锌镍电池产业化可行性研究报告
一、项目背景
自从1859年GastonPlante提出铅酸电池的概念以来，化学电源界一直在研制新的高比能量、长循环寿命的二次电池。其中，氢镍电池和镉镍电池是两种比较成熟的碱性充电电池，而金属镉是一种对人体有剧毒对环境能造成巨大污染的化学物质。但是，由于技术和成本等原因，当前在电动工具和小型用电器中应用最广泛的依然是镉镍电池，镉镍电池也是目前国内产量最大碱性圆柱形电池。
镉属于重金属，对人体具有很强的毒害作用，易聚积在肾脏、骨骼及血液中，对肾小管功能、肺功能有损伤作用，尤其对儿童影响更为严重；镉易引起骨痛病、使骨骼畸变，特别容易导致肝癌、前列腺癌和肺癌，并且一经发病便无可挽救，是国际公认的致癌物质。镉在生物体内的半衰期约为10～30年。美国环境健康科学研究所前不久研究还发现，镉会干扰细胞内DNA复制后配对错误（MMR）的修复，从而导致细胞中较高的变异性。从1931年开始，日本富山县神通川流域出现了一种严重的怪病，主要症状是：全身各部位都神经痛、骨痛尤烈，进而骨骼软化萎缩，以致呼吸、咳嗽都带来难忍之苦，得这种病的人都一直喊着“痛啊！痛啊！”，直到死去，所以被叫做“痛痛病”，许多人因难以忍受极大痛苦而自杀。后经研究证明，该怪病是由于镉中毒引起的。日本“痛痛病”事件促使人们不得不对镉的毒害问题高度重视。
大量科学研究资料显示，含镉产品的生产、使用、处理过程都有可能引起人的急、慢性中毒。含镉产品对环境污染所引起的远期影响，将有可能直接威胁人类和其他生物在地球上的健康生存和正常繁衍，是事关国家、民族及人类生死存亡的大事。
2005年12月间广东韶关冶炼厂检修期间，违法超标排放含镉废水，致使北江下游韶关、清远、英德三个城市的饮用水受到严重影响，部分城市自来水停止供应，人民群众的生命、健康受到严重威胁。当地政府已责令韶关冶炼厂立即停产整顿，并关闭了全市十四家小型冶炼厂。前不久珠江时报报道50名疑染镉中毒员工告惠州超霸电池案在惠州市惠城区法院开庭审理。50人以身体镉中毒受到危害为由起诉厂方，每人要求赔偿医疗费、精神抚慰金等各项费用25万元，共1250万元。
近些年来西方发达国家在替代有毒有害材料的技术开发方面发展较快，并开始通过法律法规、绿色贸易和技术壁垒等多种形式限制或禁止有毒有害材料产品进入市场。如欧盟决定
2006年7月1日开始实施的《RoHS》指令限制使用的六种有毒有害物质中，镉名列其中。这些措施已经给我国的外贸出口和经济发展造成巨大的冲击和影响，为了加强对我国环境的保护、提高人民健康水平、应对西方发达国家设置的技术与贸易壁垒，寻找镉镍电池的替代品，开发绿色环保的二次化学电源已经成为当前一项十分必要和紧迫的任务。
锌电极具有资源丰富、平衡电位低、可逆性好、能量密度高、无环境污染等优异性能，被广泛作为化学电源的阳极材料。碱性体系中的锌电极是发展高性能、长寿命的二次电池的希望所在：锌电极具有优良的电化学性能，碱性溶液具有很高的电导和良好的低温性能，而无毒害的正极材料，如：NiOOH、MnO2等具有循环寿命长的特点，因此开发高性能、长寿命的二次碱性锌电池一直是人们研究的热点。随着锌电极研究的进展及高性能隔膜的开发，二次碱性锌电池离实用化的距离越来越近。
二、项目简述
1.锌镍电池的竞争实力分析
锌电极具有资源丰富、平衡电位低、可逆性好、能量密度高、无环境污染等优异性能，被广泛作为化学电源的阳极材料。碱性体系中的锌电极是发展高性能、长寿命的二次电池的希望所在。
锌镍二次电池性能如下：
(1)可高速率工作，适合各种场合下使用；
(2)具有50～85 Wh/kg的高比能量，是镉镍电池比能量的2倍；
(3)所用材料普通，资源丰富，成本低廉；
(4)有益的低温性能，-40 ℃工作可保持50～60%的容量；
(5)所用材料是安全无毒的，对人和环境不造成有害影响。
表1 各种二次电池体系的比较
电池体系
工作电压
(V) 理论比容量
(Wh/kg)
负极元素电化学当量
(g/F)
负极元素地壳的丰度
(%)
Pb-Acid电池 2.00 170 Pb 103.6 1.6×10-3 Cd-Ni电池 1.20 214 Cd 56.2 1.5×10-5 Fe-Ni电池 1.20 272 Fe 27.9 4.2 MH-Ni电池 1.20 275 - - - Zn-Ni电池 1.65 354 Zn 32.7 1.5×10-2
表2 各种二次电池性能比较
电池系比能量/(Wh/kg) 比功率/(W/kg) 循环寿命/(次) 价格/($/kWh) Pb-Acid电池30-40 150-200 300-500 70-150 Cd-Ni电池50 500 700-1200 600
MH-Ni电池60 100-200 800-1500 700 Li-ion电池100-150 1000 600-1200 1100-1200 Zn-Ni电池70-75 500 600-1000 200
由表1和表2可以看出，与其他二次电池相比，锌镍电池突出的优点是：比能量高，比功率大，开路电压高，工作温度范围宽广（-20～60 ℃），可大电流充电，原材料丰富且成本低廉，不会造成环境污染。由于锌镍电池具有得天独厚的优点，因此该体系电池的研究工作具有极大的吸引力，作为未来动力电源具有广泛的应用前景。
2. 本项目组的情况
(1) 研究条件
中南大学为直属教育部的全国重点大学，是一所学科门类齐全、师资力量雄厚、具有鲜明特色、居于国内先进水平的综合性大学，下设29个二级学院，有本科专业75个；成立了研究生院，有硕士学位授权学科207个，博士学位授权128个，博士、硕士学位授权一级学科16个，博士后科研流动站18 个。拥有国家重点学科17 个，国家重点实验室和国家工程研究中心4 个，国家或部级培训（研究）中心7 个，国家级人才培养基地和课程教学基地5 个。现有中国科学院院士4 人，中国工程院院士12 人，博士生导师367 人，教授及其他正高职称人员1007 人，副教授及其他副高职称人员2152 人。有来自全国31 个省市和世界30 多个国家与地区的全日制在校学生4 万多名。
本项目组仪器及设备完备，具有Solarton 公司的1287恒电位仪及1250频率相应仪、EG&G PAR 公司的Model 273 恒电位/流仪、电化学工作站（CHI660A）、电池测试仪（武汉金诺）等设备，XRD、SEM、TEM等大型设备可以通过交费使用，为本项目的材料制备加工、电化学性能综合测试及表征、量子化学计算等提供了良好的实验条件。
(2) 研究队伍
杨占红，项目组负责人，男，39岁，教授（博士生导师），主要从事电化学的研究。1969年12月出生，1991年毕业于中南工业大学化学系获学士学位。1994年中南工业大学应用化学专业毕业，获硕士学位。1994年－1996年在郑州轻金属研究院从事电化学研究，任材料工程师。1999年毕业于中南工业大学冶金系，获工学博士学位。1999年10月进入复旦大学
化学系从事博士后研究。系统地研究了锂在各种碳纳米管中的嵌入-脱嵌过程，首次提出了锂在开口碳纳米管中的嵌入-脱嵌机理。联系导师为中国科学院院士、复旦大学教授吴浩青先生。2002年4月-2003年4月在加拿大——National Research Council 从事博士后研究，研究领域为碳纳米管和电化学。重点开展了连续CVD法制备单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和掺杂工艺。2003年4月回中南大学化学化工学院任教授。2004年被遴选为博士生导师。作为项目负责人，曾主持河南省科委攻关项目两项，上海博士后基金一项，湖南省自然科学基金一项，留学归国基金一项。现已发表第一作者的有关碳纳米管和电化学的论文40余篇，多篇被SCI 检索，与他人合编专著一部。
王升威，项目组主要成员，男，26岁，双学士(博士在读)，主要从事高能电池材料的研究。1982年3月出生，2005年毕业于青岛科技大学(原青岛化工学院)化学与分子工程学院应用化学专业，同年考入中南大学化学化工学院应用化学专业硕士研究生，2007年通过直博考试，提前攻读博士学位。在读硕士研究生期间，长期从事密封锌镍电池的研发工作，并系统研究了电解液的浓度和各种添加剂对锌镍电池循环性能的影响和锌酸钙的合成工艺，并自主研究解决锌镍电池的自放电问题，与他人合力申请锌镍电池的相关专利一项(CN 101071850A)。发表科研论文多篇。
胡俊，项目组主要成员，男，23岁，硕士研究生，主要从事锌镍电池的研究。1985年1月出生，2006年毕业于河南理工大学材料科学与工程学院矿物加工工程专业，同年考入中南大学化学化工学院应用化学专业硕士研究生。在读硕士研究生期间，长期从事锌镍电池的研究与开发工作，比较系统的研究了锌镍电池的电解液、锌负极及其工艺。
廖建平，项目组主要成员，男，25岁，硕士研究生，主要从事锌镍电池的研究。1983年2月出生，2005年毕业于长沙电力学院应用化学专业，获学士学位。2005年6月至2006年4月，工作于辽宁省铁岭发电有限公司。2006年9月考入中南大学化学化工学院。在读硕士研究生期间，长期从事锌镍二次电池的相关研究工作。
项目组主要成员在电池材料合成、电化学性能检测、电池制造工艺等方面具有坚实的理论基础和丰富的研究工作经验，项目组成员具有良好的合作精神，并具有丰富的产业化经验。
三、技术可行性分析
本项目组自2003年以来，一直从事锌镍电池的研究工作，在锌镍电池的产业化方面具有一定的基础，在国内具有领先水平。今年来，我们主要在以下领域进行了相关的研究工作：
(1)锌酸钙的合成方法及合成工艺研究，及不同合成方法及工艺对产品充放电性能的影响；
(2)电解液的浓度和各种添加剂对锌镍电池循环性能的影响；
(3)锌镍电池所用镍正极的优化；
(4)各种金属氧化物对于抑止锌负极形变的作用；
(5)锌镍电池的高温储存性能和自放电研究；
目前，在本项目组各成员的共同努力下，圆柱形密封锌镍电池的产业化的各项关键性难题均得以突破。近日，本项目组成功地对圆柱形锌镍电池进行了小批量试生产，实验结果显示，由本项目组的现有技术生产的圆柱形电池，其性能完全可以满足市场上消费者的需求，产品各项性能在国内属领先水平。
四、市场前景分析
能源是现代人类生存和发展的重要物质基础。二十世纪以来，科技与工业的迅猛发展引起能源消耗量的大幅上升，以石油化工燃料为主体的能源结构已不能长期满足人们的需求，研究开发高性能的二次电池成为人们所关注的课题。据统计，世界电池产业的产值，1995年为408亿美元，2000年达到615亿美元，年增长9％。电池工业巨大的潜在市场需求主要来自以下两个方面：一方面集成电路技术的迅速发展，对开发研制高比能的二次电池提出了更高的要求；另一方面就是各类交通工具对清洁动力电源的巨大潜在市场需求。20世纪是电子工业时代，诞生了半导体器件、计算机与移动电话等，电池工业都迅速地满足了各种电器电源需要，并为太空探索、军用、民用等各方面提供了必需的移动电源。高性能新型的绿色环保电池在发展电子信息技术、新能源和环境保护等面向21世纪的重大技术领域中具有举足轻重的地位和作用。新型绿色电池已被列为电子信息这个带动整经济增长和结构升级的支柱产业中14个新的经济增长点之一。因此，21世纪必将成为以新型高能绿色电池为基础的电池社会。
在2003年，环球资源(Global Sources Ltd.) 公布了一份题为《中国电池供应商生产能力》的市场信息报告。该报告指出，中国的电池年产量达190亿节，是公认的原电池生产国。该行业的年均产值超过40亿美元。据估计，国内电池制造商的数量超过2000 家，其中300家生产出口产品。最后，报告预言：“中国目前已是全球最大的非充电电池供应市场，同时，它很快也将成为充电电池的领导生产国。”高性能锌镍电池的生产技术将可以为国内的电池企业提供附加值较高的产业，实现产品的更新换代，充分利用国内丰富的矿产资源和劳动力资源，使优势资源充分转化为经济优势，因此尽快实现锌镍电池的产业化，提高产品技术含量，以最小资源消耗换取最大化经济效益是实现社会和经济可持续发展的必然要求。
五、时间和资源可行性分析
本项目组所开发的圆柱形锌镍电池的生产技术与镉镍、氢镍等碱性电池的生产工艺极为类似，完全可以在原有的生产设备上进行生产。由于锌负极的材料价格较为便宜，该产品生产所需启动资金与其它产品相比，也相对较少。
六、合作方式
由于本产品的产业化将是利国利民的大事，本项目组本着科研服务于生产的原则，欢迎和寻求多种形式的合作。
七、联系方式
联系单位：中南大学化学化工学院化学电源与材料研究所
地址：中南大学校本部化学化工学院
邮编：410083
联系人：杨占红
电话：137********