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      材料科普11:化學電池類型有哪些?
      2022年05月26日 發布 分類:粉體入門 點擊量:153
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      新能源相關產業相關產業如火如荼,與之相關的新能源電池也備受大家關注,磷酸鐵鋰、三元鋰電、固態電池等相關概念非常火爆,但電池可不止如上這幾種哦,下文一起來科普科普吧~~

      100Mwh電池儲能電站

      寧德時代位于青海的100Mwh電池儲能電站:大容量電池儲能技術可為綠色風電/太能能等并網提供條件

      一、三大電池種類:生物電池、物理電池及化學電池

      “電池”廣義上是泛指能產生電能的裝置,按電池原理劃分,主要可分為生物電池、物理電池、化學電池三大類。

      化學電池是生活中使用最多的電池。它是將化學能直接轉化電能的裝置,能量轉化高(可高達80%,物理電源如火電、風能、太陽能約為25%),應用廣泛,可儲能可與其他能源配合使用,已經廣泛應用于各國工業、軍事及其他部門。

      物理電池是指利用物理原理制成的電池,其特點是能在一定條件下實現直接的能量的轉換,主要有太陽能電池、飛輪電池、核能電池和溫差電池。

      生物電池是利用生物(如生物酶、微生物或葉綠素等)分解反應過程中表現出得帶電現象所進行的能量交換,有酶電池、微生物電池和生物太陽電池等。

      電池種類

      二、化學電源電池的分類

      化學電池分類方法眾多,常按電解液種類、正負極材料和電池功能不同進行分類。當然,不同分類方法并不代表某一電池體系只能分屬于一次電池或二次電池或儲備電池或/燃料電池,恰恰相反,某一電池體系可以根據需要設計成不同類型的電池,如鋅銀電池可以設計為一次電池,也可以設計為二次電池或儲備電池。

      1、第一類:按電池的電解液種類劃分

      可分為堿性電池、酸性電池、中性電池及有機電解液電池等。堿性電池的電解質主要是以以氫氧化鉀水溶液為主的電池,如:堿性鋅錳電池(俗稱堿錳電池或堿性電池)、鎳鎘電池,鎳氫電池等。酸性電池主要以硫酸水溶液為介質,如鉛酸電池等;中性電池是以鹽溶液為介質,如鋅錳干電池;有機電解液電池,主要以有機溶液為介質的電池,如鋰電池、鋰離子電池等。電解液為固體電解質的電池成為固體電解質電池。

      2、第二類:按電池所用正、負極材料劃分

      常分為鋅系列電池、鎳系列電池、鉛系列電池、鋰系列電池、二氧化錳系列電池及空氣(氧氣)系列電池等。

      ①鋅系列電池有鋅錳電池、鋅銀電池等;②鎳系列電池有鎘鎳電池、氫鎳電池等:③鉛系列電池,有鉛酸電池等;④鋰系列電池有鋰離子電池、鋰錳電池、聚合物鋰電池、磷酸鐵鋰電池等;⑤二氧化錳系列電池,有鋅錳電池、堿錳電池等;⑥空氣(氧氣)系列電池,如鋅空氣電池、鋁空氣電池等。

      3、第三類:按電池功能分(使用最多的一種分類方式)

      按工作性質和貯存方式不同的分類方法,可分為一次電池、二次電池、燃料電池和儲備電池四類。

      ①一次電池(原電池)

      一次電池,又稱原電池,不可充電,一次電池使用后就必須廢棄,如鋰原電池等。如果原電池中電解質不流動則稱為干電池,如鋅錳干電池,鋅汞干電池、鋅銀干電池等。

      CR系列3V鋰錳扣式電池

      CR系列3V鋰錳扣式電池不可充一次電池

      (紐扣電池也有可以充電的,比如藍牙耳機用的)

      一次電池常用于低功率到中功率放電。它們使用方便,相對價廉。外形以扁形、扣式和圓柱形為多見。常以單體電池或電池組的形式用于各種便攜式電氣和電子設備。圓柱形(干)電池廣泛用于照明、信號和報警裝置,還廣泛用于半導體收音機、收錄機、計算器、玩具以及剃須刀、吸塵器等家庭和生活用品上。扣式電池廣泛應用于手表等,薄形電池還用于CMOS電路記憶儲存電源。同時,一次電池廣泛應用于軍事便攜通信、雷達、夜間監視等設備,還用于氣象儀器、導航儀器等。

      紐扣電池

      藍牙耳機上用的是二次的紐扣電池或者軟包電池

      ②二次電池(蓄電池)

      二次電池及其電池組(即可充電池,習慣上稱為蓄電池),其電池的沖放電反應是可逆的,放電時化學能轉化為電能,通反向電流(充電)時體系回復到原來的狀態,即將電能轉化為化學能儲存起來。常用于較大功率的放電如汽車啟動、照明和點火。二次電池的另一主要用途是輔助和(備用)應急電源,以及(浮充狀態下)負荷平衡供電。它作為卓有成效的電化學儲能裝置在人造衛星、宇宙飛船和空間站方面,在潛艇和水下推進方面,在電動汽車輛及儲能站方面的應用,正越來越顯示出新的生命力。


      【行業數據】鋰離子動力電池市場及技術進展

      鋰電行業,除了動力電池,儲能電池也很熱

      蓄電池的具體稱謂通常是將負極置前、正極隨后構成,如鎘鎳電池、氫鎳電池、鈉硫電池等等,當然也有例外,如鉛酸蓄電池正負極均為同類材料,分別是鉛的氧化物(PbO2)和鉛(Pb),所以就稱之為鉛酸電池,亦可簡稱為鉛電池。

      蓄電池品種繁多,分類方式也很多,一般在教科書上最常見的方式是按電池電解質特性劃分,分為酸性電池、堿性電池和固體電解質電池等。如鉛酸電池電解質是硫酸溶液,歸酸性電池;鎘鎳電池電解質是氫氧化鉀溶液,歸堿性電池;鈉硫電池電解質是β-Al2O3陶瓷材料,歸固體電解質電池。另外,也有按電池工作溫度的不同劃分為常溫電池、中溫電池和高溫電池。然而,在平時生活當中,人們一般更習慣于按電池的具體用途來進行劃分,如手機電池、數碼相機電池、動力電池、儲能電池等等。

      小電驢用的電瓶一般為鉛酸蓄電池

      ③燃料電池

      燃料電池乍看與一般電池相似,也有正負極和電解質等電池主要部件,但細看發現與一般電池不同的是其正負極本身并無活性物質,負極(燃料電極)和正極(氧化劑電極)只是進行電極反應的催化轉換載體。以氫氧燃料電池為例,當電池工作時,反應物燃料氫(H2)和氧化劑氧(O2)分別由外部供給進行反應,原則上只要將這些反應物氫(H2)和氧(O2)不斷輸入,反應產物水(H2O)不斷排除,燃料電池就能源源不斷地輸出電來。所以,燃料電池更象是一個“發電廠”,也可以認為是一種持續的“一次電池”。

      燃料電池種類也不少,按其工作溫度不同從低到高依次為常溫堿性燃料電池(AFC)和質子膜燃料電池(PEMFC);中溫磷酸型燃料電池(PAFC)和熔融碳酸鹽燃料電池(MCFC);以及高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)等。

      質子交換膜燃料電池,是目前最受研發機構和商業應用領域關注的燃料電池,小到手機和其他電子設備的便攜電源,大到游船、轎車和公共汽車的動力以化學儲能技術及其在電力系統中的應用。其應用主要集中在備用電源市場、電動汽車市場和特種車輛市場,在這3個市場中,均有較為明朗的技術發展傾向。在備用電源市場上,解決燃料電池的氫氣供應問題和成本過高問題是未來發展的主要關注點。長久來看,燃料電池的發展要通過降低成本進軍低端市場,并在低端市場取得價格優勢,也需要考慮氫氣源存放問題,符合各國不同的消防規定,使客戶自主選擇燃料電池作為備用電源。

      ④貯備電池

      儲備電池,常在特殊的環境下使用。電池貯存時不直接接觸電解液,直到電池使用時,才加入電解液或使用其他方法使其激活。

      如儲備熱電池和儲備鋅銀電池經多年長期儲存之后能在短時間內高倍率放電,用作導彈電源。在微安級低倍率放電條件下工作的固體電解質電池,儲存壽命或工作壽命特別長,可用作心臟起搏器和計算機儲存電源等可靠性要求特別高和壽命特別長的場合。

      ▼各種類型的電池的主要應用范圍


      三、化學電源的組成

      化學電源由正負極、電解質、隔膜及外殼等部分組成,其外型五花八門,有扣式、平板式、圓柱形、矩形等等。

      1、電極

      電極包括正極和負極,是電池的核心部件,它由活性物質和導電骨架組成,活性物質是電池放電時,通過化學反應能產生電能的電極材料,活性物質決定了電池的基本特性,活性物質多為固體,也有液體和氣體。

      2、電解液

      電解液也是化學電源不可缺少的組成部分,它與電極構成電極體系,僅有電極、沒有電解液,也不能進行電化學反應,電極材料選定后,電解液有一定的選擇余地,電解液不同,電極的性能也不同,有時候甚至關系電池的成敗。電解液保證正負極間的離子導電作用,有點電解液還參與成流反應。

      3、隔膜

      隔膜,又稱隔板,置于電池電極之間,主要作用是防止電池正極與負極接觸而導致的短路,同時使正、負極形成分隔的空間,由于采用隔膜,兩個電極的距離可大大減少,電池結構緊湊,電池內阻也降低,比能力可以提高。(PS:我們常說的液態鋰電池的構成包括正極、負極、電解液、隔膜四大材料,固態電池的構成包括正極、負極、電解質三大材料。)

      隔膜

      4、外殼

      外殼是電池的容器,同時兼有保護電池的作用,在現代化學電源中,只有鋅錳干電池是鋅電極兼做外殼,其他各類化學電源均不用活性物質兼做容器,而是根據情況選擇合適的材料作為外殼。

      電池外殼應具有良好的機械強度、耐震動和耐沖擊,并能耐受高低溫環境的變化和電解液的腐蝕,因此在設計及選擇電池外殼的結構及材料時,應考慮上述要求,化學電源的外殼可采用各種橡膠、塑料以及某些金屬材料。

      四、化學電源(電池)性能

      化學電源(電池)性能通常是指電性能,其主要參數有電動勢、開路電壓、工作電壓、內阻、容量、比能量和壽命等。

      1、 容量與比能量

      容量系指電池放電電量,與電池本身大小有關,一般用安時(Ah)表示。比能量是指電池單位質量或單位體積所具有的電能量,用瓦時/千克(Wh/Kg)或瓦時/立方分米(Wh/dm3)表示。具體有理論比能量和實際比能量之分,理論比能量是指僅以電池參與電化學反應活性物質的量計算的數值,而實際比能量則是按照電池實際放電能量與其質量或體積之比實測的數值,由于電池放電時其內阻需消耗一定壓降,再加上電池除正負極活性物質外,還有電解質、外殼等也占了一定重量和體積,所以電池實際比能量總是要遠低于其理論比能量。舉個例子,如鉛酸電池的理論比能量約為170 Wh/Kg,而實際比能量僅為35 Wh/Kg左右。所以,比能量大小是比較電池性能差異的一個關鍵參數。自上世紀60-90年代以來陸續研制開發的一些新型電池由于其比能量高(大于100Wh/Kg),被稱為高能電池,如鈉硫電池、鋰離子電池等。

      2、 壽命

      電池充放電循環壽命是衡量電池性能的一個主要參數。平時生活中人們總是希望電池使用壽命(充放電循環次數)能夠越長越好。通常各類電池的使用壽命參差不齊,如鉛酸電池使用壽命一般在200-300次左右,而一些高能電池,如鈉硫電池、鋰離子電池的使用壽命則可望大于1000次。另外,對同一類電池而言,其工作狀態如工作溫度、充放電條件、放電深度等差異也會影響電池實際壽命。一般來說,適當提高電池工作溫度,在小電流、淺放電的工作條件下,將會大大有助于延長其使用壽命。

      3、 電動勢與開路電壓

      電動勢與開路電壓兩者都定義為電池斷路時(即無負荷情況下)的電壓值,用伏特(V)表示,但從嚴格意義上講,電動勢是指電池正負兩極在處于熱力學平衡狀態時的電極電位差,它是從對應的熱力學函數計算的理論數值;而開路電壓則是用高阻抗的電位差計或高精度的數字電壓表對電池測量的實際數值,兩者有一定差異,所以電池開路電壓并不等于電動勢,只能說是接近并總是小于電動勢。

      電動勢或開路電壓取決于電池正負極活性物質的電化學特性,是組成一個新電池的先天要素,其與電池本身大小無關。所以,電動勢或開路電壓值的高低往往是初始區分電池特性的一個基本參數。

      4、 工作電壓與內阻

      電池工作電壓(放電電壓)是指電池在有電流通過外電路負載做功時克服其本身內阻壓降后所顯示的電壓值,即電池開路電壓與與其工作時內阻壓降的差值,用伏特(V)表示。很明顯,如電池內阻越小,則相應電池的工作電壓就越大。所以,內阻是表征電池性能的一個重要參數。

       

      參考來源:

      1、化學電源技術,作者:上海空間電源研究所,出版社:科學出版社

      2、化學電源—絢麗多彩的電池世界,上海硅酸鹽研究所,曹佳弟

      3、化學儲能技術及其在電力系統中的應用;蘇偉等編著;科學出版社

       

      編輯:粉體圈Alpha

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