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            鋰電池與鉛酸電池對比和發展趨勢分析

             

            關鍵詞:鋰電池,鉛酸電池,太陽能,石墨烯,動力電池

            電池泛指能產生電能的小型裝置,對發電系統的儲能非常重要,特別是光伏發電系統。儲能電池的種類非常多,太陽能供電系統用何種儲能電池才最合適安防行業、通信行業等泛IT系統建設使用?儲能電池各自的優缺點和使用特性如何?電池技術未來的發展趨勢如何?本文是新竹科技結合自身多年的IT及物聯網行業從業經驗,對電池技術的總結和趨勢分析。

            目前常用的電池有三種:鉛蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池。較普遍的認識是,鉛蓄電池是電動車、汽車點火、太陽能光伏及UPS電源系統等行業常用的電池,缺點是重量較大、壽命斷、有記憶效應,優點是價格低;鋰離子電池是一般手機、電子設備等常用的電池,優點是重量輕、容量大、壽命長、無記憶效應,缺點是穩定性差(鋰電的安全問題隨著各種保護電路的設計使用,安全問題已經基本解決);鎳氫電池應該界與兩者之間,低不成高不就,所以應用范圍遠不及前兩者。事實情況真的是這樣嗎?電池行業的發展趨勢將向何處去?新竹科技一直立足物聯網產品和應用,一直關注電池技術的發展,本文通過對比對主流的電池技術探討電池的發展趨勢。

            首先,我們先對比鋰電池和鉛酸電池的原理和發展歷程。

            1、鉛酸電池:鉛酸電池(VRLA),是一種電極主要由鉛及其氧化物制成,電解液是硫酸溶液的蓄電池。鉛酸電池放電狀態下,正極主要成分為二氧化鉛,負極主要成分為鉛;充電狀態下,正負極的主要成分均為硫酸鉛。在放電過程中遵循雙硫酸鹽反應規則,正負極材料上都有PbSO4晶粒生成,鉛酸蓄電池的標稱電壓是2V,理論比能量是166.9Wh/kg,實際比能量為3545Wh/kg。由于電解液存在的導電性,使得鉛酸電池存在自放電和充電的時候不允許大電流充電,所以一般鉛酸電池的充電都限制在0.3C以下。

            法國人普蘭特于1859年發明鉛酸蓄電池,已經歷了近150年的發展歷程,鉛酸蓄電池在理論研究方面,在產品種類及品種、產品電氣性能等方面都得到了長足的進步,不論是在交通、通信、電力、軍事還是在航海、航空各個經濟領域,鉛酸蓄電池都起到了不可缺少的重要作用。

            2、鋰電池:鋰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和脫嵌。正極材料主要是鋰的活性物質一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰,鎳鈷錳酸鋰材料(俗稱三元),磷酸鐵鋰等活性鋰合物質。負極材料主要是負極采用鋰-碳層間化合物LiXC6,基本是性能和化學穩定性比較好的碳材料,石墨、碳纖維、玻璃碳等等,在負極材料方面石墨烯由于其優異的充放電性能,越來越多的受到各個鋰電池廠家以及投資機構的關注。

            鋰電池大致可分為兩類:鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態的鋰,并且是可以充電的?沙潆婋姵氐牡谖宕a品鋰金屬電池在1996年誕生,其安全性、比容量、自放電率和性能價格比均優于鋰離子電池。由于其自身的高技術要求限制,現在只有少數幾個國家的公司在生產這種鋰金屬電池。

            1970年代?松M.S.Whittingham采用硫化鈦作為正極材料,金屬鋰作為負極材料,制成首個鋰電池。1991年索尼公司發布首個商用鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費電子產品的面貌,廣泛應用于電子產品和設備中。

            鋰電池雖然發明商用較晚,但因為其能量比高,后發優勢明顯,特別是IT及物聯網發展極大的刺激了鋰電池技術的發展和進步。新竹科技的iMT-iPower1600Li主要應用方向也是IT及物聯網行業室外離網供電。

            從環保角度講,鉛酸電池業屬于有色金屬下游產業中污染最嚴重的行業之一,其強污染力和不可降解的特性一直以來飽受詬病。在生產后期所排放的廢酸、廢堿、廢水對水源的污染也極大。比較而言,鋰電池在環保上則擁有天然的優勢,因其原材料中不含有污染性重金屬,生產過程產生的污染物也遠低于鉛酸電池。

            新能源汽車對于電池重量和儲能提出了更高的要求,鋰電池是目前新能源汽車行業最主要的動力電池。據了解,目前我國推廣的新能源汽車(包括純電動汽車和插電式混合動力汽車)大多都采用鋰離子電池,其中磷酸鐵鋰占到80%90%,三元鋰電池在乘用車上也開始大規模應用。鉛酸電池則因為價格便宜、技術成熟、歷史原因等,目前電動自行車使用的電池大都是鉛酸電池。

            通過深入了解和對比,我們很容易得出鋰電池相比鉛酸電池的優點:

            1).能量比較高。具有高儲存能量密度,目前最高已達到460Wh/kg,是鉛酸電池的約5-10倍,未來可能會更高(比能量指的是單位重量或單位體積的能量,比能量用Wh/kgWh/L來表示。)

            2).使用壽命長,使用壽命平均3年,最高可達到6年以上,鉛酸電池的循環壽命在300次左右,錳鋰電池循環壽命達到500-800次,鐵鋰電池循環壽命達到2000,最新的技術鋰電能達到5000次以上。

            3).額定電壓高(單體工作電壓為3.7V3.2V),約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓,便于組成電池電源組;鋰電池可以通過一種新型的鋰電池調壓器的技術,將電壓調至3.0V,以適合小電器的使用。

            4).具備高功率承受力,其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30C充放電的能力,便于高強度的啟動加速;

            5).自放電率很低,這是該電池最突出的優越性之一,一般可做到1%/月以下,不到鎳氫電池的1/20;

            6).重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產品的1/6-1/5;

            7).高低溫適應性強,可以在-10--60℃的環境下使用,經過工藝上的處理,可以在-40℃環境下使用(低溫環境使用鋰電,新竹科技可提供定制化服務);

            8).綠色環保,不論生產、使用和報廢,都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。

            但鋰電池商用到目前也就20多年,相比150多年技術成熟的鉛酸電池,其多方面依然需要發展進步:

            1).鋰電池安全性問題一直是用戶關系的問題,鋰離子電池存在爆炸的危險,但安全性是可控的,引發安全問題多是在產品缺陷和濫用的情況下。

            鋰離子電池必須要均需保護線路,防止電池被過充電過放電。為了避免因使用不當造成電池過放電或者過充電,在單體鋰離子電池內設有三重保護機構:一是采用開關元件,當電池內的溫度上升時,它的阻值隨之上升,當溫度過高時,會自動停止供電;二是選擇適當的隔板材料,當溫度上升到一定數值時,隔板上的微米級微孔會自動溶解掉,從而使鋰離子不能通過,電池內部反應停止;三是設置安全閥(就是電池頂部的放氣孔),電池內部壓力上升到一定數值時,安全閥自動打開,保證電池的使用安全性。

            隨著鋰電池安全技術的發展,鋰電池的使用一定會越來越安全、越來越普及。

            2).生產要求條件高,成本高。關于最重要的成本問題,實際上鋰電成本不比鉛酸成本貴很多,在小型儲能電池使用情況下,鋰電比鉛酸更具競爭力。目前鋰電昂貴的原因是因為其技術還在不斷進步,舊的生產工藝淘汰迅速,廠家為在短時間收回成本,必定有比其它行業更高的利潤率,當技術發展成熟,產業規模形成,鋰電的價格一定會比鉛酸還便宜。

            所以鋰離子電池優勢明顯,體積最小,重量最輕,能量比高,高低溫倍率放電性能最好,壽命最長,最環保,維護最簡單,非常適合小型儲能系統使用,這也正是新竹科技在iMT-iPower1600Li新能源供電系統中采用鋰電池的最根本原因所在。

            20112015年間,中國鋰電池產量和全球發展趨勢相同,但明顯增勢更為明顯,增長了2.8倍。而鋰電池市場規模亦從2011年的277億元增長到2015年的850億元,復合年增長率高達32.4%。2016年,全國規模以上電池制造企業累計主營業務收入5501.2億元,同比增長18.8%,實現利潤總額373.4億元,同比增長37.4%。其中鋰離子產品主營業務收入2824億元,同比增長33.3%,實現利潤總額235.6億元,同比增長73.5%。由以上數據可知,鋰離子電池已經占據電池行業半壁江山。

            目前看電池發展趨勢,鋰電池取代鉛酸電池只是時間問題,但電池技術一定會繼續發展,科學界更傾向于燃料電池的方向,但目前燃料電池中最主要氫燃料電池則是問題多多,仍有待成熟。鋰電池技術本身也在不斷發展和完善。

            日本國家材料科學研究院(NIMS2016年宣布已經開發出一種能量密度非常高的新型鋰電池。NIMS將這種新型鋰電池稱為“鋰空氣電池”,其單位體積下的能量密度幾乎接近極限,同時成本也能夠得到很好的控制。NIMS介紹,“鋰空氣電池”使用碳納米管作為空氣電極材料,通過電極結構的優化,可以實現很高的能量密度,是普通鋰電池的15倍之多。NIMS表示,目前的“鋰空氣電池”只是試驗產品,今后會繼續優化設計,進一步提高能量密度。

            受樹木結構的啟發,美國馬里蘭大學的工程師對木頭進行改造,將其作為鋰金屬電池負極的特殊結構,以此避免某些關鍵因素導致的電池故障。他們提出了一種新的設計,將電池中的鋰離子存儲在木材中用于運輸水和養分的天然通道中。這樣做出來的電池十分安全,可進行快速的充電和放電。

            根據華為中央研究院瓦特實驗室2016121日發布的消息稱,華為已經在鋰離子電池領域實現重大研究突破,將會推出業界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池。主要特色是借助新型耐高溫技術,可以將鋰離子電池上限使用溫度提高10℃,而使用壽命則是普通鋰離子電池的2倍。

            相信隨著市場的擴大和產業鏈的優化,鋰電池技術發展會更安全、更高效、更經濟,新竹科技將第一款離網太陽能供電系統定位于鋰電儲能,正是預見了未來鋰電池的廣大市場,將來會推出更多的基于鋰電的產品和系統。

             

             

             

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