电池种类及应用概览与成分分析

电池的作用便是在一个封闭系统中将储存的化学能转化成电能（有用的能量）和热（副产品）。与燃料电池不同的是，在能量转换过程中，质量守恒。电化学转换发生在互补的两个电极之间，反应的性质依赖于电极的化学性。当一个离子穿过电解质时（两个电极之间的空间），一个电子通过外部负载来响应离子的移动。这样，就产生了电能^{[6，13，14]}。

图15.3 带负载时电池放电图

电池电极的容量决定了电池所能储存能量的多少，但是电池的输出功率是由与电解质接触的电极的那块面积决定的，当然电极的厚度也会影响输出功率（见图15.3）。

在二次电池中，如果负载换成电源，电子则反方向运动，即向电池充电。

电池最初被分为两类。一次电池只能放电一次，在放完以后要么被丢弃要么被回收。而二次电池或者充电电池在放电之后，可以迫使电流从阴极流向阳极来重新获得并储存电能。典型的一次电池用锂、锌等活性金属做阳极，这样就能得到相对二次电池而言更高的能量密度。既然它们是镀上金属的电极，那么它们极易使枝晶因充电而生长，因此不能安全有效地充电。二次电池一般要经历化学转换，这样就不会从根本上改变电极的物理特性。

总的来说，电池和液态燃料相比，具有较低的能量密度，而且其功率输出也不能和内燃机或者用于大规模生产的燃气涡轮相比。然而，对于小型装置（10cm³）来说，采用封闭系统和具有反应罐及储存罐的系统的好处是非常大的。因为没有必要向电池中添加或者取出反应物，所以电池是不需要管子的。电池也不太会出现突然的机械故障。这些特性。使得它尤其适用于那些特别关注尺寸和可靠性的军事、医疗以及生物应用上。

一次性电池计划向中等寿命的应用（几天或者几年）方面进军，并被应用到那些不可能经常充电或者不方便完全被燃料电池替代的地方。表15.3列出了几种一次电池的型号、应用范围、操作电压和能量密度。

表15.3 常见一次电池

普通充电电池有铅酸、氢镍和锂电池。铅酸电池技术相对成熟，且已有一百多年的历史。这些电池能够循环使用成千上万次，并能产生爆发性的能量。但是，它们具有腐蚀性的电解质和低能量密度，这使得它们并不适合那些小型系统或者那些以可持续方式提供低功率的系统。

羟基氧化镍电池，最初是NiCd电池，现在是更普通的低毒NiMH电池，相对于铅酸电池，在大多数能量密度下，它可以提供可靠的循环性能，并具有较好的保质期。后者虽然相当便宜，但却有明显的不足之处，它需要慎重选择循环种类以避免对电极造成不可逆转的损失。因此，当混合动力汽车选择这些电池时，由于铅酸电池的低能量密度和奇特的循环性能，会使锂电池系统成为一个具有吸引力的选择。

锂电池目前的价格很高，但是能提供两倍于铅酸电池或NiMH电池的电压，同时有更长的保质期，而且比NiMH电池更容易充电。在纳米科技时代到来之前，高电流密度下循环情能变差和低循环寿命（400次）使得电动汽车选用锂电池成为了一个昂贵且沉重的解决方案。但是，现在的阴极材料，如A123的LiFePO₄，能提供更高的能量密度和更长的保质期，所以锂电池也正被考虑用于汽车中。表15.4和表15.5概述了二次电池及其应用与电池种类概览。

表15.4 二次电池及其应用

表15.5 电池种类概览(www.xing528.com)

图15.4所示为一次性电池和二次电池所占的市场份额。铅酸电池大概占二级电池市场份额的60%，其中有50%的二次电池用于汽车行业。其他种类的电池主要是碱性电池，锂离子电池，碳锌电池和镍氢电池。

图15.4 2003年一次性电池和二次电池（可充电）的市场占有率预测

既然电动汽车必须由电池产生的能量来推动，那么该电池不仅要有良好的重力能量密度，还应具有良好的体积能量密度（小容量电池可以允许有更多的空气动力学设计，以便为乘客留下更大的空间）。因此，从图15.5可以看出，相比其他二次电池，选择铅酸电池是不适当的；而对于混合动力车而言，锂电池就成为最佳选择，但是其使用寿命和循环效率限制了它们的发展。

从比能和功率输出的比较可以看出，在汽车和固定装置中，内燃机和燃气轮机在功率输出和使用寿命上较好，也比普通的电池和燃料电池更优。

电池生产越来越多，并且以第一世界的生活方式传遍全世界，又引起了关于原材料、贵金属和反应物等可用性的新问题。幸运的是，锌、锂、铅等材料的储量相对来说较为丰富。

锌在地壳金属元素含量中排名23，全球每年有超过10⁷t的锌被冶炼^[20]。如果这些锌都用来制作5号（AA）碱性电池的话，那么每年就能生产1×10⁹个电池。除了储量相对丰富以外，锌还可以通过热力学驱动形成氧化物，既安全又环保。此外，氧化锌的安全性使得它能作为防晒霜和一些外用药膏的添加剂；锌可安全地存放在大多数环境下，要是表面被氧化了可以用碱性溶液轻松去除。

锂，尽管储量也非常丰富，但是其安全性不如锌。2005年有关锂的USGS年鉴中声称，HEV和PHEV大量使用锂离子电池将大大扩大对锂的需求量。随着需求和价格的上涨，为了节约成本，曾经一度被认为不经济的锂盐矿石，可能会再次被用来生产碳酸锂。

锂一旦暴露在水或者氧气中便会发生剧烈的反应，因此保存锂和锂离子电池必须要防潮、密封。这些加工要求增加了NiMH电池和锂电池之间成本差异，同时，HEV需要用到更多的锂，高需求必然进一步导致锂离子电池价格的攀升。表15.6列出了锂离子电池中可能会用到的各种成分。

图15.5 普通电池的重力能量密度和容量能量密度

表15.6 锂离子电池中阴阳极、电解质材料