镍氢电池的应用

第7章 镍氢二次电池的应用

第7章镍氢二次电池的应用

随着科技的进步，人们环保意识的提高和天然资源的减少，开发并使用清洁能源，研究如何储存能源，并且高效地使用能源，正成为当今世界一个至关重要的问题。作为绿色能源的MH／Ni电池，由于其具有高能量密度、大功率、无污染等综合特性，可以满足电子备日益增长的便携性需求，如便携式打印机、医疗设备、远程通信设备、通讯仪器、激光器仪表、移动灯具、液晶电视机、电动玩具、仪器仪表、数码产品(数码照相机、数码摄像机数码音频播放机等)和空间卫星的电源等诸多方面。电动车辆(EV和HEV)领域也为MH／Ni动力电池展现出巨大的应用市场。可以说，MH／Ni电池的应用已深入到各个领域，前途广阔。

7．1 MH／Ni电池的现状

MH／Ni电池于1988年进入实用化阶段，l990年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加，目前MH／Ni电池已是一种非常成熟的产品。日本MH／Ni电池产业和产量一直高居各国前列，美国和德国产业和产量仅次于日本。MH／Ni电池的能量密度为Cd／Ni电池的1．5～2．o倍，不污染环境，充放电速度快，记忆效应小，可以与cd／Ni电池互换等，加之各种便携式电器的日益小型、轻质化，要求小型高容量电池配套，以及人们环境保护意识的不断增加，从而使MH／Ni电池发展更加迅猛，MH／Ni电池在小型可充电池市场上的份额越来越

大。l997年，日本MH／Ni电池产量达5．7亿只，占包括Cd／Ni、锂离子电池在内的市场份额的40％，估计l997年日本将5000t稀土基储氢合金用于MH／Ni电池的生产，l998年生产了6．4亿只，增长11％，储氢合金使用量为5500t，混合稀土合金使用量为1700t，1999年生产了8．71亿只，2000年生产了l0．1亿只。全球l999年生产了小型二次电池(包括MH／Ni、Cd／Ni、Li离子电池)共29亿支，其中MH／Ni电池为11亿支，占小型二次电池的37．8％，2000年世界MH／Ni电池为13亿支。预计到2005年，世界市场将需求20亿只小型镍氢电池，要满足20亿只镍氢电池的生产，年需储氢合金2万吨、球形亚镍1200吨、泡沫镍100万平方米、多孔镍钢带200万平方米，隔膜400万平方米、电池壳帽等22亿套。镍氢电池产业的发展不但可以带动一系列传统产业的改造和发展，而且还可以推动附加价值更高的高新技术产业的发展。

MH／Ni电池的性能不断地发展，以AA型电池的容量而言，已经从l989年松下公司产业化时的每只1070mA?h发展到2003年三洋公司宣布的2300mA?h，提高了l倍以上；目前，AA型电池的容量已达2500mA?h[5|。但由于锂离子电池的高速发展，使MH／Ni电池受到极大影响，许多应用领域被其替代。表7～1概括了2000～2003年日本小型二次电池生产状况。

从表7-1可以看出，2000年日本MH／Ni电池产量最大，其后逐年减少。2003年上半年日本生产MH／Ni电池l．93亿只，比2002年同期减少30％。这是由于MH／Ni电池在用途上失去了移动电话市场，在电动工具和无绳电话方面的市场上也无竞争力的结果。但到2004年，由于过度价格竞争，使得多家笔记本大厂(包括DELL和HP)推出采用MH／Ni电的笔记本，这迫使其他笔记本电脑大厂跟进。DELL推出的Inspiron l000系列，搭配的主电池为8颗电池芯组成的MH／Ni电池，售价为699～749美元。虽然在使用时间上MH／Ni电池只有l．5h，远远要小于现在普通笔记本电脑锂离子电池的使用时间，然而采用MH／7Ni电池的笔记本电脑将可以在电池部分节省4～5美元的成本。由于价格的优势，使得MH／Ni电池在笔记本电脑市场中仍将拥有一席之地。

7．2 MH／Ni电池性能 MH／Ni电池受到Cd／Ni电池在价格方面的挑战，同时也受到锂离子电池性能上的挑战。因此，MH／Ni电池必须在性能一价格比上不断提高，才能在竞争中取得一定份额。MH／Ni电池的性能主要表现在3个方面：能量密度、高倍率放电性能和成本。图7-1为3种小型可充电池的体积能量密度和质量能量密度的比较。

从图7-1可以看出，MH／Ni电池的体积能量密度和质量能量密度均高于

Cd／Ni电池，体积能量密度与锂离子电池相当，但质量能量密度低于锂离子电池。MH／Ni电池的体积能量密度从l990年的180w?h?I。1增长到l997年的360w?h?L～，整整翻了一番，达到了锂离子电池的能量密度。MH／Ni电池的高能密度是通过改进材料质量和增加电池内充填密度达到的，从而使MH／Ni电池在便携式应用上，如笔记本电脑等领域内具有很大的竞争力。MH／Ni电池在质量密度上也有改善，从开始的55W?h?k91上升到70w?h?k9一，但电池的单位质量仍然是锂离子电池的1．5倍。目前轻型储氢合金如V-Ni基和M9-Ni基合金以及高比容量的正极活性物质正在开发研究之中，预计其质量密度会有较大的提高。

另外，MH／Ni电池在成本方面已大量降低，大约为最初价格的l／3，几乎达到了与镉镍电池相同，低于锂离子电池成本的1／2，这就为MH／Ni电池在价格竞争上创造了条件。

在高功率大电流方面，MH／Ni电池一直不如Cd／Ni电池，小型电动工具市场长期以来几乎为Cd／Ni电池所垄断。但由于MH／Ni电池放电性能的提高，目前高功率MH／Ni电池已进入电动工具市场。

7．3 MH／Ni动力电池

7．3．1 电动车用动力电池

7．3．1．1 发展背景

电动车的发明最早可追溯到l834年。l9世纪末叶，美国、英国、法国的一些公司开始生产电动车。由于受电池性能的限制，特别是内燃机汽车的迅猛发展，到20世纪30年代电动车已几乎绝迹。直到70年代初，由于能源危机，美国又重新开始了电动汽车的研发工作，然而极大地强化研发电动汽车的力度和速度的另一原因是环保问题。

20世纪以来，大量燃油、燃气汽车的使用给人类生存的环境造成了严重的污染。汽车尾气排放是城市大气污染的主要来源之一。例如，北京市机动车尾气排放对大气污染物中C0、CH、N晚的分担率分别为63．4％、73．5％和46％。

非采暖期这'分担率分别为80．3％、79．1％和54．8％。上海市更为严重，分别

为86％、96％和56％；广州、天津、重庆等许多大中型城市基本类似。据推算，今后50年全球人口将从60亿增至1Oo亿，汽车保有量将从7亿辆增至25亿辆，汽车尾气的排放将严重影响全球气候。

另外，随着地球资源的日益枯竭，石油和天然气开采越来越少，石油供应毛势严峻。据国务院发展研究中心预测，到2010年我国汽车保有量将达到5669万辆，202O年将达l?3亿辆，届时机动车的燃油需求分别是l．38亿吨和2．56亿吨，这个数字相当于全国石油需求的一半。当前国际油价一路飙升，造成汽车使用成本不断提高，快速增长的汽车需求与石油资源的紧张，为电动汽车的发展提供了前所未有的良好机遇与空问。人们需要寻找?种无污染的"绿色能源"--电动汽车来替代普通燃油汽车。电动汽车是零排放汽车，不存在大气污染问题，其噪声也比燃油汽车低。表7 2是电动汽车与燃油汽车在环境方面的有关指数的比较为了在2OO8年以前实现蓝天绿地计划，北京市已将零排放和超低排放的电动汽车作为

电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。以电动机代替内燃机的公路车辆，包括纯电池(驱动)电动车(BEV)、混合型电动车(HEV)与燃料电池电动车(FCEV)三大．它涉及动力推进、能源与汽车结构等核心，涵盖车体、传动、控制、电．动机、电池充电器等多个系统，是21世纪极具市场潜力的"绿色，，产电动汽车是电动车的'个主要类型。电动车的范围还有电动叉车、电动摩托、电动自行车、电动轮椅、电动搬运车、电动公共汽车、电动轿车、电动小型货车等。与传统的燃油汽车相比，电动汽车在节能和环保方面具有很大的优势，近年来呈现出加速发展的趋势。电池作为电动汽车的储能动力源，是电动汽车发展的关键，为了确保电动车合理的行驶性能，要求有高比能量(2h放电率时至少44w?h?k9 ，使电动葺：达到合理的行驶里程)、高比功率(满足加速与爬坡性能要求)、寿命长、免维护和高的充放电效率等。MH／Ni电池作为绿色环

保电池，其比功率为2cow?k9 ，比能量达65w?h?k9 1，具有能量密度高、环保、可快速充电以及放电曲线平坦等特点，是目前人们看好的第二代动力电池之一。丰田公司的RAV4和Prius就是采用MH／Ni电池作为储能动力源的典型代表L81J。

7．3．1．2发展现状

全球环保法规日趋严格的大环境，触发了全球电动汽车走向产业化的热潮。目前西方发达国家经过十几年的努力，在纯电动汽车与混合型电动汽车(同时使用内燃机)方面已实现和正在实现产业化，但影响电动汽车发展的瓶颈仍然是电池。因此，面临如何越过这个能源障碍、逐步扩大市场的问题。根据美国UsABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性，电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，确定MH／Ni电池是近期和中期电动车的首选动力电池。

20世纪90年代初，日、美、法、德等国纷纷制定了相应的电动汽车用动力电池发展计划，如美国能源部(DOE)、国家电源研究所与通用、克莱斯勒、福特三大汽车公司组成的先进电池联合体(USABC)于1991年底签订一项协议，计划在4年中投资262亿美元用于电动车电池的开发，现第一阶段的合同已完成，其中以MH／Ni动力电池为中期发展目标的DOE-USABC计划指标也已基本茯到。l997年底，GM-Ovonic公司已开始批量生产MH／Ni动力电池，并装备了30辆Chevy S一10电动汽车进行试车运行。1998年该公司又进一步扩大了MH／Ni动力电池的年产量。日本政府也有一个由ll家公司参加的投资近16亿美元的计划，开发电动车用蓄电池。

1997年，日本丰田公司首先在全球实现了HEV的批量生产。这种叫做Pri-us的HEv为超低排放车，最高时速144km，包括8年行驶10万英里(16.09万公里)的电池组(240个6．5A?h D型的MH／Ni电池，总质量44k9，提供20kw动力)、混合系统及附件在内，每辆售价19995美元，目前已在全球销售了20多万辆。随后日本的本田，美国的戴姆勒一克莱斯勒、通用汽车和福特汽车公司相继开发了混合型电动汽车并实现了不同程度的产业化。但是，电池的比能量或能量密度远低于汽油，因此大大加快了FcEV的开发。在电动汽车的开发方面，美国政府调整了研发方向，加大了扶持HEV与FCEV商品化的力度。

在欧洲，欧洲电动汽车联合体、欧洲电池研究与发展联合会主要研究MH／ Ni电池和锂离子电池。欧洲第一辆电动汽车于1997年10月在法国Potion-Chaentes地区进行测试，标致106是其中的一种。 我国传统汽车的开发水平与国外先进水平有很大的差距。但电动汽车国外开发年限短，关键零部件技术平台相同，我国电动汽车的研发几乎与发达国家站在同一起跑线上，最大差距不超过5年。因此，电动汽车将成为我国赶超世界先进水平的一个突破口。国家已把电动车作为高科技项目，列入了"863"计划，优先给予扶持[1l|。据统计，我国国内已有200家公司、企业从事小型电动车的开发、生产和应用。天津清源电动车辆有限公司承担国家"863计划"重点项目xL2纯电动轿车"的研发工作。在第一轮的开发基础上，该公司对天津一汽的3个车型进行了两种配置的系统集中模块化设计，降低了整车质量，大幅提高了节能度和安全可靠性。目前开发的Xl．2纯电动汽车各项技术指标达到了国际先进水乎。全车总质量1．6t，最高时速达到140km?h l。续驶里程超过250km，最大爬坡层不小于20％，时速从okm?h_1到50km?h l只需6．8s，被认为是国内水平最高又最接近产业化的电动车型。