电池储能技术（共12篇）
电池储能技术 篇1
0 Introduction
As a broadly applied power source for portable devices, lithium-ion battery has advantages of high energy density, no memory effects, long cycle life, being environmental friendly, etc. After small lithium-ion batteries are dominant in the consumer electronics area, large lithium-ion batteries are developed, marching into automobile and power grid applications.
The application of lithium-ion battery brings about fire accidents and explosions, many researchers in the field of battery chemistry have studied and analyzed the reasons of battery failures under various conditions from a chemistry point of view[1,2,3,4]. According to such studies, continuous improvements of battery components were made: various anode and cathode materials were developed to improve the chemical stability; a multilayer separator was designed to limit thermal runaway[5]; proper additives were introduced into electrolyte to block chemical reactions[6] or to discharge the battery itself for mitigation of overcharge risk without affecting normal charging[7], etc. Manufacturing and assembling techniques were also improved to decrease the defect probability. However, detailed substances of battery components and the quality of battery assembling, which highly affect the safety of the battery, remain unclear to electrical engineers operating battery energy storage system (BESS). Therefore, principles of lithium-ion battery needs to be presented, then a basic perspective on risks caused by lithium-ion battery and reasons of such risks can be gained. This perspective will provide engineers operating BESS with proper ways for well-regulated safety.
1 Principles of Lithium-ion Battery Cell
1.1 Components of a Lithium-ion Battery Cell
In the lithium-ion chemistry system, both the positive and negative electrodes serve as host structures for the lithium-ions. Different kinds of metal oxide of lithium, such as LiCoO2, LiFePO4 and LiMn2O4, etc, can be used as the positive material (called the cathode material). Graphite is the normal choice for the negative material (called the anode material). Fig. 1 shows the basic components of a lithium-ion battery cell, and the dashed lines refer to the discharge process.
In the process of battery charging, the lithium-ions flow from the positive material to the negative material inside the battery via the electrolyte, while the electrons flow from the positive current collector to the negative current collector by an external circuit. The discharging process is realized with an opposite movement direction of lithium-ions and electrons. To prevent direct electron transfer between electrodes, a separator is inserted between the positive and negative materials.
A lithium-ion cell consists of four components: active positive material, active negative material, separator, and electrolyte. Generally, the electrical performances of the cell including energy and power capability, safety, and reliability, are highly influenced by the materials of above four components.
1.2 Safety Theories of Lithium-ion Battery Cell
In the field of battery chemistry, severe safety issues, such as fire and explosion, can be concluded as a thermal runaway phenomenon. Therefore, attentions should be paid to thermal behaviors of major components in a lithium-ion battery cell. In this paper, the exothermic phenomenon of the aforementioned 4 major components under different conditions, which may lead to battery failures, were briefly discussed.
1.2.1 Positive Material
Common active positive materials should be metastable during the charging process. Once the cell is overcharged, lithium-ion is depleted of the positive material, resulting in an increase of the cell internal impedance and temperature. With the increasing temperature, the positive material decomposition occurs to generate heat and release oxygen to the electrolyte[8]. The initiating temperatures of the positive material decomposition are different. LiCoO2 starts the decomposition at around 181 ℃, whereas LiFePO4 starts at around 221 ℃ and LiMn2O4 starts at around 209 ℃[9]. The released oxygen reacts with the electrolyte to generate heat and gas. The heat from electrolyte oxidation can be coupled with the heat from positive material decomposition and finally leads to a thermal runaway of the cell. Moreover, the over-charge of a lithium-ion battery occurs during normal operation without well-designed balance circuit.
The assembling level also affects the performance of a cell. A tight bend can result in a cracking of the positive material and the underlying current collector will lead to lithium plating during the charging cycle, gas generation inside the cell and a capacity loss.
1.2.2 Negative Material
When a cell is assembled, it is completely discharged. The first charge forms an electrolyte decomposition layer on the surface of the negative material, called the solid electrolyte interphase (SEI) layer. SEI functions as a protective barrier, which prevents the direct reaction between intercalated lithium in the negative material and electrolytes. Exothermic decomposition of SEI layer occurs at 90～120 ℃. Without the protection of SEI, the exothermic reactions between intercalated lithium in the negative material and electrolytes will start[8,10].
Physical damages of SEI, which results in direct reactions between intercalated lithium in the negative material and electrolytes, are caused by lithium metal plating. The fundamental mechanism of lithium metal plating is that lithium-ions are not held by the negative material but are converted into lithium metal outside the negative material, which is caused by two aspects: (1) at a low temperature (lower than -30 ℃), the flowing of lithium-ion through the SEI layer is hindered. Therefore, charging the cell under this condition can result in lithium plating on SEI/electrolyte interface[11]. (2) the overcharge or insufficient negative material can cause lithium plating because the negative material is full of lithium-ions and cannot hold any more ions[4]. The dendrite growth of lithium can penetrate the separator and result in a fierce internal short circuit between the positive and negative materials.
Studies showed that a thermal runaway of the cell is not caused by a single deep over-discharge but repeated over-discharges[12]. When a cell is over-discharged, its negative material is depleted of lithium-ions. Then the oxidation of copper current collector occurs, which leads to dissolution of copper into the electrolyte. When it is charged again, the dissolved copper is deposited of the cell with decreasing performance, a cell structure injury or even an internal short circuit.
1.2.3 Separator
The separator provides a physical isolation between the positive and negative materials, allowing free transport of lithium-ions and forbidding the flow of electrons without direct participation in the cell reaction. However, its properties and structures affect the overall performances of the battery, such as power density, energy density, cycle life, and safety.
No matter under normal or abnormal operations, the internal temperature of the battery increases due to the exothermic reactions. When the internal temperature approximately reaches 130 ℃, the separator starts to melt, which helps to terminate the internal current by closing its pores and impeding the movement of the lithium-ion between electrodes. However, if there exists other exothermic reactions inside the battery, which causes even higher internal temperature, the separator will start to collapse above 180 ℃. Consequently, the physical structure of separator fails and leads to a direct contact of electrodes, thus resulting in a fierce internal short circuit[13].
To increase the thermal stability of the separator membrane, battery designers introduce multi-layer material based membrane. For instance, in a design of the PP/PE/PP triple-layer membrane, the pore of polyethylene (PE) can be self-closed at a relatively low temperature (approximately 135 ℃). The physical support of polypropylene (PP) can survive at a relatively high temperature (approximately 160 ℃)[14,15].
1.2.4 Electrolyte
As discussed before, when SEI between the negative material and the electrolyte is broken, the intercalated lithium in the negative material has an exothermic reaction with the electrolyte.
The decomposition of electrolyte can occur with an elevated temperature (higher than 200 ℃). The decomposition products include different kinds of toxic and ignitable gases such as H2, CH4, C2H4 and C2H6, etc. When they are released to the air, the ignition occurs if the ignition source exists and oxygen is sufficient[12].
The flammable organic solvent is used as the electrolyte of lithium-ion cells. If the electrolyte is released into the air, it ignites and releases additional heat[12].
2 Abuse Test of Lithium-ion Battery Cell
Practically, the failure of lithium-ion cell is a comprehensive process, which can start with any of the above-mentioned exothermic reactions while ended with different dangers such as battery body expansion, electrolyte leakage, gas venting, fire, explosion, etc. To estimate the safety level of commercial lithium-ion batteries, abuse test items in mechanical, electrical and thermal aspects are designed according to standards from UL[16] and IEC[17,18]. For lithium-ion BESS used in the grid application, large batteries with pouch type or prismatic type design are preferred. In this paper, commercial LiFePO4 based battery cells of those two types were tested. All the cells were fully charged before abuse tests according to the standards.
2.1 Thermal Abuse
Objective cells were heated in a temperature chamber. The ambient temperature of the chamber was set to 130 ℃ with an increased rate of 5 ℃/min. After the ambient temperature in the chamber reached 130 ℃, it was kept for 10 min and then the samples were observed. Under the temperature, potential risks were brought by SEI failure, the melt of the separator and an increased gas pressure from the electrolyte.
After the test, the leakage, gas venting and the voltage drop of the tested battery cells were not observed. Therefore, there was no thermal runaway of the tested cells.
It is observed from Fig.2 that the cell body expansion of both prismatic type cells and pouch type cells occurs. The body expansion might be caused by vaporizing electrolyte. The body expansion rate under the test depends on the amount of the low-boiling-point solvent in the electrolyte. And the exact amount and the proportion are unclear to users. However, according to the observation, it is concluded that the pouch type sample shown in Fig.2 (c) has better performance than that in Fig.2 (b), which indicates a higher safety level. The prismatic type sample in Fig.2 (a) shows good performance due to its high thermal resistance caused by the thickness.
2.2 Nail Penetration
A Ø5 mm nail was penetrated into the samples at 20 mm/s. It was then pulled out after 1 min. Under this test condition, an internal short circuit caused by the direct contact of positive and negative materials may happen. The heat brought by the internal short circuit may lead to decomposition reactions of battery components.
During the test, electrolyte spray and serious gas venting were observed for all the prismatic type cells. The measured voltage and surface temperature of one cell are shown in Fig.3 (a). The curves showed an occurrence of the internal short circuit which caused a release of the stored energy and a drop of the cell voltage. Furthermore, the temperature rose up to 130.8 ℃ due to the released energy. The surface temperature then dropped to a relatively safe range, which means exothermic chain reactions did not occur and the thermal runaway was avoided after the test.
For pouch type cells, temperature rise, electrolyte spray or gas venting were not found during the test, except one of five samples. In Fig.3 (b), the measured voltage and the surface temperature of the problematic one are plotted. Part of the stored energy was released through the internal short circuit. And the internal short circuit was terminated by the gas released from the electrolyte, which expended the cell body and formed an isolation layer between the positive and negative materials and the separator in the penetrated area. This incomplete internal short circuit only led to a slightly reduced cell voltage and a peak temperature of 90.5 ℃. As the cell surface temperature dropped, the phenomenon of thermal runaway did not occur after the test.
The venting protection of the prismatic type cell was triggered due to the high internal pressure, as shown in Fig.4 (a). For the pouch type cell, body expansions could be observed, as shown in Fig.4 (b). Generally, pouch type cells show higher safety level compared with prismatic type cells.
2.3 Overcharge
The samples are overcharged with a current of 0.05 C. Once the cell voltage reaches 5 V or the charging time reaches 30 min, the test ends. 1 C is defined as the current rate at which the battery cell is fully discharged in 1 hour, which means 1 C equals 40 A for a battery with the capacity of 40 Ah.
For all the tested samples, there were no electrolyte leakage, venting gas or other dangers observed. The body expansion of the samples can be observed after the test. According to the measured cell voltage, the ambient and cell surface temperatures shown in Fig.5, it is concluded that the phenomenon of thermal runaway did not occur.
2.4 External Short Circuit
A circuit contactor was connected between sample electrodes, and the short circuit resistance was set to 5 mΩ.
In the initial trials of the test, fires were found on the cable or the contactor, as shown in Fig.6. Therefore, cables and contactors with a current of 1 500 A were chosen in the test afterward to avoid the fire in the test circuit.
The body expansion, electrolyte leakage and gas venting were found during the test of all the prismatic type samples as well as some pouch type samples. After the test circuit contactor was closed, the cell surface temperature rose up to around 100 ℃. With an elevated temperature, cell body expanded (as shown in Fig.7, area A) with gas released from the electrolyte (as shown in Fig.7, area B) and electrolyte leaked (as shown in Fig.7, area C). Finally, a fierce gas venting with electrolyte (as shown in Fig.7, area D) occurred. According to the previous introduction of the electrolyte, the vented gas and electrolyte is ignitable. After around 10 min, the cell surface temperature began to drop. There was no fire or explosion during and after the test. Therefore, the phenomenon of thermal runaway did not occur.
Besides, the current collector of the positive electrode was melt down immediately, terminating the external short circuit. The phenomenon was observed in most of the pouch type samples and one prismatic type sample. Fig.8 showed that the melting-down of prismatic type samples was fiercer than that of pouch type samples. Metallic sparks in Fig. 8 splashed from the positive current collector. Those metallic sparks can ignite the venting gas or leaking electrolyte and then cause fire.
3 Single Cell Safety and BESS Safety
The abuse test of the single lithium-ion battery cell provides an understanding of battery performance in critical states. However, it cannot cover all the safety issues when the battery is assembled and used in an energy storage system.
Test results only demonstrate the safety performances under serious failures for single time. The accumulated damages of battery chemistries and battery structure due to soft failures, such as repeated slight overcharges or over-discharges, will not be found in the safety test report of manufactures. However, BESS safety can be improved based on the abuse tests of battery cells and the analysis of the accidents. In this paper, BESS safety is classified into three categories.
3.1 Primary Safety
The primary safety of BESS refers to the safety of batteries, cables, switches, and power conversion system (PCS), etc. In this paper, the primary safety related to the battery is studied.
The battery type and the material are the basic concern. Each battery cell plays a significant role in the entire BESS safety. Therefore, the electrode material, the body design and the rated capacity of the battery are carefully selected. For a lithium-ion based BESS, pouch type battery cells which are usually less than 2 cm thick with a capacity ranging from 15 Ah to 30 Ah are recommended concerning primary safety. If the cell capacity is too high, i.e., higher than 40 Ah, the chemical energy release caused by thermal runaway failures becomes dangerous for other components, thus leading to a cascaded failure in BESS.
The consistency among cells also affects BESS safety. The megawatt-level BESS is usually composed of thousands of energized battery cells grouped in modules and strings. Concerning the impacts of one battery cell on other cells, the initial consistency of the cells should meet the requirements mentioned in Ref.[19]. The inferior initial consistency will increase the loading of balancing circuit and bring potential risks of batteries during the operation. Consistency is even more important in the application of second-hand batteries. When batteries retired from electric vehicles (EVs) are going to be used in a BESS, battery sorting and module recombination must be performed by the consistency control to ensure the performance and the safety of the whole system.
The fuse link is an important protection for cutting off over current caused by electrical faults or incorrect operations. In Ref.[19], the fuse link is required to be installed between modules as well as between battery system and PCS. Thus, battery cells in the module can be protected from external over current. For the pouch type battery, normally two or three cells are connected in parallel to increase the redundancy and the capacity of the module. When a single cell fails, an over current will occur to remain other healthy cells in case of no fuse connection among cells. Therefore, the fuse link installation for each parallel connected cell inside the module are considered.
3.2 Secondary Safety
The secondary safety of BESS refers to the safety guarantee or improvement by the battery management system (BMS), balance technologies, and other protection circuits.
The balance circuit is necessary for maintaining the consistency. Even though the initial consistency of battery cells has a good performance, the consistency will decrease with natural aging. The difference in equivalent internal resistances and internal capacitances of battery cells usually causes unbalanced voltage and current. And overcharge or over-discharge leads to the damage of battery. Therefore, the limited operation range and reliable balanced circuit with related BMS is required to maintain good system performance, life cycle and safety.
Since the failure of a single cell may lead to over-voltage or over-current in other healthy cells, besides the fuse link installation, proper protection circuit and algorithm against those dangers are designed. The redundancy design is considered for safe system operation and safe shut-down under N-1 conditions.
The thermal management including a cooling design improves the battery life and the safety of the system, in which the heat generated during the normal operation and the heat released in case of cell or module thermal runaway are considered. Once encountering an emergency, the cooling system can reduce the heat generated by the chemical reaction inside the battery, which helps to prevent the cascaded thermal runaway of healthy batteries.
3.3 Auxiliary Safety
The auxiliary safety of BESS refers to safety guarantees or improvements by the components which do not participate in the operation of BESS.
Thermal isolation is recommended for BESS. According to recent accidents of NGK NaS BESS in Japan and Xtreme Power BESS in Hawaii, the thermal runaway of singleor multi-cells heats other healthy cells and causes a cascaded thermal runaway in the battery system, which finally results in BESS fire. In a commercial BESS, battery cabinets are usually closely placed one by one without heator fire protections or other isolation solutions. The layout is safe in electrical distances, but not in thermal distances. Concerning failure isolation in BESS, thermal or fire isolation material between cabinets is recommended. Sedimentation of cabinets with thermal runaway can also cut off the direct contact between failed and healthy cabinets, thus providing a limited impact on each cabinet. Besides, fire protection zones in the BESS are required to be designed.
Air quality monitoring is recommended for early warning of the thermal runaway. When the thermal runaway starts in a cell, different kinds of gas, including CO, CO2 and other hydrocarbons, will vent.
In summary, safety concerns and the origins of the safety issues of large lithium-ion batteries are presented. To improve the safety level of large energy storage systems based on lithium-ion batteries, comprehensive measures should be adopted.
4 Conclusions
In this paper, the working principles of the lithium-ion battery and its safety fundamentals are described. Results from abuse tests on prismatic and pouch type cells are obtained by analyzing the observed phenomena and comparing with the safety of two types of cells. Pouch type cells have higher safety performances than prismatic type cells in aspects of thermal behaviors, internal pressure releases and self-termination of failures. Moreover, safety concerns in BESS are discussed and measures for improving its safety are proposed.
The principles and analyses provide electrical engineers with an understanding of safety issues of single cells, thus it lays a foundation for BESS safety design.
电池储能技术 篇2
燃料电池发电技术
摘要：概述了燃料电池的原理和分类，以及他们的反应原理及技术和燃料电池发电技术做了初步介绍。
关键词：燃料电池，发电
引言：随着社会经济的高速发展，人们对能源的依赖越来越严重，而生存环境的持续恶化又催促人们不断寻求清洁能源。燃料电池由于其环保性和高效性被誉为继火力发电、水力发电、核电之后的第四代发电技术，越来越多的国家和地区投入更多的资金对其进行研究并使其产业化。
一：燃料电池简介
燃料电池（Fuel cell），是一种使用燃料进行化学反应产生电力的装置，最早于1839年由英国的Grove所发明。最常见是以氢氧为燃料的质子交换膜燃料电池，由于燃料价格便宜，加上对人体无化学危险、对环境无害，发电后产生纯水和热，20世纪60年代应用在美国军方，后于1965年应用于美国双子星座5号飞船。现在也有一些笔记型电脑开始研究使用燃料电池。但由于产生的电量太小，且无法瞬间提供大量电能，只能用于平稳供电上。
燃料电池其原理：它是一种电化学装置，其组成与一般电池相同。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，因此，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 这个反映是电觧水的逆过程。电极应为： 负极：H2 +2OH-→2H2O +2e-
正极：1/2O2 +H2O+ 2e-→2OH-
电池反应：H2 +1/2O2==H2O
图1 燃料电池工作原理示意图 燃料电池的类型：
碱性燃料电池（AFC）——采用氢氧化钾溶液作为电解液。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）——采用极薄的塑料薄膜作为其电解质。
磷酸燃料电池（PAFC）——采用200℃高温下的磷酸作为其电解质。
熔融碳酸燃料电池（MCFC）
固态氧燃料电池（SOFC）——采用固态电解质
二：燃料电池发电系统
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。
燃料电池发电是在一定条件下使H2、天然气和煤气（主要是H2）与氧化剂（空气中的O2）发生化学反应，将化学能直接转换为电能和热能的过程。与常规电池的不同之处在于：只要有燃料和氧化剂供给，就会有持续不断的电力输出。与常规的火力发电不同，它不受卡诺循环（由两个绝热过程和两个等温过程构成的循环过程）的限制，能量转换效率高。燃料电池除可发电外，还可作为电动汽车的电源。在对众多的蓄电池以及一次电源的研究以及应 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
用中发现：质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种不经过燃烧直接以电化学反应连续地把燃料和氧化剂中的化学能直接转换成电能的发电装置，具有能量转换效率高（一般都在40-50％，而内燃机仅为18％-24％）、无污染、启动快、电池寿命长、比功率、比能量高等优点。
1.磷酸燃料电池(PAFC)发电技术
磷酸型燃料电池由多节单电池按压滤机方式组装以构成电池组。
碱性燃料电池在载人航天飞行中的成功应用，证明了按电化学方式直接将化学能转化为电能的燃料电池的高效与可靠性，为提高能源的利用效率，人们希望将这种高效发电方式用于地面发电。
以磷酸为电解质的磷酸型氢氧燃料电池首先取得突破。至今，其技术获得了高度发展，已进行了规模为11000kW~4500kW的电站试验，定型产品PC25(200kW)已投放市场，有数百台这种电站在世界各地运行，运行试验证明，这种燃料电池分散电站的运行高度可靠，可作为不间断电源应用，其热电效率达40%，热电联产时其燃料的利用率达60% ~70%。
图2 PAFC的反应原理
目前氢的贮存与运输均有不少技术问题需待解决，各国正在积极进行攻关研究一旦这一系列的技术问题得到解决，燃料电池就可利用由太阳能，核能等发出的电来电解水所制备出的氢作为燃料。
在以矿物燃料为原始燃料时，则需经化学转化的过程，例如煤的气化，天然气或汽油的蒸气转化等，通过这些方法将矿物燃料先转化为富氢气体，才可以送入电池作为燃料电池的燃料。
磷酸燃料电池的输出为直流电，而大部分用户的电器均使用交流电，因此，需要把燃料电池输出的直流电经逆变器转换成交流电后再提供给用户使用。磷酸燃料电池的内阻较常规化学电源如铅酸蓄电池大，所以，当输出电流变化时它的工作电压变化幅度大，为解决这一问题，常在燃料电池的输出和逆变器之间加一个振荡变流器(chopper)，它的功能是升压或降，以确保供给用户电力的工作电压维持恒定。
燃料电池应是一个能够自动运行的发电厂，因此，对于磷酸燃料电池来说，其氧化剂的供应，电池废热的排出，反应生成水的回收等均需进行控制与管理，再加上还需对电力输出逆变进行控制与管理等，所有这些必须齐备才能构成一个完整的燃料电池系统。
新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
图3 磷酸燃料电池系统方框图 2.质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电技术
质子交换膜燃料电池(PEMFC)由若干单电池串联而成，单电池由表面涂有催化剂的多孔阳极
多孔阴极和置于二者之间的固体聚合物电解质构成。其工作原理如图4所示，当分别向阳极和阴极供给氢气与氧气时，进入多孔阳极的氢原子在催化剂作用下被离化为氢离子和电子，氢离子经由电解质转移到阴极，电子经外电路负载流向阴极，氢离子与阴极的氧原子及电子结合成水分子，因此 PEMFC的电化学反应为：
图4 PEMFC的反应原理
(1)原料来源广泛，通过对石油，天燃气，煤炭还有沼气，甲醇，水植物等加工取得，来之不尽，取之不竭。
(2)无污染，因没有燃烧过程，不排放有害气体，它的排出物是氢氧结合的纯水。(3)无燥音，其发电过程是电化学反应过程，没有机械运动，所以没有噪音。(4)能源转换效率高，因其工作温度低，能耗少，能源转换效率理论上可高达。
欲使PEMFC依负荷的变化，长时间稳定的向负载提供电能，必须给电池组配置以下4个功能单元，即燃料及氧化剂贮存与供给单元，电池湿度，温度调节单元，功率变换单元及系统控制单元等，这样，方能构成一个实用化的，完整的PEMFC发电系统。如图5
图5 质子交换膜燃料电池发电系统示意图
新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
3.熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)发电技术
熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)以碱金属（Li﹑Na﹑K）的熔融碳酸盐为电解质，富氢燃料天然气甲烷煤气等转化而成为燃料，氧气空气加CO2为氧化剂，工作温度约为650℃，余热利用价值高，点催化剂以镍为主，无需使用贵金属，发电效率高。MCFC的反应原理如图
图6 MCFC的反应原理
MCFC单电池是由阴极、电解质、电解质隔膜和阳极组成，若组成电池堆，则还需要双极板、集流器、气泡屏等组件，其中，隔膜是MCFC的核心部件，必须强度高、耐高温熔盐腐蚀、浸入熔盐电解质后能够阻挡气体通过，并且有良好的离子导电性能（MCFC的导电离子是CO32-).通过对多种材料的筛选和多年的研究，目前已普遍采用偏铝酸锂来制备MCFC隔膜。
美国从1976年开始开发MCFC，主要的开商有能源研究所(Energy Research Corporation，ERC)和MC Power公司，ERC在1991至1994年间先后完成了25 kW、70 kW、125 kW电池组的试验，并于1996年建成了世界上功率最大的2MW MCFC电站，直接燃用脱硫后的天然气。2000年，ERC设计的单电池堆出力达到250 kW并进入商业化。2005年，兆瓦级的MCFC进入商业化。日本从1981年开始研究MCFC，并于1987年研究成功10 kW MCFC发电设备，1997年1MW MCFC电站在日本川越火电厂投运。日立公司2000年开发出1 MW MCFC发电装置。东芝公司开发出低成本的10 kW MCFC发电装置。此外，荷兰、德国、意大利、韩国等国家也于20世纪90年代建成相关的试验电站。我国于1991年由原电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所研制出由7个MCFC单电池组成的电池组，上海交通大学和大连化学物理研究所都于2001年完成了1 kwMCFC电站的试验。
MCFC试验电站的建成和运行为MCFC商业化提供了丰富的经验，各国的科学家正在研究改进MCFC的关键材料和技术应用。
MCFC工作温度高，余热利用价值高，可以与煤气化联合循环结合组成高效的洁净煤发电技术。
4.固体氧化物燃料电池
同体氧化物燃料电池(SOFC)以固态氧化钇、氧化锆为电解质，天然气、气化煤气、碳氢化合物为燃料，氧气为氧化剂。固态氧化钇、氧化锆电解质在高温下有很强的离子传导功能，能够传导02～，电解质将电池分隔为燃料极(阳极)和空气极(阴极)。氧分子在空气极得到电子，被还原成02～，然后通过电解质传输到阳极，在阳极与氢气(或一氧化碳)发生反应。生成水(或二氧化碳)和电子。在迄今为止人类所发明的能源转化方式中，SOFC的转换效率是最高的，其反应原理如图
新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
图7 SOFC的反应原理
从原理与结构上讲，固体氧化物燃料电池是一种理想的燃料电池，它不但具有其他燃料电池高效，环境友好的优点，而且还具有以下突出优点
固体氧化物燃料电池是全固体结构，无使用液体电解质带来的腐蚀和电解液流失问题，可望实现长寿命运行，固体氧化物燃料电池在800~1000 下工作，不但电催化剂无需采用贵金属，而且还可直接采用天然气，煤气和碳氢化合物作燃料，简化了电池系统，固体氧化物燃料电池排出的高质量余热可与燃气，蒸汽轮机等构成联合循环发电系统，会大大提高总发电效率。
图8 100kw SOFC系统示意图
固体氧化物燃料电池技术的难点也源于它的高工作温度，电池的关键部件阳极隔膜，阴极和联结材料等在电池的工作条件下必须具备化学与热的相容性，即在电池工作条件下，电 新型材料及其应用论文--《燃料电池发电技术》
池构成材料间不但不能发生化学反应，而且其热膨胀系数也应相互匹配。
固体氧化物燃料电池最适宜的用途是与煤气化和燃气，蒸汽轮机构成联合循环发电系统，建造中心电站或分散式电站，这样既能提高能源利用率，又可消除对环境的污染。
三：燃料电池发电的应用前景
目前，美国、加拿大、日本、韩国以及欧洲的很多国家都把燃料电池发电技术提高到事关“国家能源安全”的战略高度，投入大量资金予以资助和研发。我国是能源消耗大国，以煤和石油为主，能源利用率低，污染严重；同时，近年来我国由于自然灾害或人为因素导致的大面积停电事故，给社会和经济造成巨大损失。如果在电网中有许多分布式电源在供电，则供电的可靠性和供电质量将会大大改善。分布式电源作为我国大电网的有效补充，如果能够得到较快的发展，电网抵御各种灾害的能力将会有很大提高。随着国民经济的发展，备用电源需求日益增大，如移动通信机站、军用移动指挥系统、野外医疗中心、固定或移动办公设施等的备用电源，需要配备技术性和经济性好的备用电源，而燃料电池中的PEMFC刚好能实现这个功能。从燃料电池发展的研究现状来看，我国在燃料电池发电方面的技术与发达国家如美国、加拿大、日本等相距甚远。我国要发展燃料电池技术，需要引进、消化及吸收国外先进技术，加快完成技术革新。
四：结束语
燃料电池作为高效、清洁、友好的新能源技术，已经得到越来越多国家的重视，掌握清洁高效的发电技术对国家能源和安全具有重要的战略意义，而燃料电池正是高效环保的发电技术之一。随着我国西气东送、天然气管网的不断完善，对电网可靠性和稳定性要求的不断提高，以及对环保要求的不断提高，燃料电池会起到越来越重要的作用。
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电池延寿新技术 篇3
数字化超能电池
两辆用电动机和电池驱动的试验车，在试车车道上做了测试，在20度坡道上装有新电池的一辆顺利通过了坡道，而另一辆使用传统电池的中途停了下来，新电池商品名为 Oxvride，电压1．9伏，使用寿命为传统的碱性电池的1．5倍，可强力驱动电动机类电器装置。用于数码相机可多拍出2倍以上的照片，而且不会因为电能消耗导致画面趋暗。
这种电池性能改善的秘密在于，采用的新材料在化学反应过程中可产生更高的电压，从它的横剖面可以看出，中央的负极部分缠绕充填在正极材料之间，其材质为氢氧化镍颗粒。这种镍系材料10年前已引起人们的注意，只是在反应的稳定性方面阻碍了实用化的进展。松下电器的技术人员把用于充填镍粒子空隙的石墨粒子加工得更小，问题便迎刃而解了。
前不久，一种名为OxyRide的轿车问世了，经过改进的这种超能电池使用超级处理的碱性化学物质，包含氢氧化镍等化学成分，在化学物质的共同参与下可以产生超常电力。电池总重18．5千克，据称加载一位体重50千克的乘客可行驶1．23千米。对于一款电池驱动的轿车来说，这已经是相当惊人了，这段距离已可以从家里到街头的杂货铺。
镍铜电池可用半个世纪
与此同时，笔记本电脑和手机用的锂电池在其带动下也卷入了这场革新浪潮。目前锂电池电压为3．7伏，放电时间也有了长足的进步，但是为满足离子流动所采用的有机溶液仍是造成漏液的一大隐患。于是开发商又把目光盯准了电解液，改用聚合物高分子材料。锂电池也开始加入了干电池的行列。新的问题是，一般固体材料不利于离子的流动，影响电池性能。日本日立制作所采用聚乙烯石墨以后问题迎刃而解，离子的流动性能提高了7倍，在目前的锂离子电池模式上同样可以延长电池寿命。
解决了漏液问题在其他方面也获益匪浅，以往为了避免漏电，电池里装有特殊电路、元件，现在这些已不复存在，而且还提高了耐冲击性，满足了在汽车上的应用要求。为了更广泛地拓展应用领域，电池形状也更趋灵活多变，甚至可以柔性变形地安插在电器的任意位置。以笔记本电脑为例，它可以薄薄地平铺在液晶屏幕的背面，无须抛头露面即可提供能源。拥有200年历史的电池，在便携设备越来越普及的情况下，其模式、形状如何不断变换已成为必须面对的课题。
美国康奈尔大学研究人员正在研制一种新型镍铜电池，虽然功率只有几毫瓦，但寿命极长，该电池至少能工作半个世纪。据《新科学家》杂志介绍，研究人员采用放射性同位素镍63和铜这两种金属作为开发长寿命电池的材料。镍63能发生裂变，会不断释放电子，半衰期长达 100年。长寿命镍铜电池的工作原理是片状的镍63在衰变时向铜片释放电子，使铜片带负电荷，镍63薄片带正电荷，外接负载构成回路时，镍铜电池便会开始工作，源源不断地产生电流，为负载提供电能。
碳纳米管与电双层电容器
所谓电双层，是指在电极和电解液的边界面上形成的一对正负电极层，这是120年前由德国物理学家赫尔姆霍茨发现的。在电压超过界限、电分解尚未开始时，电双层起着绝缘膜的作用，而这种电双层的厚度非常薄，仅相当于一个分子，是一般的绝缘膜远远比不上的。所以，从这个意义上来说，它可以形成比以往的电容器更大的能量密度，从而朝小型化方向发展。
如果能把电容器的能量密度提高到原来的5倍，同时，通过改良，将周边的电路功能提高到原来的4倍，这样，就能达到原来20倍的能量密度。被称为“电双层电容器”的产品，其蓄电能力是同样重量的铅蓄电池的2-3倍，超过镍氢电池，就其能量密度而言，它已经接近实用化电池中能量密度最高的锂离子电池。
在电双层电容器中采用碳纳米管做电极材料可增大电极的比表面积，从而有可能提高电双层的静电容量。迄今为止，已有多项关于在电双层电容器电极材料中采用碳纳米管的研究成果发表。
在新产品展示会上，对电双层电容器进行了演示。一种是可瞬间释放大功率的演示，仅仅1秒钟即可将10W的太阳能电池板给电容器模块充了10秒左右的电力全部放掉，将装有钢珠、重15千克的容器移动 lm。另一种演示是电双层电容器在便携终端上的应用，将电容器模块接到索尼“VAIO”笔记本电脑上，取代锂离子充电电池，通过家用插座给电容器迅速充电约10秒后， VAIO可工作1分钟。当然，实际使用时1次充电可驱动的时间要长得多，而作为使用过程的一种演示，不可能观察全部可驱动时间，因此演示只驱动1分钟。每种演示均使用了将6个方形单元组成一列的电容器模块。额定电压方面，每个单元为 2．7V，模块约为16V。据称，将首先面向汽车和机床，为其提供单位重量能量密度高达40Wh／kg的产品样品。
浅析多晶高效电池技术 篇4
关键词：多晶硅,高效电池,制绒催化剂,二次扩散原理,背抛光,双层减反射膜,双次印刷
一、引言
随着新世纪的到来, 全球经济呈飞速发展的势态, 人类对能源的需求量持续增加, 化石燃料的大量使用, 导致了能源迅速短缺、环境污染日益加剧, 全球面临着一个严峻的事实:能源问题己成为经济发展的热点和难点。因此, 深入研究和利用太阳能资源, 对缓解资源危机, 改善生态环境, 具有十分重要的意义。但目前太阳能电池的光电转换效率比较低, 且成本较高, 因此提高太阳能电池的光电转换效率、降低成本、提高太阳能电池的利用率是人们当前研究的热点问题。
二、太阳能电池产业化技术发展
晶体硅太阳能电池的发展可划分为三个阶段, 每一阶段效率的提升都是因为新技术的引入。
1954年贝尔实验室开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池到1960年为第一发展阶段, 这一期间电池效率徘徊在15%。1972年到1985年是第二个发展阶段, 电池效率提高到17%。1985年后是电池发展的第三阶段, 技术人员通过各种技术提高光电转换效率单晶将达到21%, 多晶将超过17.5%。
三、光伏实施技术
3.1.1新绒面技术
绒面技术就是利用硅片的损伤层, 通过硝酸与氢氟酸的混合溶液对多晶硅片表面进行制绒 (化学反应) 。在硅片表面形成高低不平的表面及大量的孔洞, 增加电池片表面的受光面积, 降低反射率, 从而提高太阳电池的转换效率。
新绒面技术是通过在起主要刻蚀效果的腐蚀槽中添加化学添加剂, 来减缓化学反应, 使硅片表面的绒面均匀可控。如下图 (一) 中是添加添加剂后制绒后的硅片绒面, 其表面颗粒均匀, 犹如覆盖了一层薄薄的膜。如下图 (二) 未添加添加剂的制绒后的硅片绒面, 其表面颗粒较大, 比较亮。
3.1.2扩散深浅结工艺
PN结特性决定了太阳能电池的性能!传统工艺对太阳能电池表面均匀掺杂, 为了减少接触电阻、提高电池带负载能力表面掺杂浓度较高。在制造工艺上采用氮气携带三氯氧磷管式高温扩散是目前主流生产技术, 其特点是产量大、工艺成熟操作简单。
浅结低方阻工艺:采用高温二次扩散原理, 采用低温淀积、高温推进的原理, 实现在较低的温度下淀积一个低浓度的薄层扩散层, 接着在较高的温度下加大源流量, 在短时间内进行高浓度扩散, 由于时间很短只在表面堆积, 可以得到浅结低方阻, 提高了短路电流, 并有效地保证了开压。
3.1.3背部抛光技术
一般来说对硅片在扩散后进行化学抛光具有以下好处:
(1) 对电池片背面的抛光是均匀、平坦、有效的; (2) 对电池片背面发射极层的去除是均匀的; (3) 对电池片边缘发射机层的去除是均匀的。
工艺过程中, 硝酸将硅片背面和边缘氧化, 形成氧化硅, 氢氟酸与氧化硅反应生成络合物六氟硅酸 (H2Si F6) , 从而使正面与背面绝缘。在刻蚀槽HF:HNO3浓度大概1:3时, 调整温度, 背抛光效果非常显著, 开压与电流均明显增大, 效率能提升0.15-0.2%。加大KOH浓度同时, 提高反应温度也有一定的抛光作用, 实际生产中遇到的问题较多, 比如有时光学增益和改善背接触, 钝化效果方面很难兼得和稳定, 更有效的工艺需要进一步摸索。
3.1.4 Six Ny减反射膜生长技术
Six Ny膜层不仅减缓浆料中玻璃体对硅的腐蚀抑制Ag的扩散速度从而使后续快烧工艺温度范围更宽易于调节, 而且致密的Six Ny膜层是有害杂质良好的阻挡层。
双层减反射膜技术:基于德国Routh&Rau的PECVD设备实现的由两种不同折射率的薄膜组合而成的二元复合膜提高了减反膜的光学性能外层低折射率与底层高折射率氮化硅的光学匹配降低了多晶硅正表面在太阳光短波区的反射率通过控制各膜层中硅的富集率实现了5.5%的反射率;而另一种Si N与Si O混合膜, 其反射率更是低至4.4%。
表面减反射膜生长技术:通过调整管式PECVD的参数, 将膜厚控制在 (82±2Ω/sq) , 折射率在2.05±0.04范围内。多层膜技术尚在进一步试验中。
3.1.5二次丝网印刷
丝网印刷技术是低成本太阳能电池产业化生产的关键技术, 其主要技术进步与电极浆料及网版制版技术紧密相联。二次印刷是DP1印刷无主栅线、只有四个基准点及细栅线的印刷, DP1印刷浆料的作用为与电池片进行欧姆接触, 而DP2的印刷则是在DP1的基础上进行套印DP1, 并同时印刷主栅, 有效增加了栅线高度, 起到更好收集电荷的作用, 提高效率。由于经过了两次印刷, 从而使得印刷更加精密精确。减少了生产中由于设备问题造成的漏印, 偏印问题。
二次丝网印刷工艺的实现:在BACCINI软线DP3印刷后, 增加一台印刷机头DP4, 用高精摄像头, 进行定位, 另外使用两种规格的不锈钢丝网, 可以搭配银浆适当降低丝网线宽, 以求得最优欧姆接触, 实现产业化双次印刷。
四、结论
本文介绍的制绒催化剂, 背抛光, 双层减反射膜, 二次扩散原理, 二次印刷技术, 实为目前工业现采用或即将推行的工艺方向, 其实用性得到了生产一线批量实验的有力论证, 但由于生产环节众多, 工序间设备与工艺参数匹配需长时间摸索, 新工艺的推行和稳定也需要一定的时间, 且技术本身也需要进一步改进和完善, 行业内其他新技术如离子注入, 多主栅, 激光掺杂选择发射极, 硅墨技术, Al2O3背钝化技术等也正如雨后春笋般方兴未艾, 为我国的光伏事业提供了强大的技术支持。
参考文献
[1]安其霖, 曹国琛, 李国欣, 等.太阳电池原理与工艺[M].上海:上海科学技术出版社, 1984:18—22.
蓄电池技术质量验收协议 篇5
乙方：_________（以下简称乙方）
甲乙双方本着互惠互利、共同发展的原则，就共同开发_________市场，由乙方向甲方提供_________专用蓄电池一事，经协商达成一致共识，特签定以下协议：
1．技术要求
1．1 外观
蓄电池应有正负极、商标、型号、规格、制造厂名、编号、出厂日期等标志，且标志应清晰、牢固、不易脱落；电池外观整洁。
1．2 型号
_________
_________
1．3 外型尺寸及重量
_________（型号）：长（_________±2㎜）宽（_________±2㎜）高（_________±2㎜）参考重量（_________±005㎏）
_________（型号）：长（_________±2㎜）宽（_________±2㎜）高（_________±2㎜）参考重量（_________±005㎏）
1．4 使用环境温度
胶体蓄电池在-20℃~50℃范围内能正常工作；普通铅酸蓄电池在-10℃~50℃范围内能正常工作。
1．5 放电容量
单体蓄电池经完全充电后，在温度为25±5℃环境中静置1~4h，以jb/t10262-XX标准放电至蓄电池电压1050v终止，其放电时间不小于130min（允许3次循环）。
1．6 大电流性能
蓄电池经完全充电后，在温度为25±5℃环境中静置1~4h，以30i2（a）放电5min，蓄电池端电压不低于84v（以12v系列为例），且导电部分不得熔断，外观无异常现象。
1．7 安全性能
蓄电池经完全充电后，在温度为25±10℃环境中以04i2（a）连续充电5h，然后检查外观应无漏液及其它异常现象。
1．8 耐震性能
蓄电池经完全充电后，在温度为25±10℃环境中，以正立状态紧固在振动台上，经受振幅2㎜；频率167hz的垂直振动，1h后目视确认无漏液等异常现象且端电压必须在正常范围内。
1．9 电池寿命
按21方法充电，以jb/t10262-XX标准中611的放电要求，循环次数“胶体环保型”不低于450次，“普通铅酸型”不低于350次。
1．10 端电压及组合一致性
配对单只电压130v以上，2节电压差不大于002v；3节电压差不大于004v；4节电压差不大于005v
1．11 过放电容量恢复性能
“胶体环保型”电池开始以jb/t10262-XX标准放电至接近0v之后，短接该电池两极24h，再重新充满电。重复上述5次放电、充电、短接后，该电池（组）以 jb/t10262-XX标准放电至单节105v时，放出的容量应大于标称容量的90%（“普通铅酸型”大于标称容量的85%）。
2．蓄电池的使用
2．1 蓄电池的充电
“胶体环保型”“普通铅酸型”电池充电（以4节6-dzm-10电池组为例）：把蓄电池串联形成一个额定电压为48v的电池组，第一阶段：恒流15~18a，电压逐渐上升；第二阶段：电压逐渐上升到588±02v后保持恒定，电流逐渐下降到400±30ma；第三阶段：涓流浮充充电，电压555±05v，电流逐渐趋近于0ma。
2．2 电池搁置一段时间后应及时补足电，严禁长期在亏电状态下使用。
3．蓄电池的验收
3．1 验收内容
3．1．1 外观
（1）外观无变形及裂纹，外形尺寸及重量应符合13条的规定。
（2）有正负极性、商标、型号、制造厂名、出厂日期、电池编码等标志，且标志清晰，牢固。
（3）整箱包装的蓄电池应附检验合格证、使用说明书、售后服务保证书，包装外侧应有提醒正确运输的标志。
3．1．2 性能
（1）测量电池的极性，应与正负极性标志相符。
（2）开箱后，电池组单节电池的开路电压应不小于130v
（3）蓄电池组经完全充电后，静置1~4h，在25±5℃环境温度以jb/t10262-XX标准放电至蓄电池组终压420v止，其放电时间不小于130min（允许3次循环）。
3．2 检验方法
3．2．1311 条采用目测、钢卷尺和秤。
3．2．2312 条采用数字万用表和放电仪。
3．2．3 首批供货时及正常供货后，每隔半年由乙方对15、17、和19条进行试验，并向甲方提供国家或行业认可的书面报告。
3．2．4 每个批次抽同一包装箱中的1组3只电池，按15；110条款检验（15条允许三个循环），若达不到上述条款要求则按检验规则加倍抽样检测，仍不合格则该批产品退货。
4．双方约定
4．1 甲方职责
4．1．1 甲方对乙方所提供的每批产品按上述规则检验，若有不合格项或质量异议，须在收货之日起10日内书面或传真提出。
4．1．2 对使用过程中因制造原因而需退还给乙方的电池，甲方应通知乙方服务人员到现场逐一检测，凡不符合退货要求的，乙方有权拒绝退货或将已退电池返还给甲方。
4．1．3 甲方应要求客户（经销商）认真填写好乙方所提供的售后服务保证书上的有关内容，以便乙方掌握电池的有效使用期和建立好客户档案。
4．2 乙方责任
4．2．1 乙方所提供给甲方的产品之质量必须符合上述技术要求。
4．2．2 以4×6－dzm－10电池组为例，甲方电动车最大电流不超过150a，正常工作电流在环境温度25±2℃、风力1～2级的平坦路面上，以70～75公斤的负载不大于7a；乙方产品使用天数与续行里程的关系
┌─────────┬─────┬──────┬──────┬──────┐
│使用天数（12月计）│90天│180天│270天│360天│
├─────────┼─────┼──────┼──────┼──────┤
│放 电 时 间│110min│105 min│95 min│72 min│
├─────────┼─────┼──────┼──────┼──────┤
│参考续行里程│35～ 55 km│30 ～ 50 km │20 ～ 40 km │15 ～ 35 km │
└─────────┴─────┴──────┴──────┴──────┘
┌─────────┬─────┬──────┬──────┬──────┬──────┐
│使用天数（15月计）│90天│180天│270天│360天│450天│
├─────────┼─────┼──────┼──────┼──────┬──────┤
│放 电 时 间│120 min│110 min│105 min│95 min│72 min│
├─────────┼─────┼──────┼──────┼──────┬──────┤
│参考续行里程│40 ～60 km│35 ～55 km │30～50km│20 ～ 40 km │15 ～ 35 km │
└─────────┴─────┴──────┴──────┴──────┴──────┘
注：参考里程是在环境温度25±5℃，车、路况正常，最高车速20km/h，载重负荷不大于75kg的条件下进行的；且和电机效率、控制器控制参数等整车配制有关。
4．2．3 乙方产品在正常使用条件下质保期
（1）“普通铅酸型”和“ⅰ代胶体环保型”出厂_________个月；使用_________个月。
（2）“ⅱ代胶体环保型”出厂_________个月；使用_________个月。质保期二个条件只要达到一条都视为超过质保期，在质保期内若发生下列问题：①短路②断路③反极④大面积脱粉，经甲、乙双方检查确认后电池容量末达到标称容量的60%，由乙方负责修理或调换，否则不予承保。（其它规格型号的电池质保期双方另行订立）
4．2．4 乙方每月根据甲方上月退回的经双方确认确属乙方责任的电池数量，如数向甲方返还相同规格型号的电池：
（1）电池出_________个月以内如出现容量明显下降至额定容量80％以下（或漏酸、短路等故障），乙方负责调换全新电池，并重新计算质保期；
（2）电池出厂_________个月以外且在质保期内如出现容量明显下降至额定容量60%以下（或漏酸、短路等故障），乙方负责调换标称容量在80%以上的维护电池，三包期从原使用电池的出厂日期起累计续保。
4．2．5 乙方负责回收甲方过质保期的“华富”废旧电池，回收方法和价格另订。
4．2．6 乙方负责生产的电动车专用蓄电池由中国人民保险公司承担产品信誉和产品责任保险。
4．3 本协议为双方供货合同的附件，具有同等效力，履行地为_________，解释权为乙方所有。
5．其它约定
_________
_________
甲方（签章）：_________乙方（签章）：_________
代表：_________代表：_________
电话：_________电话：_________
传真：_________传真：_________
新型纳米技术把电线变为电池 篇6
无论是在我们的日常生活中，还是在尖端技术领域，如何让电池变得“瘦小”且高效，是科技专家一直在想办法攻克的难题。比如，如果要让我们的手机变得更加超薄，就需要能效更高的超薄电池；要让电动汽车一次行驶里程更长，则需要更轻更强的电池；要使得太空飞行器飞得更快更远且成本更低，也需要能效更高的超薄超轻电池。
托马斯在自家屋子旁边的小路上进行夜间散步时，也想到了上述问题。换成我们普通人，对那些高深的技术问题也就想想而已。然而托马斯是一名物理学家，他会把日常生活中的一些奇思妙想转化为研究课题。要让电池变薄，一般会想到用纳米技术。托马斯的第一个念头也是用碳纳米管。然而，用碳纳米管制造电池的成本有些高。如果照这个思路下去，电池是变得超薄了，但是也成为大部分人用不起的“土豪电池”了。于是他接着考虑，是不是可以把电线直接做成电池呢？这样既可以充当通电线路，也可以作为储能的电池，这种二合一的方法在许多高科技产品的设计中也常常用到。
托马斯立即被自己的这个灵光一闪的创意给弄得激动起来。他回到家里，立即为自己设想中的“电线电池”设计实验思路。第二天一早，他就迫不及待地来到实验室，开始了这个新课题的研究。他给输送电流的铜线定制了密布的纳米晶须，外面套一根起保护作用的高分子套管。这些纳米晶须的长度只有头发丝直径的万分之一，肉眼难辨。在电子显微镜下，可以看到这些晶须像一层绒毛，密密麻麻地分布在高分子薄膜套管的内表面。在充电模式下，当有电流流经铜线时，这些纳米晶须就“偷走”大部分电能存储起来。在用电模式下，纳米晶须又把电能“释放”出来，通过铜线输送给电器的用电器件。
这个过程描述起来似乎比较简单，但是完成起来相当复杂，首先是要选取合适的原料来制造纳米晶须，还要设计纳米晶须的分布模式，选择哪种高分子套管也很有讲究。要经过数以千计的反复实验，才能不断地提升储能效果。研究结果还发现，单层纳米晶须的储能容量太低，因此可以适当增加套管的数量，但是也不能增加过多，过多会让“电线电池”变得更加笨重，而单位体积的储能量降低。
托马斯说：“这项技术是非常令人兴奋的。我每天都喜欢赶到实验室，然后看看下面会发生什么。有时候也会不尽如人意，但即便那样，失败会教给我们很多东西。我们正在一步一步地达成自己的最初愿望，还可能做得更好。”托马斯表示，“电线电池”将大大增加“移动用电”的使用时间，如果“电线电池”最终能够上市，将会在多个领域引发大的变革。
或许在不久的将来，让我们的手机、电脑等电器超薄且“续航时间”超长，续航里程超过1000公里的轻型电动汽车也将不再是梦想，各种航天器的发射成本也可大幅降低。如果“电线电池”真的研制成功并推广了，我们的手机或平板电脑或许就能变成卡片那么薄了。我们也不用担心手机突然没电了，“电线电池”可以让我们一个月充一次电就够了；当手机提醒我们需要充电时，其实还可以用一两天，我们不必慌忙找地方充电。那样的使用体验该有多爽啊！
青山电池:技术突破别样“红” 篇7
车市好,但却风景旧曾谙。新能源车并未能像汽车企业宣传的那样“日出江花红胜火”,反倒是“只闻楼梯响,未见人下来”。让人颇生感慨:环保车型到底离我们有多远?
“由于过去在电池技术上存在容量小的问题,所以续驶里程短是最大的技术难题,目前国内外已经面市的纯电动客车一次充电续驶里程最多只能达到300公里,而中大集团与青山能源研究所共同开发的中大青山电动客车在续驶里程等关键指标上实现了突破,一次充电可续驶里程达500公里以上,最远能达到700公里。”日前,在接受时代汽车记者专访时,湖北国通青山新能源高科技有限公司董事长石俊为媒体展示了其纯电动车的最新技术成果。
石俊告诉记者,青山在汽车电池续航里程上的技术突破,得益于公司历经20多年的研究,研发了具有独立自主知识产权的纯电动汽车,其三项核心技术是由双定子磁悬复合转子直流电机、磷酸铁钒锂离子动力电池及控制和能量回收系统构成。其中的高效节能电动汽车、多元素电动汽车专用电池、电池充放电装置还获得了国家实用新型专利证书。
“目前汽车电池完成充电,快速充电可以在30分钟到1个小时内完成,而慢充电则需要4个小时以上,充电速度直接决定电池的使用寿命。例如城市公交车可以夜晚慢充电,白天使用,电池的使用寿命就可以达到50万公里,这足够城市公交跑4年。此外,公司在努力将电池的重量从500公斤降低到350公斤,一是降低了电池的成本,二是减轻了整车的自重。”石俊表示,作为一家生产纯电动汽车动力总成(电池、电机、电控)为主的汽车制造企业。湖北国通青山新能源高科技有限公司今年在政府的扶持下,已经投产了3条生产线,年产3000台套动力总成,年销售额达20亿人民币,实现利税达到5亿人民币;并且计划3年之内建成10万台套的生产规模,成为国内最大的电动车动力总成生产基地,为国内、外实力雄厚的汽车生产厂家配套服务。
目前国通青山合作的企业主要包括东风、中大、金陵等客车企业,从合作企业名单中不难看出,青山将研发重点聚焦到了“城市公交车”这个细分市场。而从“公交车”开始的“电动化”无疑对减少城市能源负担、污染负担起到至关重要的作用。假想如果在日光电能充足的城市采取“白天集能,晚上养车”的方式,那么将给我们的城市带来多大的环境改善?
对于推动新能源车的普及,政府部门也着手开展了不少举措。在2010年中国新能源汽车购买补贴政策中,国家对纯电动汽车补贴达到了6万元的标准,众所周知,目前纯电动汽车的售价比传统燃油车售价普遍高出几万元,高成本主要是因为锂电池价格高昂。因此,国家补贴汽车生产企业,等于是变相补贴了电池生产企业。此外,继上海、天津和深圳等城市建设电动车充电站试点,北京等27个城市也开始筹划建设电动车充电站。在政府与汽车企业的合力之下,电动车离我们的距离已经越来越近了。
电动汽车电池技术发展综述 篇8
能源短缺、大气污染和气候变化等问题是全球汽车产业共同面临的巨大挑战,交通能源转型势在必行。在实现能源转型、制定车用能源可持续发展战略的过程中,我国与世界主要发达国家都毫无例外地选择电动汽车作为本国汽车行业发展的主要方向之一。电动汽车采用电能取代石油等化工燃料作为动力,是未来交通的长远解决方案[1]。对于电动汽车而言,其动力电池的主要性能指标有比能量、能量密度、比功率、循环寿命和成本等。为了保证电动汽车具有竞争力,就要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池[2]。目前的动力电池主要有蓄电池和燃料电池,在蓄电池的选择上,有铅酸电池、镍基电池、锂离子电池、空气电池和钠电池等。本文将针对铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和空气电池这4种电动汽车电池进行介绍。
1 动力电池的发展历史
第1代电动汽车EV1由美国通用汽车公司在1996年制造,采用的是铅酸电池技术。通用汽车公司1999年研发第2代的电动汽车以镍氢电池为动力源,一次充电的行驶里程是前者的1.5倍,同样因无竞争力而退出市场。同期,日本丰田汽车公司利用镍氢电池技术制造了将内燃机和电动机相结合的第3代电动汽车,即混合动力车。2006年锂离子电池技术的迅速发展,特别是在安全性方面的大幅提高,使之逐步被应用于纯电动汽车和混合动力汽车,成为镍氢电池强劲的竞争者[3]。2014年12月初,西班牙研发出石墨烯电池,也叫做“超级电池”,引起整个电池行业的关注。2015年,剑桥大学攻克了锂空气电池开发中的技术难关,使这项技术向前迈出了重要一步,预示着研究领域全新的发展。
2 动力电池的工作原理及特性
2.1 铅酸电池
铅酸蓄电池(RLAB)的正极材料为Pb O2,负极材料为Pb,电解液为稀硫酸溶液。其反应机理是:
铅酸电池因价格便宜,材料来源丰富,比功率较高,技术和制造工艺成熟等综合因素被广泛运用在动力电池上。但铅酸电池也存在一些不足,主要有以下几点:1)比能量低,所占的质量和体积太大,一次充电行驶里程较短;2)使用寿命短,经常更换导致长期使用成本高;3)由于铅是重金属铅酸电池还存在污染问题[5]。所以,铅酸电池作为动力电池,其未来研究重点是解决比能量低以及高倍率部分荷电状态时寿命严重缩短的问题。
2.2 镍氢电池
镍氢电池以金属氢化物为负极活性材料,以Ni(OH)2为正极活性材料,以氢氧化钾水溶液为电解液。镍氢电池在充放电过程中的电化学反应如下:
相比铅酸电池,镍氢电池在能量体积密度方面提高了3倍,在比功率方面提高了10倍。镍氢电池独特的优势包括:更高的运行电压、比能量和比功率,较好的过度充放电耐受性和热性能[3]2。但镍系电池有记忆效应,且电池单体的电压较低,不易组成大容量电池组,为了达到一定的功率和电压等级需要大量的串联电池,随之带来的一致性问题会限制其应用[6]。并且,镍氢电池价格高,均匀性较差,特别是在高速率、深放电情况下,电池之间的容量和电压差较大,自放电率较高,性能水平和现实要求还有差距等问题,这些都影响镍氢电池在电动汽车上的广泛使用[7]。
2.3 锂离子电池
目前锂离子电池中已经投产的有液体锂离子电池(Li B)和聚合物锂离子电池(PLi B)2种。锂离子电池的正极材料有Li Co O2、Li Ni02、Li Mn02、Li Fe PO4等化合物,负极材料一般采用能嵌入锂的石油焦碳、纯石墨和层状混合碳等材料[4]75。以Li Fe PO4为例,锂离子电池的充放电的化学反应式为:
锂离子电池在能量密度和充放电性能等方面均优于其他类型的电池,其工作电压高(3.6 V~3.9 V)、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长[6],因此它几乎占据了动力电池整个市场的半壁江山。但锂离子电池技术已经沉寂了20年没有大的技术革新,最大的障碍在于锂离子电池功率密度有限,其大量能量无法快速接收或释放[8],并且在安全性、循环寿命、成本、工作温度和材料供应等方面也存在缺点[3]4。而磷酸铁锂电池由于热稳定性好、循环寿命较长和安全性好等优势,如今已经成为下一代动力电池最有力的竞争者。并且我国有丰富的锂矿,铁的价格也十分便宜,这就大大降低了磷酸铁锂电池的成本,使其在动力电池的选择上占有优势。
为了解决锂离子电池的缺点带来的问题,锂离子电池也尝试了多种正极材料的改进,比如石墨烯。2004年,安德烈·海姆博士和康斯坦丁·诺沃肖洛夫博士2人共同发现石墨烯这种物质,它很薄,是超导体,透明度高,非常坚硬[9],重要的是它的结构可以改变锂电池技术长期没有突破的障碍。2014年12月,西班牙Graphenano公司和西班牙科尔瓦多大学合作研发出石墨烯电池[8]。这种电池的优势在于:储电量高,使用寿命长,供电持续时间长,充电速度快,质量轻,成本低。这些优势使研究者们对石墨烯产生了极大的兴趣。
目前石墨烯的研究总体上分2块:一是在传统锂电池上进行应用,着重的是改进、提升锂电池的性能,这类电池不会产生颠覆性的改变;二是依据石墨烯制造一个新体系的电池,这是一个崭新的系列,在性能上是颠覆性的,称作“超级电池”。
2.4 空气电池
1)锌空气电池
锌空气电池主要由空气电极、锌电极、电解液和隔膜组成,以空气中的氧气作为正极活性物质,金属锌作为负极活性物质,使用碱性电解液[8]1303。放电时电化学反应如下:
锌空气电池原材料价廉、质量比能量较高、工作电压平稳、电池的生产过程对环境没有明显的影响[9]、无污染、不燃爆、可循环利用等优势,但是也存在诸多问题制约着它的发展,如:使用寿命不高,空气电极在催化剂选择上要兼顾效用和成本两方面的因素,锌电极的更换再生过程比较繁琐等。总的来说,锌空气电池作为一种清洁能源,虽然有以上问题需要解决,但仍非常适宜用作电动汽车的动力电源,具有很大的开发潜能。
2)锂空气电池
锂空气电池采用了电负性极低且最轻的金属锂负极与空气中氧为正极的组合设计,质量和电压优势最为突出[10]。它的化学反应原理十分简单,其放电时化学反应如下:
和目前的可充电电池中盛行的锂离子技术相比,锂空气电池理论上有能量密度可能要高10倍的巨大优势,以至于全球的研究人员都在开展锂空气电池的研究。而锂空气电池至今都未普及的原因在于它存在致命缺陷,即固体反应生成物氧化锂(Li2O)会在正极堆积,使电解液与空气的接触被阻断,从而导致放电停止。目前,适合长寿命高功率锂空气电池使用的电解质系统设计和高效空气电极的开发,是发展锂空气电池的两大重要课题[11]。
2015年11月,化学教授克莱尔格雷和她的团队攻克了锂空气电池开发中的技术难关,尤其是化学上的不稳定问题。研究人员使用了氢氧化锂而不是过氧化锂作为锂空气电池的制造原料,锂空气电池选用石墨烯制作电极,使得锂空气电池更稳定、更高效,可以充电2 000次以上,能源效率达到了93%左右。这种电池可大大拓展电动汽车的续航里程,并大幅改观电力存储的经济效益。不过,锂空气电池仍处于进一步研究阶段,目前锂空气电池的充电、放电水平依旧非常低,距锂空气电池技术成形、大规模实用阶段可能需要10年以上时间。
克莱尔格雷和她的团队取得的成就使这项技术向前迈出了重要一步,预示着全新的研究领域,相信未来锂空气电池技术的成熟会为电动汽车市场注入新的活力。
3 结语
电动汽车的发展与动力电池有着直接关系,所以动力电池的研制十分重要。近两年,动力电池技术的发展取得了不少的进步。目前看来,铅酸电池价格较低,比较适合我国的消费水平。镍氢电池已被列为近期和中期电动汽车首选动力电池,但很多问题会影响镍氢电池在电动汽车上的广泛使用。锂离子电池有着较好的性能,目前磷酸铁锂电池在动力电池的选择上占有很大优势;随着对石墨烯电池研究的发展,未来锂离子电池可能会成为普遍的电动车用动力电池。而空气电池目前有了新的突破,但仍然处在研究阶段。如果能研制出性能与经济性兼得的动力电池,并能生产出被消费者接受的电动汽车,将大大缓解我国的环境和能源压力。
参考文献
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电力电池储能系统应用与展望 篇9
1 电力电池储能系统与电力系统的关系
当前,电力电池储能系统已被视为电力系统安全经济运行的重要环节(见图1)。电力电池储能系统主要应用在电力系统运行中的削峰填谷、新能源接入、电能质量改善和应急电源4个方面。
受发电设备固有惯性和运行经济性限制,传统的发电方式(水电、火电、核电)自身具有大规模、连续性的特点,而用电负荷固有的随机性和间断性造成了二者之间存在必然的矛盾。虽然可以通过加强电源和电网的建设与投资来解决,但这将导致发电、输电和变电设备的利用效率大大降低并严重影响一次能源的利用效率和电厂的运行经济性。
新型能源(风能、太阳能)的大规模开发和利用,将使这一矛盾进一步加剧和恶化。因此,亟需突破储能相关的关键技术,开发大容量、规模化电池储能系统,以提高一次能源和输变电设备的利用效率,减低温室气体排放[1,2,3]。
电力电池储能系统主要实现能量的储存、释放或快速功率交换,一般由2个系统组成:由电池模块组成的储能电池系统(BESS);由电力电子器件组成的能量转换系统(或称电网接入系统)。电网接入系统主要实现以下功能:①充放电控制;②交流-直流双向变换、直流-直流变换;③功率调节和控制;④运行参数检测和监控;⑤安全防护等。
应用于电力系统中大容量、规模化电池储能系统的相关技术,主要包括规模化系统集成技术和规模化系统接入技术。
2 电力电池储能规模化系统集成技术
电力电池储能系统的规模化系统集成技术,根据其应用情况可以分为大规模集中式储能系统和大规模分布式储能系统。
2.1 大规模集中式储能系统
大规模集中式储能系统以能量转换和电力系统削峰填谷功能为主,以实现电力系统的经济运行,其储能方式有抽水蓄能、压缩空气储能等。
这类储能电站一般规模较大(数兆瓦至数百兆瓦级),经常在有核电站、大型风电场和以火电为主的电力系统中应用,以满足调峰、快速备用、辅助服务和经济运行的要求。其优点是容量大,运行成本较低;缺点是受自然条件(选址)的约束较大。以前对这类储能系统的研究主要考虑与核电和大规模火电基地的配合调度较多,与大规模太阳能发电、风力发电等的配合较少。
2.2 大规模分布式储能系统
大规模分布式储能系统以平抑电源功率随机波动、维持局部电网或微型电网安全稳定运行为主,经常与可再生能源(如太阳能、风能等)配合使用,其储能方式有蓄电池、超级电容器、超导磁储能、旋转飞轮储能等。
这类储能电站一般规模较小(千瓦至兆瓦级),但如广泛应用,仍可占电力系统容量的相当比例并形成规模。其优点是布局灵活,可建在负荷中心;缺点是容量偏小、单位容量的投资较大。学术界对大规模分布式储能的研究刚刚开始。
3 电力电池储能规模化系统接入技术
电力电池储能系统规模化系统接入技术,目前根据其电网接入点应用情况可以分为以下4类:①新能源发电侧储能入网接入技术;②配电网储能入网接入技术;③用户侧储能入网接入技术;④电动汽车入网接入技术。
3.1 新能源发电侧储能入网接入技术
将电池储能系统用于新能源发电侧,可使新能源功率稳定,提高电网安全性和经济性。近几年,新能源发电发展迅猛,根据国家能源战略,到2020年,风力发电和光伏发电的总装机容量将分别达到1.5亿kW和3 000万kW。由于风力发电、光伏发电、地热发电等功率变动大,发电与用电需求不同步,因此储能系统将成为可再生能源发电设备中必不可少的辅助装备。有了储能装置的配合,这些不稳定的、与用电需求不同步的分布式发电设备才有可能向电网和用户稳定地供电。因此,新能源发电的快速发展对电池储能系统提出了更高的技术要求,也提供了更多的需求。
3.2 配电侧储能入网接入技术
将电池储能系统用于城市负荷中心区域的配电侧,可以减少用于发电、输电、变电、配电设备的投资,提高现有电力设备的利用率,降低发电煤耗、供电损耗以及提高供电可靠性。
随着城市电力需求的与日俱增,城市电网面临电力需求存在巨大峰谷差的挑战。目前城市电网系统,已从普遍缺电逐渐发展到局部地区负荷不稳定和不平衡造成的部分地区和部分时段的电力供应紧张,特别在城市中心负荷密度高的区域,经常有配电变压器过载的现象。然而从建设成本和资源保护的角度出发,通过新增发、输、配电设备来满足高峰负荷的需求变得越来越困难。在目前城市负荷中心区域,如采用大容量储能系统接入电网进行削峰填谷,替代常规的解决办法则可有效避免上述问题,不仅使得配电网安全、经济运行,也减少了巨大的增容费和社会环境影响,还提高了设备利用率、降低了线损。
3.3 用户侧储能入网接入技术
将储能电站用于用户侧,可以提高电网的电能质量,增强电网的供电可靠性。目前越来越多具有高度自动化生产线的工业企业和涉及信息、安全领域的用户对负荷侧电能质量提出更高的要求。例如,对于电子企业,1次0.1 s的停电,就将导致整条生产线上芯片的全部报废,损失可达数千万美元。如果使用基于大容量储能技术的电能质量装置作为备用电源,可提高这些企业用电的安全性和可靠性。
现在已经可以利用储能装置为每一个用户(家用、商用或者工业用户)提供不间断的、高质量的供电电源,而且可以让用户自主选择何时通过配电回路从电网获取电能或向电网回馈电能。
3.4 电动汽车入网接入技术
电动汽车是解决能源供需和环境问题的重要手段。按照我国新能源汽车产业发展规划,未来5 a电动汽车将产业化和大规模推广应用,并在2016年进入高速成长期。但大量的车辆充电将带来新一轮的电网负荷快速增长,使得用电负荷峰谷差日益加大的城市电力系统发、输、配电压力巨增。因此,采用电动汽车入网接入技术,将电动汽车能量在受控状态下实现与电网之间双向互动和交换,不仅可解决大规模电动汽车集中充电对电网冲击的影响,而且电动汽车作为移动备用储能装置的分散储能功能,在负荷用电高峰期对电网放电,可减缓电网高峰负荷用电的压力[4]。
将电动汽车和智能电网相结合的V2G技术,可实现电网与车辆的信息和能量双向互动,电动汽车作为电网能量系统的有机组成,可提高电网安全性、稳定性、可靠性和经济性。V2G是一项较前瞻性的技术,目前仅少数机构涉足,具有代表性的研究与示范都在美国。丹麦、英国和澳大利亚正开展这方面研究,大多数为新能源接入方面的示范应用。上海市电力公司是国内最早开展V2G技术研究的企业,目前已在上海漕溪能源转换综合展示基地和上海世博会国家电网馆建成2座具有V2G功能的充放电装置与电网实现双向互动,并在国内首次系统提出了电动汽车入网的研究框架体系以及系统化的充放电策略方案。
4 我国电力电池储能系统技术存在的问题
我国在规模化电池储能关键技术研究领域与国外相比存在以下主要问题。
4.1 电池本体工艺落后
电池本体即化学储能电池的研究、设计、工艺、制造、筛选以及组合等基础工作的任何不足或缺陷,都有可能成为整个储能系统的瓶颈。尽管我国电池的生产技术在总体上已经取得长足进展,但仍有不少技术,尤其是涉及大容量、高功率电池的研究、设计与生产技术,以及电池模块组合与电池组工程应用、运行与管理等诸多关键技术问题还有待于克服和解决。
4.2 大规模应用一直没有进展
尽管电池储能技术有很多的优点,但是由于技术、成本等原因,其在电力系统中的大规模应用一直没有进展。国内实际应用中的电池储能系统储能电站容量都很小,无法形成规模化。随着风力发电、光伏发电等可再生能源发电电源的大规模并网利用,这些电源所固有的随机性和间歇性使得电力系统的安全性和经济性面临巨大的挑战,急需大规模储能系统的支持。
4.3 电网接入技术研究落后
大规模电池储能系统接入到电网,在一定程度上会影响电网。如含有的大功率电力电子变流设备,会导致电网出现谐波、功率因数低等问题;存储设备投入和切除瞬间的过电压和电压暂降问题;存储设备的运行故障对电网的不利影响等。电网的电能质量问题和运行故障也会对存储设备产生影响,轻者缩短储能设备寿命,重者导致储能设备损坏。对此,一些国际组织制定了能量存储设备并网的标准(如IEEE Std. 1547—2003)。我国因尚未建设大规模电池储能系统示范应用工程,导致电网接入技术的相关研究落后。
5 结语和展望
建设坚强智能电网是国家电网公司必须实现的目标,电池储能的规模化系统集成及接入关键技术是实现这一目标的有力技术支撑,符合国家能源战略,也符合公司促进发展低碳经济的基本方针。以上海为例[5],电池储能系统一旦形成规模效应,将从以下几个方面产生经济效益和社会效应:①有效提高现有发电、输电、配电、用电设备的利用率,改变电力建设的增长模式;②降低发电企业和电网企业的运行成本,减少用户的用电费用;③减少停电损失;④节能减排。
随着智能电网的建设,将促进储能技术升级、 推动储能需求尤其是大规模储能需求的快速增长,从而带来相应的投资机会。随着储能技术的大量应用,必将在传统的电力系统规划、设计、调度、控制等多方面带来变革。但是,目前由于国外少数企业的技术垄断,造成价格过高,电网对电力储能系统的需求被压制。因此,国家应该尽快研究储能技术的相关产业标准,加强储能技术基础研究的投入,鼓励技术创新,掌握自主知识产权,从而降低产品价格,推动电力储能系统在电网中的规模化应用。如能抓住这一发展机遇,储能技术将可能取得重要进展,形成新的储能产业。
摘要：阐述了电力电池储能系统规模化的集成技术和接入技术的研究和应用现状。分析了我国电力电池储能系统存在的主要问题,从需求、技术和经济的角度出发,指出了我国储能产业的发展前景,提出了促进大容量储能产业发展的政策建议。
关键词：电池储能系统,分布式发电,电能质量,智能电网
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煤矿车辆用蓄电池技术 篇10
我国煤矿无轨辅助运输车辆主要有防爆蓄电池铲车、防爆蓄电池运煤车、电启动防爆柴油机车和气启动防爆柴油机车等。这些车辆能否可靠运行的关键是蓄电池的馈电、充电等问题,因此,提高蓄电池技术对整车设备具有重要意义。
目前,上述车辆主要使用各种铅酸蓄电池供电。其中,防爆蓄电池铲车和防爆蓄电池运煤车使用煤矿特殊型铅酸蓄电池;电启动防爆柴油机车使用隔爆启动型铅酸蓄电池,该电池除需要给灯、喇叭等供电外,还要带动启动电动机发动柴油机,并使用发电机浮充电;气启动防爆柴油机车使用隔爆型固定式铅酸蓄电池,该电池仅在车辆启动前为保护装置和车灯供电,也使用发电机浮充电,起到备用电池的作用[1]。由于铅酸蓄电池充放电排放氢气、铅酸,污染严重,并且体积大、质量重,因此,矿用车辆的蓄电池发展趋势是采用更高能量密度、兼有启动能力的新型磷酸铁锂电池。新型磷酸铁锂电池具有体积小、质量轻、比能量高、充放电倍率高、零排放、无污染等优点,满足矿用车辆的使用要求,并且还非常适合作为防爆纯电动车辆的动力源[2]。本文通过介绍上述电池的特点及使用情况,指出近期煤矿相关车辆用蓄电池技术的发展方向。
1 各种蓄电池的特点
(1) 煤矿特殊型铅酸蓄电池:
该电池符合《MT 334—2008煤矿铅酸蓄电池防爆特殊型电源装置规范》[3]要求,最大可以做到1 200 A·h、336 V,是当前储存能量最大的防爆蓄电池[4]。该电池本身防爆采用《GB 3836.3—2000爆炸性气体环境用电气设备 第3部分:增安型“e”》[5]规定的电气间隙大、相邻电池排布电压最低准则和坚固的外壳等措施来减少危险,在外壳上采用大型透气结构释放内部充放电产生的氢气,可用于主要井下巷道辅助运输设备。该电池的优点是过充、过放电对电池造成轻微伤害后,可以通过小电流充电恢复电池的性能,具有自恢复能力,不需要复杂的电池管理控制电路。该电池的缺点是充放电过程都有氢气排放现象,尤其在充电后期电解大量的蒸馏水而释放大量的氢气,对煤矿井下环境构成威胁;该电池中的铅和酸对土壤和水造成严重污染,并且体积大、质量重,降低了车辆行驶里程和速度;该电池每次充电前都需要检查水量,维护需要专人负责并需有相应的专业知识,使用寿命仅能达到500次[6]。
(2) 隔爆启动型铅酸蓄电池:
该电池属于免维护铅酸蓄电池,内部极板薄而面积很大,酸液多为胶体等形态,具有体积小、质量轻、充放电水分损失少、不需要补充液维护、放电倍率高等特点,尤其是傲铁马卷曲型电池,虽然最大容量仅有50 A·h,但启动电流可达850 A以上,超过200 A·h普通铅酸蓄电池或者120 A·h免维护启动电池,适合车辆启动等大电流应用场合。但该电池的容量相对较小,并且过充电后会造成压力阀打开流失大量水分而严重影响寿命,使用中要严格控制充电电压。
(3) 隔爆型固定式铅酸蓄电池:
该电池也属于免维护铅酸蓄电池,其容量更小,仅为20 A·h,只做备用电池使用。该电池在过充电时同样也会流失大量水分而严重影响寿命,并且充放电电流也不能过大,避免发热损害电池,一般应控制在0.2倍率放电以内及电池充电温度小于45 ℃。
(4) 磷酸铁锂电池:
该电池是一种高能量密度可充电电池,其能量密度是铅酸蓄电池的2倍,并且体积小、质量轻,充放电不排放任何气体,大电流充电最快可以1 h充满,放电电流最大可达6～7倍,在碰撞等故障情况下也不会燃烧和爆炸,是当前最适合电动车辆使用的牵引型电池。但是,由于该电池采用负压密封封装形式,其自身在过充、过放电后不能与外界交换物质,因而不具备自修复能力,一旦过充电或者过放电都将直接导致寿命结束。因此,该电池必须依靠严格的电池管理单元,保证每节电池都不在低温下充电、不过充电、不过放电、不高温运行,管理电路和软件较复杂。
2 各种蓄电池在使用中发现的问题及解决办法
(1) 煤矿特殊型铅酸蓄电池中的牵引型铅酸蓄电池在过充电、过放电后,电池温度迅速提高,酸液挥发和水分电解严重,直接影响电池寿命。如果该电池发生过充电现象,应在添加足够蒸馏水后,使用0.1C(C为电池容量)以下小电流充电逐渐恢复电池容量。酸刺沟煤矿的防爆蓄电池铲车用电池在使用期间,曾经发生电池严重过充电现象,补充了50 kg左右的蒸馏水,电池在使用0.05倍率放电充电24 h后,后期使用基本正常,这证明铅酸蓄电池本身有自修复能力,允许适度的破坏而不会造成过大的损伤。
(2) 隔爆启动型铅酸蓄电池出现最多的问题是亏电,主要原因是国内防爆发电机寿命较短、冬季电池充放电性能下降等。傲铁马卷曲型电池低温充放电性能优异,可不受温度影响。经试验,低温 20 ℃冷藏后该电池可正常启动柴油发动机,并且可以在2 min内不充电完成,充放电排放氢气最少。改进发电机质量和更换改种电池可以完全解决该电池在使用过程中发现的问题。
(3) 隔爆型固定式铅酸蓄电池出现最多的问题也是亏电,主要原因是国内防爆发电机寿命较短、不发动车却长时间开灯、电池吸收电流能力较差等。根本解决方法是改进发电机质量,并使用启动型铅酸蓄电池取代固定式铅酸蓄电池,加大电池吸收电流的能力,快速充电,并添加控制电路避免发电机损坏和人为过放电造成的馈电现象。
(4) 磷酸铁锂电池对低温和过充电、过放电更加敏感,低温下放电容量会迅速降低,超过零下20 ℃几乎无法使用,零度以下充电及超过55 ℃以上充电会破坏电池,而且该电池一旦破坏将直接结束寿命。磷酸铁锂电池组在试验过程中曾经发生电池过放电现象,电池两极电压为零,不能输出能量。打开电池后发现破坏机理是电池极板析出一层铜,阻隔了电池化学反应。因此,必须用严格的管理控制、保温等方法保证该电池运行在安全的运行区间。
3 结语
当前煤矿产品更新换代速度很快,已经淘汰了运煤车和电启动柴油机车等一代产品。虽然近几年大力倡导使用新能源,但由于电池技术的约束,还不能取代现有的柴油机车,也还未有相关产品在煤矿井下使用。
蓄电池技术是矿用柴油机车中的关键技术,使用新型高能量密度蓄电池取代铅酸蓄电池已经成为发展趋势,但其技术还在不断改进中。近几年,大型无轨辅助运输设备的牵引电池还会使用大容量煤矿特殊型铅酸蓄电池装置,小型无轨辅助运输车辆的蓄电池将开始使用新型磷酸铁锂电池,电启动和气启动用防爆柴油机车的蓄电池可能使用新型磷酸铁锂电池和超级电容的组合电源,既可以高倍率放电启动发动机,又具有体积小、质量轻、快速充电的特点,适应性更强。
摘要：介绍了煤矿无轨辅助运输车辆中使用的各种蓄电池的特点,包括煤矿特殊型铅酸蓄电池、隔爆启动型铅酸蓄电池、隔爆型固定式铅酸蓄电池、新型磷酸铁锂电池,分析了各种蓄电池在应用中存在的问题及相应的解决办法,指出了目前煤矿车辆用蓄电池的发展方向,即大型无轨辅助运输车辆还会使用煤矿特殊型铅酸蓄电池,小型无轨辅助运输车辆将开始使用新型磷酸铁锂电池,电启动和气启动防爆柴油机车可使用新型磷酸铁锂电池和超级电容的组合电源。
关键词：煤矿车辆,无轨辅助运输,防爆柴油机车,铅酸蓄电池,磷酸铁锂电池,组合电源
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帕特攻克蓄电池修复利用技术瓶颈 篇11
为探个究竟，记者专程前往进行了实地采访。
电池修复遭遇技术瓶颈
帕特动力站广州基地由杭州帕特科技有限公司等单位共同组建，是一家专门从事蓄电池等动力源产品研究的科研机构。在广州基地，负责接待的陈工程师告诉我们：眼下，国内电池修复市场表面上很火，但实际上普遍存在一个怪现象：那就是，电池修复市场这个蛋糕虽然很大，但至今很少有人啃得动它；电池修复尽管对电动车用户实惠不小，但现在大部分消费者并不买帐。究其原因，主要是目前几乎所有的开发商、销售商，只研发设备不研发修复技艺；只销售产品不重视售后技术服务，因而导致现有修复设备修复效果不明显，使用不持久之现象普遍存在，久而久之，消费者也就对此失去了信心。也就是说，电池修复业要想东山再起，对现有修复设备及修复技艺进行“二次开发”已是刻不容缓！
废旧蓄电池能否再生利用
然而，要攻克这类难题，首先得摸清废旧电池再生利用和提前失效的来龙去脉。陈工程师说：其实这个问题早在五、六十年代，我国学术界就有“可再生利用”的定论。因为，在欧美等一些发达国家，铅酸电池的日常保养和保护以及旧电池的复原处理和回收利用早已成为一个产业链条，不仅安排了大量的人就业，而且也创造了良好的经济效益。而如今，作为国内电动车主要动力源的铅酸蓄电池，一辆价值1000-2000元的电动车，蓄电池的价格就高达300-500元，且大部分蓄电池使用年限长则一年，短则半年，与国家规定的3-5年设计寿命相差甚远。为此，帕特动力站的专家们对回收的大量废旧电池进行了解剖分析和性能测试。结果发现，百分之八十以上蓄电池提前报废的原因与用户的使用和保养不当有直接关系。而这类问题电池，恰恰是完全可以经修补后重新利用的。
近千次试验耗资百万
在广州基地，陈工程师指着一堆被肢解的蓄电池向我介绍说，为了攻克这个难题，我们从材料检验到产品调试，又从工艺流程到修复技艺，总共投入了100多万元资金，前后也不知花了多少个日日夜夜，大大小小的试验足足做了近千次，光被肢解的蓄电池就达数百个。一开始，我们先通过消化吸收欧美专利来获取最佳的技术方案，然后，从新材料着手，以求改进原有的工艺，紧接着我们又投入紧张的样机试制工作。拿出样机后，我们又马不停蹄地进行反复的设备调试和各项性能测评，并将重点放在了修复效果的稳定性和持久性等方面。整个研制过程一环紧扣一环，紧张而有序，科学而严谨。如今功夫不负有心人，无数个日日夜夜的付出，总算换回了电池修复科技领域的累累硕果。
上万只蓄电池已修复
当记者问及该技术目前应用的效果如何时，老总们兴高采烈地说，自从技术难题一攻克，我们的加盟店一下子发展到100多家，而且大部分加盟店开业后一路绿灯，越开越红火。以前经营电池修复烦恼不少，现在再也没有从前那么累，也很少有人投诉。至于修复的效果，你可能想像，目前经我们修复的电池总数已超过一万只，且这些电池大部分使用时间已接近半年，有些则超过9个月，这样的产品怎么能不受欢迎呢？如果现在再有人问我们：电池到底能不能修复？修复后能使用多长时间？我们可以大声地告诉他：答案已不在我们公司，而在下面的加盟店。我们始终认为，检验科技产品是否真实可行，市场始终是杆秤，我们的每一项科技产品都会主动去接受实践的检验和市场的洗礼。
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太阳能电池新技术扫描 篇12
美国罗格斯大学研究人员发现, 激子在有机半导体晶体红荧烯中的扩散距离是以前认为的1000多倍, 该距离与激子在制备无机太阳能电池的硅、砷化镓等材料中的距离相媲美。科学家认为, 新的研究发现有望让有机太阳能电池的成本更低、性能更卓越, 或许可以取代硅基太阳能电池。
科学界一直使用有机半导体来制造太阳能电池和其他产品, 因为, 有机半导体能够建造在大的塑料薄片上。但是, 有机半导体有限的光伏转化效率限制了其在太阳能领域的发展, 然而新发现可以加速有机太阳能电池的研发速度。
研究人员发现, 激子在超纯净的晶体有机半导体红荧烯中的行进距离是以前认为的1000多倍。而此前, 研究人员观测到的激子在有机半导体中的行进距离不足200纳米。这是科学家首次观察到激子在有机半导体中可行进几微米——其扩散距离从2微米到8微米不等, 这个距离与激子在制备无机太阳能电池的材料硅、砷化镓中的扩散距离相媲美。而激子的扩散距离越远, 可以吸收的太阳光越多。
波德兹瑞福解释道, 当激子碰撞到半导体的边界或结点时, 电子移动到结点的一边, 电子空穴移动到另一边, 产生光伏电流。如果激子的扩散距离不到1纳米, 仅仅离边界或结点最近的激子才会产生光伏电流, 这也是为何目前有机太阳能电池的转化效率偏低的原因。
研究人员指出, 激子通常可分为万尼尔激子和弗伦克尔激子。万尼尔激子在晶格中移动得更快, 因此, 其产生光电的属性更加突出。进一步发现, 有机半导体红荧烯晶体内的激子的行为更像无机晶体中的万尼尔激子的行为。而之前, 科学家以为, 有机半导体中只会出现弗伦克尔激子。因此, 该实验证明, 激子扩散的障碍不是有机半导体的固有障碍, 进一步的研究有望研发出效率更高、可批量生产的有机太阳能电池。
一种基于水凝胶技术的太阳能电池
美国北卡罗来纳州大学的研究人员研究出一种基于水凝胶技术的太阳能发电装置——人工叶。这种水基太阳能电池不但能够和硅基太阳能电池一样产生电力, 而且在成本和环境友好性上更具优势, 使模拟自然产生电能的设想离现实又近了一步。
这种柔性太阳能电池由包含光敏分子的特殊水凝胶和由碳纳米管或石墨制成的电极组成。与树叶中的植物分子在经过阳光照射后产生糖的过程类似, 在光敏分子和电极的作用下, 这种人工叶太阳能电池在太阳下也能产生电能。下一步, 研究人员将对水基光电器件进行调整, 以使这种太阳能电池与真正的叶子更为相似。此外, 研究人员还计划模拟在植物中所发现的自我更新机制, 并将尝试除水凝胶和光敏分子之外的其他物质以进一步提高水基太阳能电池的发电效率。
GaAs太阳能电池创造42.3%转换效率记录
Spire集团的全资子公司Spire Semiconductor研制出了世界上效率最高的三结砷化镓 (Ga As) 太阳能电池, 在406倍太阳辐射聚光 (406 suns) 、大气光学质量1.5 (AM1.5) 、25℃的测试条件下, 这片0.97 cm2电池的效率达到了42.3%。这项开发是美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的孵化器项目的一部分。现在, 电池的设计已经达到了可以生产的水平并创造了转换效率的世界记录。目前, 这款下一代更加高效的Ga As聚光太阳能电池平台已经可以交付聚光太阳能系统开发商投入商业使用。NREL的孵化器项目在一期已经达到了39%的效率。
自动除尘太阳能电池板
科学家开发出一种可自动除尘的太阳能电池板。这种太阳能电池, 其不仅能实现自动清洁, 还能提高光能发电效率, 降低大型太阳能设备的维护成本。