新一代二次电池展望

2006-05-07 15:49:50来源: 电子产品世界

电池可分为化学电池和物理电池两大类。在化学电池中,则有原电池(一次电池)、可充放电的二次电池及让氢等与空气中的氧发生反应的燃料电池之别。

市场动向

使用电池的行业极为广泛,电池业的市场规模接近3万亿日元,其中主要供汽车用的铅电池约占45%.在日本,随着80年代CD及摄录像机的普及,镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等小型二次电池日渐增加,曾经是主流的铅电池已降到20%左右。

日本电池产业的无机10年前约为5000亿日元,1999年增长到经8300亿日元。10年前约占2/3的二次电池,到1999年已占到了约3/4。而且在单一的镍镉小型电池之外,加进了镍镉小型电池之外,加进了镍氢和锂离子电池。这些小型电池约占全部电池的55%。

至于小型二次电池今后的动向,对用户来说,重要的是高能量密度、廉价和小型轻量三个问题。预计到2005年前后,锂离子电池将成为主流,其市场将以便携式PC和手持电话为中心,开拓其它用途尚有困难。而镍氢电池不适合PC,将主要用于手持电话、电动汽车等的电源。

二次电池的研发

电池的研发,简言之,就是探索电压差大、充放电反应效率高的活性物质材料,并将其尽可能高密度地装入一定容器的过程。就电压而言,水溶液系的镍氢和镍镉在正极电位超过水电解电压的正侧电位(阳极电位)便产生氧,而低于负侧电位则负极就产生氢,因此,用水溶液系材料其电压大致限定在1.5V左可。与之相反,锂不使用水,可以用分解电压极高的有机溶剂,所以既能选用3.7V压差的正负极材料,还能做到高能量密度化和小型轻量化。

就提高能量密度来看,镍氢已起来一次电池的水平,今后不会再有多大提高。而锂离子尚有余量,还有可能提高能量密度。当然,镍氢还可在选择增大理论容量的材料上做文章,也可提高能量密度(图1)。不管怎样,日本都以轻小为目标,并以此作为研发的课题,而最后的胜负,仍应看价格、可靠性及生产的能量而定。

此外,应该注意的是电压走低的趋势。在北欧,有的国家已推出2.4V工作电压的手持电话,预计2001~2003年,2V到2.8V将成主流,最终也可能接近1V。但是,电池的材料也会变化,这也是一件重要的事情。所以,现在是一方面注意这种动向,一方面研究采用高能量密度的材料。

至于今后的方向,锂离子当是笔记本电脑及移动电话等的应用主流,要求薄度的话,还要注意锂离子聚合物电池。另一方面,镍氢在手持电话电压降低的也足以应用在这一领域,特别是镍氢的容量(mAh)大,可用牢靠的圆筒形。10毫米组细的镍氢电池在移动电话应用上堪与锂电池竞争。

顺便说说为什么镍氢电池为圆筒形而锂电池呈方形。锂离子在电压方面几近镍氢的3倍,但容量不大,而镍氢电压虽低却容量大,因此,如做成高度同样的5号电池,锂离子电池必然很粗,而镍氢即使很细也能满足容量需求。本来圆筒密封方式既牢靠又便宜,而锂离子容量不足,为了变薄不得不让其呈方形。从这个意义上说,处心积虑地把镍氢做成昂贵的方形实非上策,最终改成细圆筒形是合理的。

镍氢电池的特点及趋势

无论镍氢电池还是锂离子电池,要想取代以往的电池,如不能具备或轻或小的特点就没有意义了,因此都必须提高能量密度。镍氢较之镍镉电池有以下特点,因其体积能量密度高而得以小型化,而且能高效率充放电,寿命长,具有与镍镉电池电压的互换性,不污染环境。尤其是最后这点,因不用镉而成了时代的宠儿。

早期烧结型镍氢电池电极中镍金属所占的体积很大,最近使用了多孔的海绵状镍,活性物质得以大量装入,而且装入材料的形状为球形,结果,活性物质达到了体积的51%。目前,高能量密度的镍氢电池中,电极的体积比为正极占50%,负极30%,隔板及间隙等约占20%,因此,今后正极的改进将最为有效。

目前的镍正极在低温下活性物质利用率达到130%,即是说可达1.3电子反应,但温度一升高就难以进行充电了。因此,对于电动汽车用电源等的温度升高,还很难适应。高温充电接受性是今后应予以改进的一大课题。

还有一方向就是进一步提高整体反应。即推进达到理论上1.5电子反应的极限的研究。

锂离子电池的特点及今后方向

锂离子电池因负极采用碳,既轻又能获得高密度能量,故具有能迅速充放电、长寿命、自己放电小、无储存效应的特点。

锂离子正极材料希望是相对负极有3.5V电压以上的高能量密度材料,但这种材料不多。目前使用的锂钴复合氧化物与锂镍复合氧化物已是顶级材料。后者在价格上便宜,能量密度也大,但放电曲线较之钴系呈阶梯下降(图2),即是说在放电过程中加入了另的复杂反应。不过,将来如果使用电压降到2.4V左右的话,镍系将受到极大差注。

而负极有许多材料。目前主要使用的是石墨和非晶碳,极少情况还发现有吸纳锂的合金(图3)。此种合金在比锂金属体积更小时能获得高的能量密度、故可望进一步小型化。

最后,锂离子聚合物电池引起人们的注意,其正负极材料都是锂离子。其特点是把电解液浸入聚合物材料后,电解液便出现风暴反应,电解液难以渗出,故易于用薄膜电槽封口。虽然聚合物的能量密度较低,但由于可用薄膜电槽,即使电池的厚度做得很薄,能量密度也很少降低。不过,电池的厚度以4毫米为限,如有不能使用大于4毫米以上厚度的用途,则聚合物电池还应进一步改进。

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