各類電池性能、限制因素及其應(yīng)用場(chǎng)景解析

現(xiàn)在的社會(huì)的發(fā)展，促進(jìn)了電池的不斷發(fā)展，電池的突破受到眾多贊揚(yáng)，為了吸引媒體和消費(fèi)者的關(guān)注，各類新型超級(jí)電池也層出不窮。然而，電池行業(yè)應(yīng)該保持理性，下面這篇文章通過關(guān)注電池的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、壽命和安全性，幫助大家了解電池的許多功能及其限制因素。

牽引車電池

輪椅、摩托車和高爾夫汽車大多使用鉛酸電池。盡管鉛酸很重，但它的工作原理相當(dāng)好，而且只需適度的調(diào)整就可以轉(zhuǎn)換到其他系統(tǒng)中去。雖然鋰離子電池比鉛酸電池更貴，但由于壽命更長，因此循環(huán)成本更低，相對(duì)于于鉛和鎳電池，它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低維護(hù)。鋰離子電池可以在任何充電狀態(tài)下使用而不會(huì)產(chǎn)生副作用，相比之下，鎳鎘電池(NiCd)和鎳氫電池(NiMH)偶爾需要完全放電來防止其產(chǎn)生記憶，而鉛酸電池則需要飽和電荷來防止硫酸鹽。

除此之外，叉車也較多使用鉛酸電池。對(duì)于叉車來說，長時(shí)間的充電對(duì)倉庫是不利的，因?yàn)閭}庫一天24小時(shí)都在運(yùn)轉(zhuǎn)。也有些叉車裝有燃料電池，在車輛行駛時(shí)為電池充電，盡管燃料電池有較差的電力輸送，但是其需求也在緩慢上升。

其實(shí)理論上看說，輪式機(jī)械車輛越重，電池應(yīng)用就越不合適，但這并不妨礙工程師們研究大型的電池系統(tǒng)以取代污染嚴(yán)重的內(nèi)燃機(jī)。比如船舶港口的自動(dòng)導(dǎo)引車輛(AGV)系統(tǒng)。AGV一天24小時(shí)都在運(yùn)行，而且車輛不能被長時(shí)間的充電間隔所束縛，這是因?yàn)殇囯x子電池部分解決了這一問題，這種更輕、充電速度更快的電池取代了10噸重、300kWh的超大鉛酸電池，但由于重量、充電時(shí)間和基礎(chǔ)設(shè)施的限制，超大型電池仍然有一定的局限性。

用于潛艇的超級(jí)電池

對(duì)于大型牽引系統(tǒng)，目前還沒有經(jīng)濟(jì)的電池解決方案，燃燒化石燃料也是無法完全避免的事情。現(xiàn)代鋰離子電池可提供約150Wh/kg的能量，而化石燃料的凈熱值(NCV)超過12000wh /kg，從這點(diǎn)來看，電池的能量與化石燃料相比是微不足道的。但是應(yīng)該承認(rèn)，在節(jié)能減排的趨勢(shì)下，電池的應(yīng)用仍然會(huì)有所增長。

航空電池

飛機(jī)上電池的職責(zé)是在輔助動(dòng)力裝置(APU)關(guān)閉或飛行中的緊急情況下為導(dǎo)航和應(yīng)急系統(tǒng)供電。這時(shí)電池為制動(dòng)、地面操作和啟動(dòng)APU提供動(dòng)力，如果發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，電池必須能夠提供30分鐘到3小時(shí)的能量，每架飛機(jī)必須有足夠的電池動(dòng)力以便飛機(jī)安全著陸。在飛行過程中，電力由發(fā)電機(jī)提供，如果需要，可以斷開機(jī)上電池。

大多數(shù)商用客機(jī)使用泛濫的是鎳鎘電池。而小型飛機(jī)通常會(huì)使用鉛酸電池。雖然鉛酸比鎳鎘更重，但對(duì)維護(hù)的要求也更少。現(xiàn)代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)用鋰離子電池給噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝上了線軸，波音787夢(mèng)幻客機(jī)也是如此。隨著機(jī)載功能從液壓轉(zhuǎn)向電動(dòng)，飛機(jī)需要更大的電池，高能量密度的鋰離子電池比鎳鎘和鉛酸電池更能滿足這一需求。但是，意料之外的鋰離子電池故障可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，促使飛機(jī)制造商重拾鎳鎘電池。不可否認(rèn)的是，所有電池都可能發(fā)生故障，事實(shí)上也有關(guān)于鎳鎘合金熱失效的報(bào)道，且不少企業(yè)對(duì)于鋰離子電池能量密度的過度追求和安全性的忽視才是電池故障最重要的原因。

噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)

雖然飛機(jī)上有許多不同的電池，但它們唯一的目的是啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)提供備用電源。大型飛機(jī)將繼續(xù)使用化石燃料飛行，因?yàn)殡姵剡€不能用于推進(jìn)引擎。小型電池驅(qū)動(dòng)式飛機(jī)正嘗試將其用于飛行員訓(xùn)練和短跳飛行，但這些目前只屬于實(shí)驗(yàn)性的。

衛(wèi)星電池

現(xiàn)在，鋰離子電池是衛(wèi)星的首選電池，它重量輕，充電方便，經(jīng)久耐用，循環(huán)良好，它的自放電低，幾乎不需要維護(hù)。

“好奇號(hào)”火星探測(cè)器使用了特殊設(shè)計(jì)的鋰鎳氧化物電池(LiNiCo)，形成了8S2P結(jié)構(gòu)(8個(gè)電池串聯(lián)，2個(gè)并聯(lián))，只有部分充電和放電才能延長壽命。美國國家航空航天局預(yù)計(jì)鋰離子電池可以使用7年，循環(huán)壽命為3.7萬次，而國防部的鋰離子電池使用壽命只有40%到60%。NASA實(shí)驗(yàn)室揭示，壽命的終止與陽極SEI層的生長、陰極材料的損耗、導(dǎo)電路徑的損耗、金屬鋰的電鍍和電解質(zhì)氧化有關(guān)。據(jù)了解，大型的140Ah鋰離子電池正在研發(fā)中，其使用壽命有望長達(dá)18年。

固定電池

對(duì)于儲(chǔ)能電池的選擇不應(yīng)該只基于價(jià)格?？偟膩砜?，鉛酸電池適合只需要偶爾排放的工作，液流電池和鈉硫電池適用于需要集中放電的大型系統(tǒng)，而鋰離子電池則適用于每天多次快速充電且放電時(shí)間短的中小型系統(tǒng)。從傳統(tǒng)來看，固定電池是鉛酸電池。因?yàn)閷?duì)于電池的尺寸和重量要求不是十分嚴(yán)格，當(dāng)很少放電時(shí)，鉛酸電池有限的循環(huán)次數(shù)不會(huì)造成問題。暴露于高溫和低溫以及需要深度循環(huán)的應(yīng)用程序通常使用鎳鎘電池。這種電池比鉛酸電池更堅(jiān)固，但成本大約是鉛酸電池的四倍。鎳鎘電池是唯一一種可以在最小壓力下快速充電的電池。

除此之外還有鋰離子電池。鋰離子電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在低溫下性能不如鎳鎘和鉛酸電池。另一種正在回歸固定使用的電池是鎳鐵電池。發(fā)明家托馬斯·愛迪生(Thomas Edison)曾為電動(dòng)汽車推廣鎳鐵電池，但由于成本高、自放電率高，鎳鐵最終輸給了鉛酸電池?，F(xiàn)在對(duì)于這種電池的改進(jìn)消除了其部分缺陷，它的超強(qiáng)耐用性重新引起了人們的興趣。

儲(chǔ)能系統(tǒng)(電網(wǎng)蓄電池)

風(fēng)能和太陽能等可再生能源不能提供穩(wěn)定的能源流，也不總是與用戶需求相協(xié)調(diào)。因此大型儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)需要為其提供無縫服務(wù)。近幾年來，儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)從煤炭和石油轉(zhuǎn)向可再生資源的增長勢(shì)頭很強(qiáng)勁。據(jù)估計(jì)，到2021年，僅南非的ESS裝機(jī)容量就將達(dá)到1500MWh。其中應(yīng)用的電化學(xué)電池有液流電池、鋰離子電池、鉛酸電池等。

由于鋰離子電池占地面積小、維護(hù)成本低、使用壽命長、負(fù)載均衡，因此很多儲(chǔ)能電站正逐漸向鋰離子電池發(fā)展。鋰離子不會(huì)像鉛酸一樣因周期性地充滿電而發(fā)生硫酸化，鋰離子電池還具有重量輕、便于在偏遠(yuǎn)地區(qū)安裝的優(yōu)點(diǎn)。而它的缺點(diǎn)也是顯而易見的，那就是價(jià)格高、低溫性能差，價(jià)格問題目前已經(jīng)大幅度下降了，未來幾年還會(huì)繼續(xù)下降，但低溫性能差仍待解決，因?yàn)闊o法在冰點(diǎn)以下充電。

電池管理系統(tǒng)(BMS)將電池的電量保持在50%左右，以吸收大風(fēng)帶來的能量，滿足高負(fù)載需求?，F(xiàn)代的BMS可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)從充電切換到放電。這有助于穩(wěn)定輸電線路上的電壓，也稱為頻率調(diào)節(jié)。以上就是各類電池性能、限制因素及其應(yīng)用場(chǎng)景，希望能給大家?guī)椭?