二次化学电源-V01

二次化学电源特性及应用现在市场上,主要的二次化学电源有铅酸电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池和超级电容器，他们都有着各自不同的性能特点。

一、各类化学电源简介1、铅酸电池铅酸蓄电池已经有100 多年的使用历史,是目前唯一大量生产的汽车启动用电池。

铅酸蓄电池的正极采用二氧化铅,负极采用海绵状铅,电解液是稀硫酸溶液,单元电压为2V。

与其它电池相比铅酸电池有如下的特点:制造工艺简单，价格低廉，电压平稳，安全性好，原材料丰富，自放电低。

但这种电池也有明显缺点，例如重量大，质量比能量低、铅重金属污染等。

2、镉镍电池1899年瑞典人杨格纳（Jiinger）发明镉镍电池，至今也有101年历史了，这也是一个历史久和产量大的电池。

德国Varta是世界上第一个生产镉镍二次电池的厂家。

镉镍电池的电极板使用孔隙性镍烧结板或泡沫镍，正极镍板浸渗Ni（OH）2，负极镍板浸渗或涂布Cd（OH）2，电解液多数为（30～40）％KOH。

正极电位为＋0.52V，负极电位为－0.809V，它在碱性溶液中比H2O还原电位正，Cd自身是稳定的。

镉镍电池的电动势为1.329V。

镉镍电池工作电压为1.2V左右，具有优良的大电流放电性能，可在（－20～60）℃温度范围内工作，但其缺点是存在记忆效应、镉污染环境。

3、镍氢电池镍氢电池是一种碱性电池，其正极采用氢氧化镍，负极采用贮氢合金，电解液采用氢氧化钾的水溶液，单体电压为1.2V。

镍氢电池是90年代发展超来的一种新型绿色电池，其具有如下特点：比能量较高，充放电速度较快，无污染、耐过放和过放，循环寿命较长。

目前高功率的镍氢电池已成功应用于混合电动轿车中，表现出良好的性能。

4、锂离子电池锂离子电池是1989 年问世,1990 年由日本索尼公司首先推向市场的一种新型高能量蓄电池。

其正极采用锂化过渡金属氧化物，如LiCoO2 、LiNiO2 、LiMn2O4等，负极采用能嵌入锂的炭纤维、石墨等炭材料，电解液采用含锂盐的有机溶液，单体电压为3.6V。

充放电过程中的化学反应方程式如下：LixC + Li1-XMyOz→C + LiMyOz其中LixC为锂炭化合物，LiMyOz为锂化过渡金属氧化物。

锂离子电池的比能量和比功率高,充放电性能好,已在便携式信息产品中获得推广应用；并且,由于具有工作电压高、循环寿命较长、自放电率低、无记忆效应、无污染等其它动力电池无与伦比的优越性,现已经成为世界公认的电动汽车动力电池的研发重点。

5、超级电容器超级电容器(Supercapacitor, SC或Ultracapacitor，UC)又称“电化学电容器(Electrochemical Capacitor, EC)”是近年来一直受到人们关注的一种新型储能器件。

它兼具二次电池与静电电容器的双重特性，被认为是一种介于传统电容器和二次电池之间的储能电源（见下图1所示）。

超级电容器在上世纪五、六十年代于美国诞生，并在八十年代由日本NEC 公司率先产业化，其后不断出现了有机超级电容器、大容量高功率超级电容器等新型产品，其有效容量可高达数千法拉甚至数十万法拉。

超级电容器主要是利用电极/电解质界面电荷分离所形成的双电层，或借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第“准电容”来实现电荷和能量的储存的。

超级电容器具有功率密度大、充电迅速、循环寿命长、能量密度较高、使用温度范围宽、储存寿命长、可靠性高、清洁环保等突出的优点，特别适合用于短时间高功率输出以及需要快速充电的场合，妥善解决了储能设备高比功率和高比能量输出之间的矛盾。

各种化学电源的性能比较如下表所示。

二、市场应用情况1、铅酸电池铅酸蓄电池适用范围很广，主要可用作汽车起动电池、电动车动力电池、后备电源以及储能电源等，具体如下。

2、镉镍电池镉镍电池主要应用在电动工具领域。

3、镍氢电池镍氢电池主要应用在混合动力汽车领域。

4、锂离子电池锂离子电池主要应用在手机、便携计算机领域。

其中，电动工具对锂离子电池的需求在持续增长。

5、超级电容器超级电容器储能器件利用其较高比能量、高比功率、超长循环寿命等优越性能，具有广泛的应用领域：（1）消费电子领域，如数码相机、掌上电脑、智能表（智能电表、智能水表、智能煤气表、智能热量表）等；（2）环保、节能汽车领域，如混合动力汽车、纯电动公交车等；（3）风力发电领域；（4）汽车快速启动和低温启动领域；（5）能量回收领域，如轨道交通、港口机械、节能电梯等。

三、投资价值简析随着国民经济的高速发展，二次电源的应用也越来越广泛，市场份额也不断高速增长。

下面就各种二次电源的投资价值作简单分析。

1、铅酸电池铅酸蓄电池作为传统蓄电池技术，虽然技术指标较为落后，且存在污染问题，但是受汽车和储能等市场牵引，其市场份额保持了快速增长势头。

特别由于国家对于铅污染的治理，关停了一大批小型铅酸电池企业，反而促进了大型铅酸电池企业的销售高速增长，2012年国内铅酸市场总值超过1000亿。

由于铅酸电池存在污染，市场渠道相对固定，且目前只有大型传统企业保持了良好的销售业绩，因此传统的铅酸电池并不适合非本领域的资本进行投资。

2、镉镍电池和镍氢电池镉镍电池和镍氢电池在技术指标上处于铅酸电池和锂离子电池之间，目前处境较为尴尬。

在低端市场无法与铅酸电池竞争，在高端市场又难以撼动锂离子电池的地位，成本受限于有色金属价格难以大幅度降低，因此只保留了部分传统特色市场。

即使是这部分传统特色市场，随着高功率长寿命锂离子电池的技术发展，也处于不断被侵蚀状态。

所以目前镉镍电池和镍氢电池也不适合进行投资。

3、锂离子电池锂离子电池代表了高能量二次电源发展的前沿，市场份额增长最为迅速，2012年国内锂离子电池市场销售额超过700亿元。

锂离子电池可以简单分作能量型锂离子电池、动力型锂离子电池、高功率长寿命锂离子电池等几种，总体而言在二次电池中锂离子电池还是最具投资价值的。

能量型锂离子电池正极多使用钴酸锂、锰酸锂、三元材料等，负极使用石墨类材料，主要用于手机、笔记本等便携式用电器中，市场容量巨大。

但是经过几轮原材料涨价和产品降价过程，此部分锂离子电池的技术同质化严重，市场利润空间很小，投资需要谨慎。

动力型锂离子电池主要包括磷酸铁锂电池、动力锰酸锂电池等几种，主要市场为纯电动汽车，及部分混合动力轿车和电动自行车市场等。

目前动力锰酸锂电池正极材料溶解影响寿命的问题还难以解决。

国内目前近千家锂离子电池厂家涉及动力电池业务的绝大多数采用磷酸铁锂电池计时路线，技术上也基本上同质化了，而且由于竞争较激烈，相对市场利润空间也不高。

现阶段虽然电动汽车发展是潮流，也得到了国家的大力支持，但是由于市场还存在着很大的不确定性，目前国内动力锂离子电池企业盈利的不多，投资需谨慎。

高功率长寿命锂离子电池是一种新型锂离子电池技术，具有优秀功率特性、长循环寿命和快速充电能力，同时又保持了较高的能量密度，适用市场涵盖了电动工具、电动玩具、部分白色家电、短时间UPS、高尔夫车、启动电源、部分纯电动汽车和混合动力汽车、港口机械等，应用前景非常广阔。

目前该技术一方面已经进入工程化应用，具备相当的成熟度；另一方面该技术目前尚未广泛扩散，运作得当可以获得较高利润率，值得关注。

4、超级电容器超级电容器作为近年来发展起来的新型二次电源技术，虽然目前国内市场份额只有大概十几亿元，但是其增长非常迅速，未来市场空间巨大，而且其市场主要与新能源和新能源汽车所关联，因此在资本市场上较为关注超级电容器概念股，值得关注。

5、其它电源由于最近新能源概念较热，因此一些其它电源技术也得到一定关注。

例如燃料电池、液流电池等技术尚未成熟到进入市场化；钠硫电池市场空间相对较窄；锂空电池、锌空电池等技术并为成熟；另外还有一些所谓的“新概念”电源，要注意进行分辨。

动力、储能用锂离子电池技术现状及发展趋势1.动力、储能用锂离子电池研究现状锂离子电池是20世纪90年代初期发展起来的先进蓄电池，具有高比能量、高电压、良好的低温性能、低的自放电率和无记忆效应等一系列优点，如表1所示，其工作电压为镍氢电池、镉镍电池的3倍，铅酸电池的2倍，质量比能量密度为镉镍电池的3倍，氢镍电池的2倍，且循环性能良好。

自其问世以来，市场份额不断增加，已经占据了民用小型二次电池市场80％以上的市场份额，全球市场已经超过80亿美金，而且还在进一步增加。

表1 常见电源体系性能对比图电池体系电压/V 质量比能量/Wh/kg体积比能量/Wh/L循环寿命、/80%DOD记忆效应Cd-Ni 1.2 45 160 500~1000 有MH-Ni 1.2 70 240 500~800 有Lead-Acid 2 35 80 300~500 无LIB 3.6 120~200 300 2000 无Zn-Ni 1.65 75 180 300~500 无Zn-air 1.5 135 1000 更换电极无与铅酸电池及镍氢电池相比较，锂离子电池被普遍认为是下一代新能源汽车用动力电源（如图1所示）及大型储能用电源。

传统锂离子电池已经趋向成熟，但电动汽车用动力锂离子电池技术、大规模储能用锂离子电池技术仍处在快速发展中。

图1 电动车领域各类型电池性能比较在车用动力应用领域，2010年是纯电动车上市与电动车动力锂离子电池走向市场实际应用的元年，比较有代表性的有日本、美国等相关企业，如日产Leaf、美国通用V olt等，每次充电行驶里程140-160km，年产销量均在2万辆以上。

电动汽车整车难度在系统集成，而关键技术则在于动力电池。

为此2012年国家经信委发布《规划》指出要“大力推进动力电池技术创新，重点开展动力电池系统安全性、可靠性研究和轻量化设计，加快研制动力电池正负极、隔膜、电解质等关键材料及其生产、控制与检测等装备，开发新型超级电容器及其与电池组合系统，推进动力电池及相关零配件、组合件的标准化和系列化；在动力电池重大基础和前沿技术领域超前部署，重点开展高比能动力电池新材料、新体系以及新结构、新工艺等研究，集中力量突破一批支撑长远发展的关键共性技术”。

要求“到2015年，动力电池模块比能量达到150瓦时/公斤以上，成本降至2元/瓦时以下，循环使用寿命稳定达到2000次或10年以上。

到2020年，动力电池模块比能量达到300瓦时/公斤以上，成本降至1.5元/瓦时以下”。

由此可见，进一步推动以动力电池为代表的新能源汽车关键零部件技术研发和产业化进程，实现汽车“纯电驱动”国家战略，已成为我国新能源汽车发展必然趋势。

尽管国家大力支持，但是国内电动汽车的发展仍不尽如人意，十城千辆计划仍有一定距离。

尚未出现单车销量达到万台级的产业化车型，整个市场仍处于批量示范应用的培育阶段。

整体而言，我国的锂离子动力蓄电池的研究相对较晚，但到目前为止也已取得了一定的成绩。