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材料科普11:化学电池类型有哪些?
2022年05月26日 发布 分类:粉体入门 点击量:132
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新能源相关产业相关产业如火如荼,与之相关的新能源电池也备受大家关注,磷酸铁锂、三元锂电、固态电池等相关概念非常火爆,但电池可不止如上这几种哦,下文一起来科普科普吧~~

100Mwh电池储能电站

宁德时代位于青海的100Mwh电池储能电站:大容量电池储能技术可为绿色风电/太能能等并网提供条件

一、三大电池种类:生物电池、物理电池及化学电池

“电池”广义上是泛指能产生电能的装置,按电池原理划分,主要可分为生物电池、物理电池、化学电池三大类。

化学电池是生活中使用最多的电池。它是将化学能直接转化电能的装置,能量转化高(可高达80%,物理电源如火电、风能、太阳能约为25%),应用广泛,可储能可与其他能源配合使用,已经广泛应用于各国工业、军事及其他部门。

物理电池是指利用物理原理制成的电池,其特点是能在一定条件下实现直接的能量的转换,主要有太阳能电池、飞轮电池、核能电池和温差电池。

生物电池是利用生物(如生物酶、微生物或叶绿素等)分解反应过程中表现出得带电现象所进行的能量交换,有酶电池、微生物电池和生物太阳电池等。

电池种类

二、化学电源电池的分类

化学电池分类方法众多,常按电解液种类、正负极材料和电池功能不同进行分类。当然,不同分类方法并不代表某一电池体系只能分属于一次电池或二次电池或储备电池或/燃料电池,恰恰相反,某一电池体系可以根据需要设计成不同类型的电池,如锌银电池可以设计为一次电池,也可以设计为二次电池或储备电池。

1、第一类:按电池的电解液种类划分

可分为碱性电池、酸性电池、中性电池及有机电解液电池等。碱性电池的电解质主要是以以氢氧化钾水溶液为主的电池,如:碱性锌锰电池(俗称碱锰电池或碱性电池)、镍镉电池,镍氢电池等。酸性电池主要以硫酸水溶液为介质,如铅酸电池等;中性电池是以盐溶液为介质,如锌锰干电池;有机电解液电池,主要以有机溶液为介质的电池,如锂电池、锂离子电池等。电解液为固体电解质的电池成为固体电解质电池。

2、第二类:按电池所用正、负极材料划分

常分为锌系列电池、镍系列电池、铅系列电池、锂系列电池、二氧化锰系列电池及空气(氧气)系列电池等。

①锌系列电池有锌锰电池、锌银电池等;②镍系列电池有镉镍电池、氢镍电池等:③铅系列电池,有铅酸电池等;④锂系列电池有锂离子电池、锂锰电池、聚合物锂电池、磷酸铁锂电池等;⑤二氧化锰系列电池,有锌锰电池、碱锰电池等;⑥空气(氧气)系列电池,如锌空气电池、铝空气电池等。

3、第三类:按电池功能分(使用最多的一种分类方式)

按工作性质和贮存方式不同的分类方法,可分为一次电池、二次电池、燃料电池和储备电池四类。

①一次电池(原电池)

一次电池,又称原电池,不可充电,一次电池使用后就必须废弃,如锂原电池等。如果原电池中电解质不流动则称为干电池,如锌锰干电池,锌汞干电池、锌银干电池等。

CR系列3V锂锰扣式电池

CR系列3V锂锰扣式电池不可充一次电池

(纽扣电池也有可以充电的,比如蓝牙耳机用的)

一次电池常用于低功率到中功率放电。它们使用方便,相对价廉。外形以扁形、扣式和圆柱形为多见。常以单体电池或电池组的形式用于各种便携式电气和电子设备。圆柱形(干)电池广泛用于照明、信号和报警装置,还广泛用于半导体收音机、收录机、计算器、玩具以及剃须刀、吸尘器等家庭和生活用品上。扣式电池广泛应用于手表等,薄形电池还用于CMOS电路记忆储存电源。同时,一次电池广泛应用于军事便携通信、雷达、夜间监视等设备,还用于气象仪器、导航仪器等。

纽扣电池

蓝牙耳机上用的是二次的纽扣电池或者软包电池

②二次电池(蓄电池)

二次电池及其电池组(即可充电池,习惯上称为蓄电池),其电池的冲放电反应是可逆的,放电时化学能转化为电能,通反向电流(充电)时体系回复到原来的状态,即将电能转化为化学能储存起来。常用于较大功率的放电如汽车启动、照明和点火。二次电池的另一主要用途是辅助和(备用)应急电源,以及(浮充状态下)负荷平衡供电。它作为卓有成效的电化学储能装置在人造卫星、宇宙飞船和空间站方面,在潜艇和水下推进方面,在电动汽车辆及储能站方面的应用,正越来越显示出新的生命力。


【行业数据】锂离子动力电池市场及技术进展

锂电行业,除了动力电池,储能电池也很热

蓄电池的具体称谓通常是将负极置前、正极随后构成,如镉镍电池、氢镍电池、钠硫电池等等,当然也有例外,如铅酸蓄电池正负极均为同类材料,分别是铅的氧化物(PbO2)和铅(Pb),所以就称之为铅酸电池,亦可简称为铅电池。

蓄电池品种繁多,分类方式也很多,一般在教科书上最常见的方式是按电池电解质特性划分,分为酸性电池、碱性电池和固体电解质电池等。如铅酸电池电解质是硫酸溶液,归酸性电池;镉镍电池电解质是氢氧化钾溶液,归碱性电池;钠硫电池电解质是β-Al2O3陶瓷材料,归固体电解质电池。另外,也有按电池工作温度的不同划分为常温电池、中温电池和高温电池。然而,在平时生活当中,人们一般更习惯于按电池的具体用途来进行划分,如手机电池、数码相机电池、动力电池、储能电池等等。

小电驴用的电瓶一般为铅酸蓄电池

③燃料电池

燃料电池乍看与一般电池相似,也有正负极和电解质等电池主要部件,但细看发现与一般电池不同的是其正负极本身并无活性物质,负极(燃料电极)和正极(氧化剂电极)只是进行电极反应的催化转换载体。以氢氧燃料电池为例,当电池工作时,反应物燃料氢(H2)和氧化剂氧(O2)分别由外部供给进行反应,原则上只要将这些反应物氢(H2)和氧(O2)不断输入,反应产物水(H2O)不断排除,燃料电池就能源源不断地输出电来。所以,燃料电池更象是一个“发电厂”,也可以认为是一种持续的“一次电池”。

燃料电池种类也不少,按其工作温度不同从低到高依次为常温碱性燃料电池(AFC)和质子膜燃料电池(PEMFC);中温磷酸型燃料电池(PAFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC);以及高温固体氧化物燃料电池(SOFC)等。

质子交换膜燃料电池,是目前最受研发机构和商业应用领域关注的燃料电池,小到手机和其他电子设备的便携电源,大到游船、轿车和公共汽车的动力以化学储能技术及其在电力系统中的应用。其应用主要集中在备用电源市场、电动汽车市场和特种车辆市场,在这3个市场中,均有较为明朗的技术发展倾向。在备用电源市场上,解决燃料电池的氢气供应问题和成本过高问题是未来发展的主要关注点。长久来看,燃料电池的发展要通过降低成本进军低端市场,并在低端市场取得价格优势,也需要考虑氢气源存放问题,符合各国不同的消防规定,使客户自主选择燃料电池作为备用电源。

④贮备电池

储备电池,常在特殊的环境下使用。电池贮存时不直接接触电解液,直到电池使用时,才加入电解液或使用其他方法使其激活。

如储备热电池和储备锌银电池经多年长期储存之后能在短时间内高倍率放电,用作导弹电源。在微安级低倍率放电条件下工作的固体电解质电池,储存寿命或工作寿命特别长,可用作心脏起搏器和计算机储存电源等可靠性要求特别高和寿命特别长的场合。

▼各种类型的电池的主要应用范围


三、化学电源的组成

化学电源由正负极、电解质、隔膜及外壳等部分组成,其外型五花八门,有扣式、平板式、圆柱形、矩形等等。

1、电极

电极包括正极和负极,是电池的核心部件,它由活性物质和导电骨架组成,活性物质是电池放电时,通过化学反应能产生电能的电极材料,活性物质决定了电池的基本特性,活性物质多为固体,也有液体和气体。

2、电解液

电解液也是化学电源不可缺少的组成部分,它与电极构成电极体系,仅有电极、没有电解液,也不能进行电化学反应,电极材料选定后,电解液有一定的选择余地,电解液不同,电极的性能也不同,有时候甚至关系电池的成败。电解液保证正负极间的离子导电作用,有点电解液还参与成流反应。

3、隔膜

隔膜,又称隔板,置于电池电极之间,主要作用是防止电池正极与负极接触而导致的短路,同时使正、负极形成分隔的空间,由于采用隔膜,两个电极的距离可大大减少,电池结构紧凑,电池内阻也降低,比能力可以提高。(PS:我们常说的液态锂电池的构成包括正极、负极、电解液、隔膜四大材料,固态电池的构成包括正极、负极、电解质三大材料。)

隔膜

4、外壳

外壳是电池的容器,同时兼有保护电池的作用,在现代化学电源中,只有锌锰干电池是锌电极兼做外壳,其他各类化学电源均不用活性物质兼做容器,而是根据情况选择合适的材料作为外壳。

电池外壳应具有良好的机械强度、耐震动和耐冲击,并能耐受高低温环境的变化和电解液的腐蚀,因此在设计及选择电池外壳的结构及材料时,应考虑上述要求,化学电源的外壳可采用各种橡胶、塑料以及某些金属材料。

四、化学电源(电池)性能

化学电源(电池)性能通常是指电性能,其主要参数有电动势、开路电压、工作电压、内阻、容量、比能量和寿命等。

1、 容量与比能量

容量系指电池放电电量,与电池本身大小有关,一般用安时(Ah)表示。比能量是指电池单位质量或单位体积所具有的电能量,用瓦时/千克(Wh/Kg)或瓦时/立方分米(Wh/dm3)表示。具体有理论比能量和实际比能量之分,理论比能量是指仅以电池参与电化学反应活性物质的量计算的数值,而实际比能量则是按照电池实际放电能量与其质量或体积之比实测的数值,由于电池放电时其内阻需消耗一定压降,再加上电池除正负极活性物质外,还有电解质、外壳等也占了一定重量和体积,所以电池实际比能量总是要远低于其理论比能量。举个例子,如铅酸电池的理论比能量约为170 Wh/Kg,而实际比能量仅为35 Wh/Kg左右。所以,比能量大小是比较电池性能差异的一个关键参数。自上世纪60-90年代以来陆续研制开发的一些新型电池由于其比能量高(大于100Wh/Kg),被称为高能电池,如钠硫电池、锂离子电池等。

2、 寿命

电池充放电循环寿命是衡量电池性能的一个主要参数。平时生活中人们总是希望电池使用寿命(充放电循环次数)能够越长越好。通常各类电池的使用寿命参差不齐,如铅酸电池使用寿命一般在200-300次左右,而一些高能电池,如钠硫电池、锂离子电池的使用寿命则可望大于1000次。另外,对同一类电池而言,其工作状态如工作温度、充放电条件、放电深度等差异也会影响电池实际寿命。一般来说,适当提高电池工作温度,在小电流、浅放电的工作条件下,将会大大有助于延长其使用寿命。

3、 电动势与开路电压

电动势与开路电压两者都定义为电池断路时(即无负荷情况下)的电压值,用伏特(V)表示,但从严格意义上讲,电动势是指电池正负两极在处于热力学平衡状态时的电极电位差,它是从对应的热力学函数计算的理论数值;而开路电压则是用高阻抗的电位差计或高精度的数字电压表对电池测量的实际数值,两者有一定差异,所以电池开路电压并不等于电动势,只能说是接近并总是小于电动势。

电动势或开路电压取决于电池正负极活性物质的电化学特性,是组成一个新电池的先天要素,其与电池本身大小无关。所以,电动势或开路电压值的高低往往是初始区分电池特性的一个基本参数。

4、 工作电压与内阻

电池工作电压(放电电压)是指电池在有电流通过外电路负载做功时克服其本身内阻压降后所显示的电压值,即电池开路电压与与其工作时内阻压降的差值,用伏特(V)表示。很明显,如电池内阻越小,则相应电池的工作电压就越大。所以,内阻是表征电池性能的一个重要参数。

 

参考来源:

1、化学电源技术,作者:上海空间电源研究所,出版社:科学出版社

2、化学电源—绚丽多彩的电池世界,上海硅酸盐研究所,曹佳弟

3、化学储能技术及其在电力系统中的应用;苏伟等编著;科学出版社

 

编辑:粉体圈Alpha

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