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科普贴:动力电池类型及应用特点

日期:2019-01-09    来源:产业创新智库

国际充换电网

2019
01/09
11:30
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关键词: 动力电池 锂电池 锂电池技术

  超级电容电池
 
  超级电容电池又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)是一种新型储能装置,它具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。
 
  对比锂离子动力电池与超级电容电池的特点如下:
 
QQ截图20190109112807
 
  飞轮电池
 
  飞轮电池是20世纪90年代才提出的新概念电池,它突破了化学电池的局限,用物理方法实现储能。当飞轮以一定角速度旋转时,它就具有一定的动能,飞轮电池正是以其动能转换成电能的。
 
  飞轮电池中有一个电机,充电时,该电机以电动机形式运转,在外电源的驱动下,电机带动飞轮高速旋转,即用电给飞轮电池"充电"增加了飞轮的转速从而增大其功能;放电时,电机则以发电机状态运转,在飞轮的带动下对外输出电能,完成机械能(动能)到电能的转换。当飞轮电池发出电的时,飞轮转速逐渐下降,飞轮电池的飞轮是在真空环境下运转的,转速极高(高达200000r/min),使用的轴承为非接触式磁轴承。据称,飞轮电池比能量可达150Wh/kg,比功率达5000-10000W/kg,使用寿命长达25年,可供电动汽车行驶500万公里。
 
  美国飞轮系统公司已用最新研制的飞轮电池成功地把一辆克莱斯勒LHS轿车改成电动轿车,一次充电可行驶600km,由静止到96km/h加速时间为6.5秒。
 
  飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点,主要表如下几个方面:
 
QQ截图20190109112819
QQ截图20190109112828
 
  燃料电池
 
  燃料电池(Fuel Cell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置,其单体电池是由正负两个电极(负极即燃料电极和正极即氧化剂电极)以及电解质组成,不同的是一般电池的活性物质贮存在电池内部,限制了电池容量。而燃料电池的正、负极本身不包含活性物质,只是个催化转换元件。因此燃料电池是名符其实的把化学能转化为电能的能量转换机器。电池工作时,燃料和氧化剂由外部供给,进行反应。原则上只要反应物不断输入,反应产物不断排除,燃料电池就能连续地发电。
 
  这里以氢-氧燃料电池为例来说明燃料电池。
 
  氢-氧燃料电池反应原理是电解水的逆过程。
 
QQ截图20190109112849
 
  燃料电池组成部分

QQ截图20190109112856
 
  燃料电池通常由形成离子导电体的电解质板和其两侧配置的燃料极(阳极)和空气极(阴极)、及两侧气体流路构成,气体流路的作用是使燃料气体和空气(氧化剂气体)能在流路中通过。
 
  燃料电池的分类

QQ截图20190109112905

  太阳能电池
 
  太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”,是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被满足一定照度条件的光照到,瞬间就可输出电压及在有回路的情况下产生电流。在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic,voltaics伏特,缩写为PV),简称光伏。
 
  工作原理
 
  太阳光照在半导体p-n结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结内建电场的作用下,光生空穴流向p区,光生电子流向n区,接通电路后就产生电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
 
QQ截图20190109112914
 
  太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
 
QQ截图20190109112921
 
  钠氯化镍蓄电池
 
  钠氯化镍蓄电池(zebra电池)是80年代中期研究开发的一种新型高能量动力电池,其名称“ZEBRA”是“Zero Emission Battery Research Activity”的缩写,表示其为一种零排放无污染的绿色电源……最早由南非ZEBRA Power Systems Ltd 发明,近年来发展较快。是以钠离子传导的b?-Al2O3固体电解质构成的一种新型高能电池,它与同一电池体系中先前已研发的钠-硫电池(以下称NaS电池)有着千丝万缕的关系, Zebra 电池实际上就是在NaS电池研制基础上发展起来的。
 
  ZEBRA电池与Na-S电池对比
 
QQ截图20190109112930
 
  Zebra 电池还有其独到之处的特性
 
  (1)电池制备过程无液态钠操作麻烦,比较简单、安全。因其制备通常都在放电状态,即用镍和氯化钠作为正极材料,通过首次充电在负极产生钠金属;
 
  (2)电池连接可以任意方式进行串并联排列组合,即使当电池组内部发生少量电池损坏时(一般<电池总数的5%)无需更换,仍可继续工作。因其发生损坏时由于正负极直接接触反应生成铝而形成电池内部短路呈导通状态所致;
 
  (3)电池能承受反复多次冷热循环。据早期报导,电池在进行了100次冷热循环后,无容量和寿命衰退的迹象发现。因其正极的镍基混合物具有比b?-Al2O3陶瓷管高的热膨胀系数,所以在冷却固化时会收缩脱离b?-Al2O3管,无应力产生的问题;
 
  (4)电池抗腐蚀能力相应增强。因其电池结构中将腐蚀性相对较强的正极活性物质置于b?-Al2O3陶瓷管内,从而降低了对电池金属壳体材料的防腐苛求,并扩大了选材范围,同时也降低了电池制备成本;
 
  (5)电池有相对宽广的工作温度范围。从相图中可查,NaAlCl4的熔点是157℃,固态NaCl和NiCl2发生低共熔点的温度是570℃。从理论上讲Zebra 电池的工作温度区域可以在157℃至570℃范围,因考虑到电池实际有效功率输出,一般认为在270℃至350℃温度范围对Zebra 电池比较合适。
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