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系統介紹最常見的兩種高能綠色電池

2019-06-14

本篇將對目前市面上最為常見的兩種高能綠色充電電池鋰離子電池和鎳氫蓄電池做一個系統的知識講解,以供大家對這兩種電池有個全面的了解以及在選購電池對比角度與電池使用注意方面做個參考。

一、定義
       鋰離子電池(Li-ion Batteries)是以含鋰的化合物作正極,以炭材料為負極的堿性蓄電池。
       鎳氫蓄電池(Nickel-Metal Hydride battery)正極活性物質主要由鎳制成,負極活性物質主要由貯氫合金制成的一種堿性蓄電池。

二、原理
       鋰離子電池主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中,Li+ 在兩個電極之間往返嵌入(Intercalation)和脫嵌:充電池時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。
       1、正極反應:放電時鋰離子嵌入,充電時鋰離子脫嵌。
       充電時:LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe?
       放電時:Li1-xFePO4 + xLi+ + xe? → LiFePO4
       2、負極反應:放電時鋰離子脫插,充電時鋰離子插入。
       充電時:xLi+ + xe? + 6C → LixC6
       放電時:LixC6 → xLi+ + xe? + 6C

鎳氫蓄電池在電池充電時,氫氧化鉀(KOH)電解液中的氫離子(H+)會被釋放出來,由這些化合物將它吸收,避免形成氫氣(H2),以保持電池內部的壓力和體積。當電池放電時,這些氫離子便會經由相反的過程而回到原來的地方。
       1、充電時
       正極反應:Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e-
       負極反應:M + H2O + e- → MH + OH-
       總反應:M + Ni(OH)2 → MH + NiOOH
       2、放電時
       正極:NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
       負極:MH + OH- → M + H2O + e-
       總反應:MH + NiOOH → M + Ni(OH)2

三、特性
       1、電壓:鋰電池的電壓是鎳氫蓄電池電壓的3倍。
       鋰離子電池電壓 = 3.6V
       鎳氫蓄電池電壓 = 1.2V
       2、按質量計算,鋰離子電池有更高能量密度。
       鋰離子電池能量∕重量 = 150~200Wh/kg(540~720kJ/kg)
       鎳氫蓄電池能量∕重量 = 60-120 Wh/kg(瓦特小時/千克)
       3、按體積計算,鋰離子電池有更高能量密度。
       鋰離子電池能量∕體積 = 250~530Wh/L(0.9~1.9kJ/cm3)
       鎳氫蓄電池能量∕體積 = 140-300 Wh/L(瓦特小時/升)即 504-1188kJ/kg(千焦耳/千克)
       4、輸出功率:鋰離子電池擁有更大輸出功率。
       鋰離子電池功率∕重量 = 300~1500W/kg(@20秒)
       鎳氫蓄電池功率∕重量 = 250-1000 W/kg
       5、自放電率:鋰離子電池擁有更低自放電率
       鋰離子電池自放電率 < 5%~10%/月,一般每月在2%以下(可恢復)
       鎳氫蓄電池自放電率 = 一般每月 2-30%,見溫度而定,低自放電型號為每年10-30%
       6、充放電效率:鋰離子電池充放電率更高。
       鋰離子電池充放電效率 = 100%
       鎳氫蓄電池充放電效率 = 66%
       7、循環使用次數:兩種電池循環次數接近,循環使用壽命都比較長。
       鋰離子電池充放電循環次數 = 500 -2000次(磷酸鐵鋰電池可以達到2000次以上)
       鎳氫蓄電池充放電循環次數 = 500 -1800次
       8、工作溫度范圍:兩種高性能電池的溫度范圍都很寬,相較而言在低溫環境中,鎳氫蓄電池的放電特性更佳。
       鋰離子電池工作溫度范圍 -20℃~60℃
       鎳氫蓄電池工作溫度范圍 -30℃~50℃(低溫鎳氫電池可在低溫 -40℃中正常使用)

四、優點
       1、比能量高:一次充電可行使的距離長,兩者的比能量都非常高,相對而言,鋰離子電池(當前比能量最高的蓄電池)>鎳氫蓄電池;
       2、比功率高:在大電流工作時能平穩放電,加速爬坡能力好,兩者的比功率都非常高,鋰離子優勢明顯一點;
       3、自放電?。憾叨季邆浯藘烖c,鋰離子電池略勝一籌;
       4、重量輕、體積?。和碗姵劓嚉湫铍姵刂亓扛p、體積更小,只是在輸出同等電壓的情況下(鋰離子電池電壓為鎳氫蓄電池的3倍),使得單個電池組合時數目鋰離子電池可減少1/3,因而使成型后的電池重量和體積鋰離子電池更小、更輕。
       5、記憶效應低:鋰離子電池無記憶效應因此在這個方面具有更大的優勢;
       6、低溫放電性能好:在低溫狀態下鎳氫蓄電池更強悍;
       7、循環壽命長:二者循環使用次數都非常多,很劃算;
       8、無環境污染:兩者都是綠色環保電池,鎳氫蓄電池被稱作是最環保的電池,回收再用的效率鋰離子電池稍遜一籌;
       9、標示容量高:鎳氫蓄電池標示容量可達2900mAh(毫安培-小時/毫安時),但仍不及鋰離子電池高;
       10、可快速放電:二者都具有這種優點,鋰離子電池能力較強一些;
       11、充電時間短:二者都有此優點。
       另外,鎳氫蓄電池還具有安全可靠,免維護的特點,被稱作是最安全的電池,而鋰離子電池的安全性能還有待大大提升;而另一方面鋰離子電池因為完全沒有記憶效應,在使用上更為方便簡單,而鎳氫蓄電池卻因為殘余電壓的緣故而無法避免進行定期放電管理操作。

五、使用
       鋰離子電池在充電過程中容易發生短路情況,此外注意不要過充,這點比較關鍵。
       鎳氫蓄電池需要進行定期放電管理,

六、問題
       兩者有個共同的缺點,那就是制作工藝要求嚴格,導致成本比較高,售價不便宜。相對而言,鋰電池還是更劃算一點。

七、應用
       鎳氫蓄電池在筆記本電腦、便攜式攝像機、數碼相機及電動自行車等領域得到了廣泛應用。
       鋰離子電池廣泛應用于消費電子產品、軍工產品、航空產品等。

八、綜述

鋰離子電池和鎳氫蓄電池都是綠色電池,不會因廢棄而造成二次污染,這符合環保理念,同時它們都可再生利用,符合持續發展的觀點,此外,我們在電池行業技術已經處于世界領先水平,并且這些綠色電池出口前景非常好,雖然目前價格有點高,有些小問題還需要更進一步的得到解決與改善,不過隨著我們國家科研人員以及、企業研發部門人員的共同努力,很快就能達到優質廉價、高效節能、安全穩定、綠色環保這些要求,而像這種綠色高能且極具開發潛力的電池值得我們大力提倡與推廣。


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