寻找理想电池的路途 还有很长路要走

2008-04-09 10:57:50来源: 第一财经日报
  1800年意大利物理学家亚历山德罗·伏特发明了世界上第一块电池。自那以后,人们研究出多种新型电池,但所有电池的基本运作原理其实是一样的:利用不同材料间的化学反应来储存和释放电能

  充电电池的过往由来

  世界上最早的可充电电池,也即铅酸蓄电池,是由法国物理学家贾斯顿·普兰特于1859年发明的。19世纪末欧美主要发达国家的电气化进程促使人们开始研究蓄电池,将其使用在诸如电报、手电筒及后备能源等方面。但最大的一块市场可能还是在电车领域。在19世纪末至20世纪初,由蓄电池驱动的电车是当时城市街头一道常见的风景线。究其原因,在于电车很少有噪音,也不会排放有毒气体。但在行程方面,电车一直存有缺陷。到了1912年,随着电动启动器的发明,带有内燃机的汽油动力汽车登上历史舞台,电车随之遭到遗弃的命运。

  镍镉充电电池大约在1900年问世,它多使用在对能量需求更大的场合。与铅酸蓄电池一样,镍镉电池在使用中容易产生化学气体,尤其在过度充电的情况下。在上世纪40年代末,德国工程师乔治·纽曼通过调整充电电池的化学组成而解决了这一问题,使得密封型充电电池成为现实。从20世纪60年代起,镍镉电池的应用范围日益扩大,为诸如电动剃须刀和电动牙刷这样的小电器提供动力。

  在20世纪大多数时间里,铅酸蓄电池和镍镉电池主宰了整个充电电池市场,这两种电池至今仍被人们使用着。尽管就单位体积存储的电能而言,它们无法与新型电池相比,但从成本方面来说,它们是极为合算的。如今几乎所有汽车的启动发动机都是靠小型铅酸蓄电池组提供脉冲电能的。它们也被使用在大型后备能源系统中,并占据了全球充电电池市场的近一半。在飞机及火车上,人们使用镍镉电池作为紧急备用动力来源。

  新型电池时代的到来

  在过去二十年里,两种新型可充电电池开始在市场上崭露头角。单位体积存储的电能两倍于铅酸蓄电池的镍金属氢化物电池1989年开始进入市场。在上世纪90年代,镍金属氢化物电池成为了便携式电子产品最理想的驱动能源,它也取代镍镉电池,在诸多领域得到应用。丰田公司1997年推出的新型油电混合车普锐斯所采用的也是镍金属氢化物电池。

  当今手机和掌上电脑上所普遍使用的电池仍以氧化钴为电池正极材料。这类充电电池也开始在汽车上使用,如Tesla汽车公司的跑车。但由于氧化钴化学活性高、代价昂贵,大多数专家认为,它不适宜广泛使用在混合动力汽车或纯电动车上。

  于是研究人员开始尝试另辟蹊径。总部位于密歇根州的Compact Power公司已开始用锰来取代电池中的钴,原因在于锰成本更低且在高温下性能更稳定。但坏消息是,由于锰元素会溶解在电解液中,寿命也要短一些。不过,美国阿贡国家实验室的资深科学家迈克尔·撒克里认为,将锰与其他元素,如镍和钴,混合起来使用能解决这些问题。

  1997年,美国科学家称,有望使用磷酸铁作为新型的电池正极材料。相比于氧化钴,磷酸铁具有价格低廉、安全及环保等优点。但其缺点是能量密度低、导电性能差,从而影响了电池的储电、放电性能。后来,2002年麻省理工学院的研究人员发表论文称,在磷酸铁中掺杂一些铝、铌、锆元素可以极大提高其导电性能。不过,该研究结果尚存在一些值得商榷之处。

  磷酸铁电池技术目前正被几家公司投入商业用途,美国的A123 Systems公司和加拿大的Phostech Lithium都在其中。Phostech Lithium公司拥有生产和销售基于古登纳夫博士专利的电池材料的专有权。不过,虽然两家公司都在为市场份额而竞争,但其结果还很难料,因为这其中还涉及到专利侵权等问题。

  追寻理想的电池

  能源研究者无不渴望找到一种现时代的“点金石”:他们渴望开发出能使电动汽车轻易上路的新型电池技术

  当1996年通用汽车公司大肆张扬地推出了纯电动汽车EV1之时,不少人认为它预告了一个革命性时代的到来:电动汽车现代化大生产时代的到来。拥有两座的EV1的核心部件是一个重达533千克的铅酸蓄电池,充满一次能使汽车跑上个110公里的路程。很多租赁EV1的人都对这款新型环保汽车着迷不已。然而,它的诸多缺点,比如,充电一次行程有限,充电起来非常耗时等,迫使通用汽车公司及其他开发出了纯电池驱动汽车的公司在几年后宣布放弃这方面的努力。

  不过,如今又有多家公司重新投入到纯电动汽车或插电型油电混合车的研发当中。这些新型汽车能借助充电电池跑上较短路程,而插电型油电混合车则配备了内燃机,以供长途驱驰之用。相比之下,丰田汽车公司大受欢迎的普锐斯(Prius)混合动力汽车光靠电池驱动的话,只能行驶不到一英里路程。美国加州泰斯拉汽车公司(Tesla Motors)近期推出了一种纯电池驱动的两座跑车,重达450公斤的电池组使它充电一次能跑上350公里。丰田公司和通用公司都期望最迟于2010年将插电型油电混合车推上销售市场。

  那么,究竟是什么改变了这一切?除了全球气候变暖和石油价格日益攀升的因素之外,最主要原因在于,电池技术已取得重大突破。十多年前促成了手机革命的可充电型锂电池如今有望用来为汽车的电动化提供能量来源。“显然,电池技术将是我们的未来。”江森自控-Saft动力方案公司总经理玛丽·安·赖特说道。这家美、法合资公司已在法国建立了一家专门生产锂离子汽车电池的工厂。

  据统计,从现在到2015年,全球市场对混合动力汽车电池的需求将增加三倍,价值总额达23亿美元。他预测说,将于2009年首次应用在混合动力汽车上的锂离子电池可能会占据整个电池市场的半壁江山。

  与其他类型的可充电电池相比,锂离子充电电池具有多项优势。除了体积轻盈之外,它几乎不受“记忆效应”的影响。所谓“记忆效应”,是指充电电池在电力未完全耗尽的情形下再度充电引起的性能减弱。一旦投入到大规模生产,锂离子充电电池要比其主要竞争对手——镍金属氢化物电池价格低廉。丰田普锐斯和其他公司生产的混合动力汽车所采用的正是镍金属氢化物电池。

  尽管如此,说锂离子电池定会大获全胜还为时尚早。锂离子电池也存在一个极大缺陷:它在变得过热、过度充电及遭受破损的情形下很有可能变得不稳定起来。2006年,由于生产过程中的问题导致有些电池容易起火,电子业巨头索尼公司不得不召回几百万块用在手提电脑上的电池。而不合格的汽车电池则危险性更大,长期积存在电池里的能量一旦触发,就是一次大爆炸——这种风险任何一家汽车公司都承担不起。相比于小型电器,人们对汽车电池性能、耐用性及价位的要求则要苛刻得多。所以,眼下人们正致力于锂离子电池技术的改进和完善,使其合乎安全要求并能在亿万辆汽车上推广使用起来。

  对完美汽车电池的不懈追求

  江森自控和Saft动力方案两家公司于2006年成立了一个合资项目,他们采用了另一种方法,将氧化镍钴铝合金用在电池正极上来生产电池。合资公司总裁约翰·西尔勒说,用这种方法生产的电池能持续使用15年。2007年,Saft公司宣布,戴姆勒公司已选用他们的电池作为其将于2009年投入销售的奔驰混合动力轿车的驱动电池。其他一些正在研发当中的材料,如锡合金和硅等,也有望使用在未来的锂离子电池中。

  通用公司目前正在对分别由A123 Systems(全球领先的电池制造商,高能锂离子电池的主要供应商)和Compact Power两家公司为其环保型概念车Chevy Volt生产的电池组进行测试。该款即将投产的插电型混合动力车能在40英里行程内完全使用电力,而在必要的时候,其内部的小型内燃引擎可以对其电池充电。

  通用汽车公司希望能在2010年将Volt投入大批量生产。这一计划相当有挑战性,因为Volt的成功与否关键在于汽车电池技术的成熟。美国新罕布什尔州的电池研究专家詹姆斯·乔治表示:“这个项目要么会取得巨大的成功,要么会遭到惨败。”

  “在寻找理想电池的路途上,我们还有很长一段路要走。”新能源专家撒克里博士说道。相比于几乎每隔两年其性能就能增加一倍的电脑芯片,自电池发明200年以来,人类在电池性能方面取得的进展可谓缓慢之极。但高涨的石油价格和全球气候变化等问题的出现也意味着,研究人员有了前所未有的动力来投入到优良电池的研发当中。“总有一天,我们将越来越少地使用内燃机,”赖特女士说道,“这是一个不可避免的过程。”

  (译自《经济学家》)

关键字:密封  镍镉  铅酸  蓄电池  脉冲  发动机  电能

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/news/power/200804/article_20747.html
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