是與?客??的燃料電池（電-電混合）進?配套，湖南神?科技和春蘭研究院針對混?巴（油-電混合）進?配套，容量從45A·h到80A·h。湖南神?科技是國內(nèi)技術較早進?動?電池領域的?家其研制的?功率40A·hNi/MH電池的連續(xù)充電電流可達4C，連續(xù)放電電流可達8C；單組電池裝?運?已累計超過10萬公?。春蘭研究院在2002?2005年研制了27?80A·h的HEV?鎳氫電池，?功率在200?620W/kg。春蘭電池25A·h以上電池在國內(nèi)較為成功，使?在國內(nèi)多家HEV客?上，其中30A·h電池使?在?春?汽，40A·h使?在東?電動?HEV?巴?上，其主要?標放在客???容量電池??。在混合電動轎???，神?科技8A·h的鎳氫電池主要與轎?配套，?能量為45W·h/kg，?功率為800W/kg，電池級指標為144V/6A·h電池，?安汽?2008年完成了100套CV11電池系統(tǒng)的采購，并且額外追加了20套電池。2008年北京奧運會?安公司所提供的22臺?上有21臺采?的是神?公司的電池系統(tǒng)。在國內(nèi)HEV鎳氫動?電池領域，湖南科?遠新能源股份有限公司?在領先地位。根據(jù)2014年2?富?經(jīng)濟報告，HEV??電池組（包括鎳氫和鋰離?電池）全球市場份額前三名為?本PEVE公司（?圖11-9）、?本松下（三洋）公司和湖南科?遠新能源股份有限公司，分別占到67%、20%、4%的市場份額。其?公司湖南科霸汽?動?電池有限責任公司結合?本湘南??的?動化電池?產(chǎn)制造技術，引進了先進的鎳氫汽?動?電池?藝及?藝流程設計智能化開發(fā)系統(tǒng)，并且在其基礎上不斷優(yōu)化和突破，年?產(chǎn)能?達到9萬套動?電池包，其性能已經(jīng)達到世界領先?平（?表11-9）。圖?本PEVE公司?產(chǎn)的鎳氫動?電池表鎳氫汽?動?電池主要性能?較表湖南科霸汽?動?電池有限責任公司致?于標準化能量包研發(fā)，使?紅外熱成像技術、溫度場仿真技術和多點分布探頭等?式實現(xiàn)對電池能量包內(nèi)部溫度分布的測量，掌握在通?狀態(tài)下電池溫度的分布情況；利?流體仿真分析、煙霧發(fā)?器等?段實現(xiàn)對冷卻效果和冷卻均勻性的評估，通過優(yōu)化模塊組合結構、能量包內(nèi)電池排布結構等，保證能量包內(nèi)電池溫度的?致性。通過模塊結構調整完成了?道設計，完成各種器件包括動?、信號線束的排布和規(guī)劃，實現(xiàn)能量包結構設計與熱管理、電控管理的協(xié)調統(tǒng)?。其開發(fā)的標準化系列能量包（圖11-10）產(chǎn)品應?于HEV汽?及儲能領域。圖11-10 由科霸公司設計開發(fā)的CCA-144V型（a）、型（b）鎳氫動?電包電池管理系統(tǒng)混合動?汽?的最?優(yōu)點是可以利??載電能存儲裝置對整?制動時的動能加以回收，這部分能量可以?于汽?驅動，使整?濟性提?，為了優(yōu)化蓄電池組的使?狀況，延?蓄電池組的使?壽命，需要電池管理系統(tǒng)來實時反映電池剩余電量（SOC）、快速找出故障電池、提?整組電池的使?壽命。另外，管理系統(tǒng)應能夠補償于不均衡造成的電壓差異，從?進?步延?電池組壽命，通過電池理系統(tǒng)的優(yōu)化，可以起到電池參數(shù)測量及單體均衡，電池的荷（SOC）監(jiān)測，電池的熱平衡管理，?載電池充電器及能量控制的作?[52，53]。?功率型寬溫區(qū)動?鎳氫電池管理系統(tǒng)有以下?個特點。系統(tǒng)熱、電、結構設計?體化集成技術使?紅外熱成像技術、溫度場仿真技術[54]和多點分布探頭等?式實現(xiàn)對電池能量包內(nèi)部溫度分布的測量[55]，掌握在通?和?通?狀態(tài)下電池溫度分布情況。利?流體仿真分析、煙霧發(fā)?器等?段實現(xiàn)對冷卻效果和冷卻均勻性的評估，通過優(yōu)化模塊組合結構、能量包內(nèi)電池排布結構等，最終保證能量包內(nèi)電池溫度的?致性。通過對?扇?量分析，優(yōu)化?扇選型，使?多級控制機制，實現(xiàn)對電池整體溫升控制的同時降低?扇引起的能量消耗。利?管理系統(tǒng)對能量包內(nèi)部環(huán)境溫度、單體電池溫度、進??、出??等溫度的測量，在能量包使?過程中實時監(jiān)控各項溫度，根據(jù)預先制定的策略實現(xiàn)對?扇的控制，確保冷卻效果。在強電電路加漏電檢測模塊、熔斷器、繼電器、?動開關等部件，在電路上做好對電池的異常保護；在電池組合連接??，引?新?藝、新?法，降低因連接產(chǎn)?的接觸電阻，提升連接可靠性。在弱點??，通過線束優(yōu)化控制，降低信號線?量，采?屏蔽線等?段，提?抗?擾能?，使?多點接插件，實現(xiàn)線束的簡潔化。通過CATIA軟件、CAE分析等?段在能量包設計之初就以三維圖像的形式進?展現(xiàn)和結構強度分析，優(yōu)化結構設計，通過模塊結構調整完成?道設計，完成各種器件包括動?、信號線束的排布和規(guī)劃，提?設計成功率，進?實現(xiàn)能量包結構設計與熱管理、電控管理的協(xié)調統(tǒng)??；谡?控制電池系統(tǒng)管理策略（SOC）電池管理系統(tǒng)是保證電池正常使?，提?電池使??致性，實現(xiàn)電池與整?通信的必要部件[56]。通過安時積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波法等SOC估算?法的組合使?57，建?SOC估算模型，提?SOC估算精度[58]；結合電池特性，設定電池狀態(tài)參數(shù)與SOH、SOF關系狀態(tài)模型，實現(xiàn)管理系統(tǒng)對SOH、SOF的估算和電池狀態(tài)控制；通過引?絕緣電阻檢查等?段，實時檢測電池組及其?壓總線絕緣情況，保證整?安全性；通過電壓、電流、溫度采集實現(xiàn)管理系統(tǒng)對電池的狀態(tài)監(jiān)控，結合SOC、SOH、SOF等管理策略及相關控制參數(shù)，實時提供電池可?指標，確保電池在可控的范圍內(nèi)使?；通過告訴CAN總線?絡實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)與整?控制器的可靠通信；通過電磁兼容性分析和改進，確保電池管理系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗?擾性能，同時保證系統(tǒng)對外產(chǎn)?的?擾度最低化。HEV混合動??雖然鋰電池有全?取代鎳氫電池的趨勢，但是鎳氫電池作為?載動?電池技術發(fā)展的?常成熟，尤其以?本豐?公司的普銳斯混動?為代表。從1997年第?代普銳斯問世以來，全球累計銷量超過700萬輛，?今沒有?起因電池原因導致的安全事故。雖然第四代普銳斯采?鋰離?電池功率進?了提升合油耗?標是控制在2.5L/100km內(nèi)但是豐?新開發(fā)的燃料電池電電混動?（fuelvehicle，F(xiàn)CV）仍然采?1.6kW·h的鎳氫電池包，和普銳斯混動?的鎳氫電池?樣。由此可?，鎳氫電池是?前混合動?技術中發(fā)展最成熟的?案。鎳氫動?電池?前是混合動?汽?所?電池體系中唯?被實際驗證并被商業(yè)化、規(guī)模化的電池體系，全球已經(jīng)批量?產(chǎn)的混合動?汽?全部采?鎳氫動?電池體系，2012年，混合動?汽?使?鎳氫的?例?達93.68%。相對于傳統(tǒng)汽?，混合動?汽?的使?成本優(yōu)勢是其發(fā)展的前提。當前條件下，混合動?汽?的使?成本優(yōu)勢體現(xiàn)在15萬以上價位汽?，混合動?技術在價位為5萬元的汽?上不具有使?成本優(yōu)勢，即使能夠實現(xiàn)100%的節(jié)油效果，其使?成本仍?傳統(tǒng)22%。以15萬?20萬元汽?為例，若93號汽油價格較低，則混合動?技術的使?成本優(yōu)勢將變?，實際使?價值較?。若93號汽油價格較?，如超過8元/L，則混合動?技術的實際使?價值將更明顯。的混合動?汽?及未來的電動汽?所采?或將采?的電池中，存在著鎳氫電池與鋰電池之爭。與鎳氫電池相?，隨著鋰電池技術的提?，以及?規(guī)模制造導致成本降低，未來有可能替代鎳氫產(chǎn)品成為HEV動?電池的主流。但是，鋰電池代表的是混合動?汽?動?電池的來，還存在諸多如充電樁、續(xù)航?程、循環(huán)次數(shù)、充電時間等?系問題，??前從成本和商業(yè)化的?度看，特別是近10年內(nèi)，更現(xiàn)實選擇是鎳氫電池。中國汽??業(yè)協(xié)會常務副會?兼秘書?董揚曾多次合指出：“混合動?并不是電動?的過渡?案，更不是妥協(xié)，?是傳統(tǒng)汽油發(fā)動機的升級版，可以明顯提?效率，節(jié)約燃油?！倍瓝P表?，雖然以電動?為代表的新能源汽?是汽油?發(fā)展的下?個階段，但以?前的經(jīng)濟發(fā)展和汽??業(yè)制造?平來看，混合動??是由油到電的必經(jīng)之路。湖南科?遠股份有限公司是國內(nèi)鎳氫動?電池的堅定?持者，并積極推動國產(chǎn)HEV事業(yè)的發(fā)展。其旗下的湖南科霸汽?動?電池有限責任公司成?于2008年，科霸公司在2010年通過TS16949質量體系認證，成為國內(nèi)在動?電源領域第?個通過國際質量體系認證的企業(yè)。在技術領域，公司形成了?原材料再處理技術、漿料制備技術、極板制作技術、電池制作技術、電池化成技術、電池分選技術、能量包裝配技術、電池管理系統(tǒng)（BMS）技術等全套的動?電池能量包技術能?，并向?安汽?、華普汽?等企業(yè)提供了動?電池系統(tǒng)。憑借科霸公司在HEV?動?鎳氫電池領域積累的技術條件和科?遠集團的整體實?，在國家商務部的領導下，公司于2011年成功收購了?本松下公司專?進?動?電池?產(chǎn)的湘南電池??，成為全球第三家掌握動?鎳氫電池?動?產(chǎn)技術的企業(yè)。2011年科霸收購湘南公司后，在?沙基地2013年開始建設2014年投產(chǎn)的??的?藝流程設計就是依托于此智能化開發(fā)系統(tǒng)，??建成后?上投?到設備調試和量產(chǎn)試作階段，迄今為?已完全具備年產(chǎn)6萬臺套鎳氫汽?動?電池能量包和年產(chǎn)180萬?電池極?的能?，并已經(jīng)實現(xiàn)了對天津松正、重慶?安、上海華普等?家的能量包供貨和對?本PEVE的正負極板的批量供貨。2012年5?以來，天津松正公司與科霸公司共同設計混合動?客?使?的混動系統(tǒng)?案，采?超級電容和鎳氫電池并聯(lián)技術，充分發(fā)揮超級電容?電流充放電特性，以及鎳氫動?電池良好的低溫和?功率特性，設計出滿?混合動?客?使?的混動系統(tǒng)，并對其進?了?量試驗驗證。2013年8?，科霸公司將?批?產(chǎn)的1634個鎳氫動?電池模組提供給松正公司34臺?使?，截?2014年8?，裝載有科霸鎳氫動?電池的混合動?客?，每臺?累計?駛?程近10多萬公?，通過爬坡、加速、城市?況、城郊?況、急停等不同?況的試驗，沒有發(fā)??起電池故障；在安全性??進?了針刺、短路、擠壓、跌落、過充、過放等安全性試驗，均未爆炸起?；通過近?年的路況試驗，科霸公司?產(chǎn)的鎳氫動?電池?致性良好，且節(jié)油率為30%以上，完全達到產(chǎn)品設計要求。直到2014年9?松正公司正式采購科霸公司?批次產(chǎn)品1584個電池模組，松正公司投?的34臺裝載有松正系統(tǒng)和科霸電池的混動?巴?，每天在佛?繁忙的公交線路運?14h左右。此外，科霸公司已與?汽、?安、吉利、?汽海?等?企開展相關開發(fā)及量產(chǎn)化前期?作。2011年，中國?汽發(fā)布“低碳節(jié)能技術