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系统介绍最常见的两种高能绿色电池

2019-06-14

本篇将对目前市面上最为常见的两种高能绿色充电电池锂离子电池和镍氢蓄电池做一个系统的知识讲解,以供大家对这两种电池有个全面的了解以及在选购电池对比角度与电池使用注意方面做个参考。

一、定义
       锂离子电池(Li-ion Batteries)是以含锂的化合物作正极,以炭材料为负极的碱性蓄电池。
       镍氢蓄电池(Nickel-Metal Hydride battery)正极活性物质主要由镍制成,负极活性物质主要由贮氢合金制成的一种碱性蓄电池。

二、原理
       锂离子电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中,Li+ 在两个电极之间往返嵌入(Intercalation)和脱嵌:充电池时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。
       1、正极反应:放电时锂离子嵌入,充电时锂离子脱嵌。
       充电时:LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe−
       放电时:Li1-xFePO4 + xLi+ + xe− → LiFePO4
       2、负极反应:放电时锂离子脱插,充电时锂离子插入。
       充电时:xLi+ + xe− + 6C → LixC6
       放电时:LixC6 → xLi+ + xe− + 6C

镍氢蓄电池在电池充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)会被释放出来,由这些化合物将它吸收,避免形成氢气(H2),以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时,这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方。
       1、充电时
       正极反应:Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e-
       负极反应:M + H2O + e- → MH + OH-
       总反应:M + Ni(OH)2 → MH + NiOOH
       2、放电时
       正极:NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH-
       负极:MH + OH- → M + H2O + e-
       总反应:MH + NiOOH → M + Ni(OH)2

三、特性
       1、电压:锂电池的电压是镍氢蓄电池电压的3倍。
       锂离子电池电压 = 3.6V
       镍氢蓄电池电压 = 1.2V
       2、按质量计算,锂离子电池有更高能量密度。
       锂离子电池能量∕重量 = 150~200Wh/kg(540~720kJ/kg)
       镍氢蓄电池能量∕重量 = 60-120 Wh/kg(瓦特小时/千克)
       3、按体积计算,锂离子电池有更高能量密度。
       锂离子电池能量∕体积 = 250~530Wh/L(0.9~1.9kJ/cm3)
       镍氢蓄电池能量∕体积 = 140-300 Wh/L(瓦特小时/升)即 504-1188kJ/kg(千焦耳/千克)
       4、输出功率:锂离子电池拥有更大输出功率。
       锂离子电池功率∕重量 = 300~1500W/kg(@20秒)
       镍氢蓄电池功率∕重量 = 250-1000 W/kg
       5、自放电率:锂离子电池拥有更低自放电率
       锂离子电池自放电率 < 5%~10%/月,一般每月在2%以下(可恢复)
       镍氢蓄电池自放电率 = 一般每月 2-30%,见温度而定,低自放电型号为每年10-30%
       6、充放电效率:锂离子电池充放电率更高。
       锂离子电池充放电效率 = 100%
       镍氢蓄电池充放电效率 = 66%
       7、循环使用次数:两种电池循环次数接近,循环使用寿命都比较长。
       锂离子电池充放电循环次数 = 500 -2000次(磷酸铁锂电池可以达到2000次以上)
       镍氢蓄电池充放电循环次数 = 500 -1800次
       8、工作温度范围:两种高性能电池的温度范围都很宽,相较而言在低温环境中,镍氢蓄电池的放电特性更佳。
       锂离子电池工作温度范围 -20℃~60℃
       镍氢蓄电池工作温度范围 -30℃~50℃(低温镍氢电池可在低温 -40℃中正常使用)

四、优点
       1、比能量高:一次充电可行使的距离长,两者的比能量都非常高,相对而言,锂离子电池(当前比能量最高的蓄电池)>镍氢蓄电池;
       2、比功率高:在大电流工作时能平稳放电,加速爬坡能力好,两者的比功率都非常高,锂离子优势明显一点;
       3、自放电小:二者都具备此优点,锂离子电池略胜一筹;
       4、重量轻、体积小:同型电池镍氢蓄电池重量更轻、体积更小,只是在输出同等电压的情况下(锂离子电池电压为镍氢蓄电池的3倍),使得单个电池组合时数目锂离子电池可减少1/3,因而使成型后的电池重量和体积锂离子电池更小、更轻。
       5、记忆效应低:锂离子电池无记忆效应因此在这个方面具有更大的优势;
       6、低温放电性能好:在低温状态下镍氢蓄电池更强悍;
       7、循环寿命长:二者循环使用次数都非常多,很划算;
       8、无环境污染:两者都是绿色环保电池,镍氢蓄电池被称作是最环保的电池,回收再用的效率锂离子电池稍逊一筹;
       9、标示容量高:镍氢蓄电池标示容量可达2900mAh(毫安培-小时/毫安时),但仍不及锂离子电池高;
       10、可快速放电:二者都具有这种优点,锂离子电池能力较强一些;
       11、充电时间短:二者都有此优点。
       另外,镍氢蓄电池还具有安全可靠,免维护的特点,被称作是最安全的电池,而锂离子电池的安全性能还有待大大提升;而另一方面锂离子电池因为完全没有记忆效应,在使用上更为方便简单,而镍氢蓄电池却因为残余电压的缘故而无法避免进行定期放电管理操作。

五、使用
       锂离子电池在充电过程中容易发生短路情况,此外注意不要过充,这点比较关键。
       镍氢蓄电池需要进行定期放电管理,

六、问题
       两者有个共同的缺点,那就是制作工艺要求严格,导致成本比较高,售价不便宜。相对而言,锂电池还是更划算一点。

七、应用
       镍氢蓄电池在笔记本电脑、便携式摄像机、数码相机及电动自行车等领域得到了广泛应用。
       锂离子电池广泛应用于消费电子产品、军工产品、航空产品等。

八、综述

锂离子电池和镍氢蓄电池都是绿色电池,不会因废弃而造成二次污染,这符合环保理念,同时它们都可再生利用,符合持续发展的观点,此外,我们在电池行业技术已经处于世界领先水平,并且这些绿色电池出口前景非常好,虽然目前价格有点高,有些小问题还需要更进一步的得到解决与改善,不过随着我们国家科研人员以及、企业研发部门人员的共同努力,很快就能达到优质廉价、高效节能、安全稳定、绿色环保这些要求,而像这种绿色高能且极具开发潜力的电池值得我们大力提倡与推广。