新能源电池介绍.ppt

新能源電池介紹 电池的分类 2 电池的分类 电池可以分为化学电池 物理电池和生物电池三大类 化学电池将化学能直接转变为电能的装置 主要部分是电解质溶液 浸在溶液中的正 负电极和连接电极的导线 3 化学电池的分类与电池的种类 铅酸蓄电池 构造及工作原理 PbSO4 2H2O PbSO4 PbO2 2H2SO4 Pb 充电反应 硫酸铅 水 硫酸铅 阳极 PbSO4 2H2O 2e PbO2 4H SO42 阴极 PbSO4 2e Pb SO42 PbO2 2H2SO4 Pb PbSO4 2H2O PbSO4 放电反应 过氧化铅 硫酸 海绵状铅 负极 Pb SO42 2e PbSO4 正极 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O 1 除锂离子电池外 在常用蓄电池中 铅酸蓄电池的电压最高 为2 0V 2 价格低廉 3 可制成小至1A h大至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池 4 高倍率放电性能良好 可用于引擎启动 5 高低温性能良好 可在 40 60 条件下工作 6 电能效率高达60 7 易于浮充使用 没有 记忆 效应 1 比能量低 在电动汽车中所占的质量和体积比较大 一次充电行驶里程短 2 使用寿命短 3 充电时间长 4 铅是重金属 存在污染 铅酸蓄电池的特点 缺点 镍氢电池正极是活性物质氢氧化镍 负极是储氢合金 用氢氧化钾作为电解质 在正负极之间有隔膜 共同组成镍氢单体电池 在金属铂的催化作用下 完成充电和放电的可逆反应 M Ni OH 2 MH NiOOH 充电反应 阳极 Ni OH 2 OH e NiOOH H2O阴极 M H2O e MH OH MH NiOOH M Ni OH 2 放电反应 负极 MH OH e M H2O正极 NiOOH H2O e Ni OH 2 OH 镍氢电池 构造及工作原理 镍氢电池的特点 能耐过充过放 4 无污染 镍氢电池不含铅 镉等对人体有害的金属 3 比功率高 目前商业化的镍氢功率型电池能做到1350W kg 1 循环次数多 目前电动车镍氢动力电池 80 放电深度可循环1000次以上 是铅酸蓄电池的3倍以上 2 使用温度范围宽 正常使用温度范围宽 30 55 储存温度范围 40 70 6 无记忆效应 5 安全可靠 短路 挤压 针刺 安全阀工作能力 跌落 加热 耐振动等安全性 可靠性试验无爆炸 燃烧现象 7 镍氢电池具有无污染 高比能 大功率 快速充放电 耐用性等许多优异特性 与铅蓄电池相比 镍氢电池除具有比能量高 质量轻 体积小 循环寿命长的特点外 还具有以下特点 锂离子电池 工作原理 电池在充电时 锂离子从正极材料晶格中脱出 通过电解质溶液和隔膜 嵌入到负极中 放电时 锂离子从负极脱出 通过电解质溶液和隔膜 嵌入到正极材料晶格中 在整个充放电过程中 锂离子往返于正负极之间 锂离子电池的特点 优点 1 工作电压高 锂离子电池工作电压为3 6V 是镍氢和镍镉电池工作电压的3倍 2 比能量高 锂离子电池比能量已达到150W h kg 是镍镉电池的3倍 镍氢电池的1 5倍 3 循环寿命长 目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上 在低放电深度下可达几万次 超过了其他几种二次电池 4 自放电率低 锂离子电池月自放电率仅为6 8 远低于镍镉电池25 30 和镍氢电池15 20 5 无记忆性 可以根据要求随时充电 而不会降低电池性能 6 对环境无污染 锂离子电池中不存在有害物质 是名副其实的 绿色电池 7 能够制造成任意形状 缺点 1 成本高 主要是正极材料氧化钴锂LiCoO2的价格高 但按单位瓦时的价格计算 已经低于镍氢电池 与镍镉电池持平 但高于铅酸蓄电池 2 必须有特殊的保护电路 以防止过充 燃料电池 燃料电池是一种化学电池 它直接把物质发生化学反应 不是燃烧 时释放出的能量变换为电能 工作时需要连续地向其供给活物质 燃料和氧化剂 燃料电池的特点 优点 1 节能 转换效率高 燃料电池的运转效率约为50 70 低功率下的运转效率高 其短时间的过载能力可以达到额定功率的200 非常适合于汽车在加速和爬坡时的动力性能特征 2 排放基本达到零污染 用碳氢化合物作为燃料的燃料电池主要生成物质为水 C02 CO等 属于 超低污染 氢氧燃料电池的反应物只有清洁的水 3 无振动和噪声 寿命长 由于发生的是电化学反应 所以整个过程中没有噪声和机械振动的产生 从而减少机械器件的磨损 延长了使用寿命 4 结构简单 运行平稳 能量转化在静态下完成 结构比较简单 构件的加工精度要求低 缺点 1 燃料种类单一 主要是液态氢 气态氢以及碳水化合物经过重整后转换的氢 氢气的产生 存储 保管 运输和灌装或重整 都比较复杂 对安全性要求高 2 要求高质量的密封 燃料电池组中的单体电池间的电极连接时 必须要有严格的密封 否则氢气泄漏会降低氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率 还会引起氢气燃烧事故 3 价格高 制造成本高 电池价格昂贵 4 需要配备辅助电池系统 通常在燃料电池汽车上还要增加辅助电池 来储存燃料电池富裕的电能和汽车在减速时接受再生制动的能量 质子交换膜燃料电池 基本结构 质子交换膜 催化剂层 扩散层 集流板 质子交换膜 不仅是一种将阳极的燃料和阴极的氧化剂隔开的隔膜材料 还是电解质和电极活性物质 电催化剂 的基底 电催化剂 为了加快电化学反应速度 气体扩散电极上都含有一定量的催化剂 目前多采用铂催化剂 双极板和流场 作用是分隔反应气体 收集电流 将各个单电池串联起来和通过流场为反应气体进入电极及水的排出提供通道 工作原理 2H2 4H 4e 阳极 4H 4e O2 2H2O 阴极 2H2 O2 2H2O 总反应 导入的氢气通过阳极集流板 双极板 经由阳极气体扩散层到达阳极催化剂层 在阳极催化剂作用下 氢分子分解为带正电的氢离子并释放出带负电的电子 完成阳极反应 氢离子穿过膜到达阴极 电子在外电路形成电流 通过适当连接可向负载输出电能 在电池另一端 氧气通过阴极集流板经由阴极气体扩散层到催化剂层 在阴极催化剂的作用下 氧与透过膜的氢离子及来自外电路的电子发生反应生成水 完成阴极反应 电极反应生成的水大部分由尾气排出 小部分在压力差作用下通过膜向阳极扩散 新能源汽车中的电池技术 质子交换膜燃料电池的特点 1 能量转化效率高 通过氢氧化合作用 直接将化学能转化为电能 不通过热机过程 不受卡诺循环的限制 2 可实现零排放 其唯一的排放物是纯净水 及水蒸气 没有污染物排放 是环保型能源 3 运行噪声低 可靠性高 PEMFC电池组无机械运动部件 工作时仅有气体和水的流动 4 维护方便 PEMFC内部构造简单 电池模块呈现自然的 积木化 结构 使得电池组的组装和维护都非常方便 也很容易实现 免维护 设计 5 发电效率受负荷变化影响很小 非常适合于用作分散型发电装置 作为主机组 也适于用作电网的 调峰 发电机组 作为辅机组 6 氢气来源极其广泛 氢是世界上最多的元素 是一种可再生的能源资源 取之不尽 用之不绝 可通过石油 天然气 甲醇 甲烷等进行重整制氢 也可通过电解水制氢 光解水制氢 生物制氢等方法获取氢气 15 质子交换膜燃料电池现状 20世纪60年代 美国首先将PEMFC用于Gemini宇航飞行 伴随着全氟磺酸型质子交换膜碳载铂催化剂等关键材料的应用和发展 80年代 PEMFC的研究取得了突破性进展 电池的性能和寿命大幅提高 电池组的体积比功率和质量比功率分别达到1000W L 700W kg 超过了DOE和PNGV制定的电动车指标 90年代以来 基于质子交换膜燃料电池高速进步 各种以其为动力的电动汽车相继问世 至今全球已有数百台以PEMFC为动力的汽车 潜艇 电站在国内外示范运行 由于质子交换膜燃料电池高效 环保等突出优点 引起了世界各发达国家和各大公司高度重视 并投巨资发展这一技术 美国政府将其列为对美国经济发展和国家安全至为关键的27个关键技术领域之一 加拿大政府将燃料电池产业作为国家知识经济的支柱产业之一加以发展 美国三大汽车公司 GM Ford Chryster 德国的Dajmier Benz 日本的Toytomotor等汽车公司均投入巨资开发PEMFC汽车 处于领先地位的加拿大Ballard公司已经开始出售商业化的各种功率系列的PEMFC装置 Chrysler 克莱斯勒 Ford 福特 GM 通用 Honda 本田 Nissan 尼桑 VolkswagenAG 大众 和Volvo 沃尔沃 等 它们许多正在使用的燃料电池都是由Ballard公司生产的 此外ballard公司与PlugPower公司建立合作伙伴 ballard公司为PlugPower公司提供电堆 16 目前国内外开发的几种燃料电池汽车的性能完全可以与内燃机相媲美 图一 本田在2015东京车展前 发表了其全新的FCV 燃料电池汽车 根据美国环境保护署 EPA 的评级系统 只需装载5公斤的氢燃料 就足以推动该车行驶超过300英里 482km 此外 为它加满燃料也只需3分钟 图二 丰田Mirai每1加仑氢气可行驶107 8公里 以及单次加满 可行驶502 1公里 312英里 的记录 图三 佛山市飞驰汽车制造有限公司与加拿大巴拉德公司共同研制燃料电池公交车 该车辆长度10 96米 载客78人 续航达到300公里以上 每百公里用7公斤氢气 本田FCV 丰田Mirai 飞驰FSQ6110FCEVG 17 生物电池 生物电池 bio fuelcells 是指将生物质能直接转化为电能的装置 从原理上来讲 生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应 这些氧化还原反应彼此影响 互相依存 形成网络 进行生物的能量代谢 主要用途 燃料结构 使用生物燃料电池 1L糖类物质 葡萄糖等 的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶25 30Km 如果汽车的油箱为50L的话 装满后可连续行驶1000Km而不需要再补充能源 污水处理 2005年 美国宾夕法尼亚大学的研究小组宣布 已成功研制一种新型的微生物电池 可以将未处理过的污水 通过微生物降解 转变为清洁的水和电能 18 能量支持 2005年 日本东北大学研究小组新开发出一种利用血液中的糖分发电的生物电池 这样的生物电池可为植入糖尿病患者体内的测定血糖值的装置提供充足电量 为心脏起搏器提供能量 机器人应用 2001年 英国西英格兰大学的科学家们研制出了一种名为 Slugbot 的机器人 用于搜捕危害种植业的鼻涕虫放在一容器中 在酶的作用下将其转化为电能 19 未来展望 随着经济发展与环境 能源的矛盾越来越突出 生物电池因其绿色无污染且原料广泛 生物相容性好 能够在常