畢業(yè)論文廢舊蓄電池的再生利用

1、摘摘 要要 概述了各類汽車蓄電池的工作原理及發(fā)展現(xiàn)以及廢舊蓄電池對(duì)人類環(huán)境的 危害，通過與美日等發(fā)達(dá)國(guó)家鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)的對(duì)比分析了我國(guó)鉛蓄電池產(chǎn) 業(yè)發(fā)展存在的主要問題展望和分析了國(guó)內(nèi)鉛蓄電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景和趨勢(shì), 國(guó)內(nèi)外處理廢舊蓄電池的方式，以及國(guó)內(nèi)外一些蓄電池的新技術(shù)，如：環(huán) 境友好型蓄電池、燃料電池。以及對(duì)未來蓄電池做一些展望。 關(guān)鍵詞：汽車蓄電池;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì);回收利用；環(huán)境友好型蓄電池；燃料 電池；未來蓄電池 abstractabstract an overview of all types of car batteries and the working principle of t

2、he development and the waste batteries on the human environment, with the developed countries such as japan lead storage battery industry comparative analysis of accumulator of our country lead industry development existing problems analysis and forecast of domestic battery industry development pros

3、pect and trend at home and abroad, treatment of waste battery way at home and abroad, as well as some battery new technology, such as : the environment friendly battery, fuel cell. as well as the future of battery to do some prospect. key words : car battery; present situation; development trend; tr

4、eatment and recovery environmental friendly battery; fuel cell; future battery 目錄目錄 第一章概述第一章概述 .1 1.1 課題來源.1 1.2 汽車蓄電池的現(xiàn)狀.1 第二章汽車蓄電池的工作原理第二章汽車蓄電池的工作原理 .2 2.1 鉛酸蓄電池的工作原理.2 2.1.1、鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生.2 2.1.2、鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng).2 2.1.3、鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng).3 2.1.4、鉛酸蓄電池充放電后電解液的變化.3 2.2 鎳鎘蓄電池的工作原理.3 2.2.1.放電過程中的電化學(xué)反應(yīng).4 2.

5、2.2.充電過程中的化學(xué)反應(yīng).5 2.2.3.端電壓.6 2.2.4.容量和影響容量的主要因素.6 2.2.5.內(nèi)阻.7 2.2.6.效率與壽命.8 2.2.7.記憶效應(yīng).8 第三章廢舊汽車蓄電池對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響第三章廢舊汽車蓄電池對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響 .9 3.1 廢舊蓄電池對(duì)環(huán)境的影響.9 3.2 常用蓄電池中的各種有害成份.9 3.3 蓄電池對(duì)人類身體的影響.9 第四章現(xiàn)代新技術(shù)在汽車廢舊汽車蓄電池的研究與應(yīng)用第四章現(xiàn)代新技術(shù)在汽車廢舊汽車蓄電池的研究與應(yīng)用 .11 4.1 汽車蓄電池的現(xiàn)狀與前景.11 4.2 燃料電池.14 4.3 環(huán)境友好型汽車用鉛蓄電池技術(shù)的現(xiàn)狀.18 4.3.1

6、 混合電動(dòng)汽車用 vrla 電池.19 4.3.2 怠速停行車用高性能 vpla 電池.19 4.3.3 汽車用卷繞高性能鉛蓄電池.19 第五章汽車廢舊蓄電池再生技術(shù)研究的展望第五章汽車廢舊蓄電池再生技術(shù)研究的展望 .20 5.1 國(guó)際廢舊蓄電池的處理方式.20 5.11 固化深埋、存放于廢礦井.21 5.12 回收利用.21 5.2 未來的汽車用鉛酸蓄電池.21 5.2.1 汽車蓄電池的功能和處境.21 5.2.2 對(duì)蓄電池的要求.22 5.2.3 蓄電池技術(shù).23 5.2.4 富液式鉛酸蓄電池.24 5.2.5 閥控式鉛酸蓄電池.24 5.2.6 先進(jìn)的蓄電池.25 5.2.7 超級(jí)電容器

7、和超級(jí)電池.26 第六章第六章總結(jié)與展望總結(jié)與展望 .28 致謝致謝 .29 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn): : .30 第一章第一章 概述概述 1.1 課題來源 本課題是根據(jù)學(xué)院老師結(jié)合當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。考慮到汽車蓄電池 在汽車中占據(jù)重要部分，但又由于汽車蓄電池在使用后會(huì)變成環(huán)境的重要 污染者，而導(dǎo)致環(huán)境破壞。故而基于這一想法出發(fā)，提出“廢舊蓄電池再 生研究”這一論文，并根據(jù)這些提出設(shè)計(jì)方案以及對(duì)其進(jìn)行分析。 1.2 汽車蓄電池的現(xiàn)狀 鉛蓄電池是一種傳統(tǒng)的電池產(chǎn)品，自發(fā)明至今已有多年的歷史，但該 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍方興未艾。 鉛蓄電池目前仍是化學(xué)電池中市場(chǎng)份額最大、使用范圍最廣的電池， 銷售額居二次電池之

8、首，特別在起動(dòng)和大型儲(chǔ)能等應(yīng)用領(lǐng)域較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)尚 難以被其他新型電池替代。鉛蓄電池具有技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定、安全、成 本低、資源再生回收率高等比較優(yōu)勢(shì)，但和鋰離子電池相比能量密度較低 循環(huán)壽命偏短，主要原材料鉛是一類有毒物質(zhì)，電池生產(chǎn)和再生鉛加工過 程中存在鉛污染風(fēng)險(xiǎn)，管理不善可能會(huì)對(duì)環(huán)境造成危害?？茖W(xué)技術(shù)進(jìn)步和 管理水平提高將促進(jìn)鉛蓄電池生產(chǎn)和再生鉛過程的鉛污染實(shí)現(xiàn)可控、可治， 污染風(fēng)險(xiǎn)減小。 隨著新技術(shù)的突破和新結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，鉛蓄電池將進(jìn)入新技術(shù)時(shí)代，其 比能量和比功率將大幅度提高循環(huán)壽命延長(zhǎng)，未來較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)鉛蓄電池仍 將在起動(dòng)儲(chǔ)能動(dòng)力等應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。 第二章第二章 汽車蓄電池的工作

9、原理汽車蓄電池的工作原理 2.1 鉛酸蓄電池的工作原理 2.1.1、鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（pbo2） ，在硫酸溶液中水分子的 作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)-氫氧化鉛（pb(oh)4） ， 氫氧根離子在溶液中，鉛離子（pb4）留在正極板上，故正極板上缺少電子。 鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（pb） ，與電解液中的硫酸（h2so4）發(fā)生反 應(yīng)，變成鉛離子（pb2） ，鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè) 電子（2e） 。 可見，在未接通外電路時(shí)（電池開路） ，由于化學(xué)作用，正極板上缺少 電子，負(fù)極板上多余電子，如右圖所示，兩極板間就產(chǎn)生

10、了一定的電位差， 這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。 2.1.2、鉛酸蓄電池放電過程的電化反應(yīng) 鉛酸蓄電池放電時(shí)，在蓄電池的電位差作用下，負(fù)極板上的電子經(jīng)負(fù) 載進(jìn)入正極板形成電流 i。同時(shí)在電池內(nèi)部進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。負(fù)極板上每個(gè)鉛 原子放出兩個(gè)電子后，生成的鉛離子（pb2）與電解液中的硫酸根離子 （so4-2）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（pbso4） 。正極板的鉛離子 （pb4）得到來自負(fù)極的兩個(gè)電子（2e）后，變成二價(jià)鉛離子（pb2） ， ，與電 解液中的硫酸根離子（so4-2）反應(yīng)，在極板上生成難溶的硫酸鉛（pbso4） 。 正極板水解出的氧離子（o-2）與電解液中的氫離子（h）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物 質(zhì)水。

11、電解液中存在的硫酸根離子和氫離子在電力場(chǎng)的作用下分別移向電 池的正負(fù)極，在電池內(nèi)部形成電流，整個(gè)回路形成，蓄電池向外持續(xù)放電。 放電時(shí) h2so4濃度不斷下降，正負(fù)極上的硫酸鉛（pbso4）增加，電池內(nèi)阻 增大（硫酸鉛不導(dǎo)電） ，電解液濃度下降，電池電動(dòng)勢(shì)降低。 2.1.3、鉛酸蓄電池充電過程的電化反應(yīng) 充電時(shí)，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器） ，使正、負(fù)極板在放 電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ) 存起來。在正極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子 （pb2）和硫酸根負(fù)離子（so4-2） ，由于外電源不斷從正極吸取電子，則正 極板附近游離的二價(jià)

12、鉛離子（pb2）不斷放出兩個(gè)電子來補(bǔ)充，變成四價(jià)鉛 離子（pb4） ，并與水繼續(xù)反應(yīng)，最終在正極極板上生成二氧化鉛（pbo2） 。 在負(fù)極板上，在外界電流的作用下，硫酸鉛被離解為二價(jià)鉛離子（pb2）和 硫酸根負(fù)離（so4-2）由于負(fù)極不斷從外電源獲得電子，則負(fù)極板附近游離 的二價(jià)鉛離子（pb2）被中和為鉛（pb） ，并以絨狀鉛附著在負(fù)極板上。電解 液中，正極不斷產(chǎn)生游離的氫離子（h）和硫酸根離子（so4-2） ，負(fù)極不斷 產(chǎn)生硫酸根離子（so4-2） ，在電場(chǎng)的作用下，氫離子向負(fù)極移動(dòng)，硫酸根離 子向正極移動(dòng)，形成電流。充電后期，在外電流的作用下，溶液中還會(huì)發(fā) 生水的電解反應(yīng)。 2.1.4、鉛

13、酸蓄電池充放電后電解液的變化 從上面可以看出，鉛酸蓄電池放電時(shí)，電解液中的硫酸不斷減少，水 逐漸增多，溶液比重下降。從上面可以看出，鉛酸蓄電池充電時(shí)，電解液 中的硫酸不斷增多，水逐漸減少，溶液比重上升。實(shí)際工作中，可以根據(jù) 電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。 2.2鎳鎘蓄電池的工作原理 鎳鎘蓄電池的正極材料為氫氧化亞鎳和石墨粉的混合物，負(fù)極材料為海綿 狀鎘粉和氧化鎘粉，電解液通常為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。當(dāng)環(huán)境溫度 較高時(shí)，使用密度為1.171.19（15時(shí)）的氫氧化鈉溶液。當(dāng)環(huán)境溫度 較低時(shí)，使用密度為1.191.21（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。在-15以下 時(shí)，使用密度為1.25-

14、1.27（15時(shí)）的氫氧化鉀溶液。為兼顧低溫性能 和荷電保持能力，密封鎳鎘蓄電池采用密度為1.40（15時(shí)）的氫氧化鉀 溶液。為了增加蓄電池的容量和循環(huán)壽命，通常在電解液中加入少量的氫 氧化鋰（大約每升電解液加15-20g） 。 鎳鎘蓄電池充電后，正極板上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸噉iooh ，負(fù) 極板上的活性物質(zhì)變?yōu)榻饘冁k； 鎳鎘電池放電后，正極板上的活 性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸瘉嗘?，?fù)極板 上的活性物質(zhì)變?yōu)闅溲趸k。 2.2.1.放電過程中的電化學(xué)反應(yīng) （1）負(fù)極反應(yīng) 負(fù)極上的鎘失去兩個(gè)電子后變成二價(jià)鎘離子 cd2+，然后立即與溶液中的兩 個(gè)氫氧根離子 oh-結(jié)合生成氫氧化鎘 cd(oh)2，沉積到負(fù)

15、極板上。 （2）正極反應(yīng) 正極板上的活性物質(zhì)是氫氧化鎳（niooh）晶體。鎳為正三價(jià)離子 （ni3+） ，晶格中每?jī)蓚€(gè)鎳離子可從外電路獲得負(fù)極轉(zhuǎn)移出的兩個(gè)電子，生 成兩個(gè)二價(jià)離子2ni2+。與此同時(shí)，溶液中每?jī)蓚€(gè)水分子電離出的兩個(gè)氫離 子進(jìn)入正極板，與晶格上的兩個(gè)氧負(fù)離子結(jié)合，生成兩個(gè)氫氧根離子，然 后與晶格上原有的兩個(gè)氫氧根離子一起，與兩個(gè)二價(jià)鎳離子生成兩個(gè)氫氧 化亞鎳晶體。 2.2.2.充電過程中的化學(xué)反應(yīng) 充電時(shí)，將蓄電池的正、負(fù)極分別與充電機(jī)的正極和負(fù)極相連，電池內(nèi) 部發(fā)生與放電時(shí)完全相反的電化學(xué)反應(yīng)，即負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，正極發(fā)生 氧化反應(yīng)。 （1）負(fù)極反應(yīng) 充電時(shí)負(fù)極板上的氫氧化鎘，

16、先電離成鎘離子和氫氧根離子，然后鎘離 子從外電路獲得電子，生成鎘原子附著在極板上，而氫氧根離子進(jìn)入溶液 參與。 (2)正極反應(yīng) 在外電源的作用下，正極板上的氫氧化亞鎳晶格中，兩個(gè)二價(jià)鎳離子各 失去一個(gè)電子生成三價(jià)鎳離子，同時(shí)，晶格中兩個(gè)氫氧根離子各釋放出一 個(gè)氫離子，將氧負(fù)離子留在晶格上，釋出的氫離子與溶液中的氫氧根離子 結(jié)合，生成水分子。然后，兩個(gè)三價(jià)鎳離子與兩個(gè)氧負(fù)離子和剩下的二個(gè) 氫氧根離子結(jié)合，生成兩個(gè)氫氧化鎳晶體： 即得鎳鎘蓄電池充電時(shí)的電化學(xué)反應(yīng)： 蓄電池充電終了時(shí)，充電電流將使電池內(nèi)發(fā)生分解水的反應(yīng)，在正、負(fù)極 板上將分別有大量氧氣和氫氣析出。氫摒化鈉或氫氧化鉀并不直接參與反 應(yīng)

17、，只起導(dǎo)電作用。從電池反應(yīng)來看，充電過程中生成水分子，放電過程 中消耗水分子，因此充、放電過程中電解液濃度變化很小，不能用密度計(jì) 檢測(cè)充放電程度。 2.2.3.端電壓 充足電后，立即斷開充電電路，鎳鎘蓄電池的電動(dòng)勢(shì)可達(dá)1.5v 左右， 但很快就下降到1.31-1.36v。 鎳鎘蓄電池的端電壓隨充放電過程而變化，可用下式表示： u 充=e 充+i 充 r 內(nèi) u 放=e 放-i 放 r 內(nèi) 從上式可以看出，充電時(shí)，電池的端電壓比放電時(shí)高，而且充電電流越 大，端電壓越高；放電電流越大，端電壓越低。 當(dāng)鎳鎘蓄電池以標(biāo)準(zhǔn)放電電流放電時(shí)，平均工作電壓為1.2v。采用8h 率放電時(shí)，蓄電池的端電壓下降到1

18、.1v 后，電池即放完電。 2.2.4.容量和影響容量的主要因素 蓄電池充足電后，在一定放電條件下，放至規(guī)定的終止電壓時(shí)，電池放 出的總?cè)萘糠Q為電池的額定容量，容量 q 用放電電流與放電時(shí)間的乘積來 表示。 表示式如下： q=it(ah) 鎳鎘蓄電池容量與下列因素有關(guān)： 活性物質(zhì)的數(shù)量； 放電率； 電解液。 放電電流直接影響放電終止電壓。在規(guī)定的放電終止電壓下，放電電流 越大，蓄電池的容量越小。 使用不同成分的電解液，對(duì)蓄電池的容量和壽命有一定的影響。通常， 在高溫環(huán)境下，為了提高電池容量，常在電解液中添加少量氫氧化鋰，組 成混合溶液。實(shí)驗(yàn)證明：每升電解液中加入1520g 含水氫氧化鋰，在常溫

19、 下，容量可提高4%5%，在40時(shí)，容量可提高20%。然而，電解液中鋰離 子的含量過多，不僅使電解液的電阻增大，還會(huì)使殘留在正極板上的鋰離 子（li+）慢慢滲入晶格內(nèi)部，對(duì)正極的化學(xué)變化產(chǎn)生有害影響。 電解液的溫度對(duì)蓄電池的容量影響較大。這是因?yàn)殡S著電解液溫度升高， 極板活性物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)也逐步改善。 電解液中的有害雜質(zhì)越多，蓄電池的容量越小。主要的有害雜質(zhì)是碳酸 鹽和硫酸鹽。它們能使電解液的電阻增大，并且低溫時(shí)容易結(jié)晶，堵塞極 板微孔，使蓄電池容量顯著下降。此外，碳酸根離子還能與負(fù)極板作用， 生成碳酸鎘附著在負(fù)極板表面上，從而引起導(dǎo)電不良，使蓄電池內(nèi)阻增大， 容量下降。 2.2.5.內(nèi)阻 鎳

20、鎘蓄電池的內(nèi)阻與電解液的導(dǎo)電率、極板結(jié)構(gòu)及其面積有關(guān)，而電解液 的導(dǎo)電率又與密度和溫度有關(guān)。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。氫 氧化鉀和氫氧化鈉溶液的電阻系數(shù)隨密度而變。18時(shí)氫氧化鉀溶液和氫 氧化鈉溶液的電阻系數(shù)最小。 通常鎳鎘蓄電池的內(nèi)阻可用下式計(jì)算： 2.2.6.效率與壽命 在正常使用的條件下，鎳鎘電池的容量效率 ah 為67%-75%，電能效率 wh 為55%65%，循環(huán)壽命約為2000次。容量效率 ah 和電能效率 wh 計(jì)算 公式 如下： （u 充和 u 放應(yīng)取平均電壓） 2.2.7.記憶效應(yīng) 鎳鎘電池使用過程中，如果電量沒有全部放完就開始充電，下次再放電 時(shí)，就不能放出全部電量

21、。比如，鎳鎘電池只放出80%的電量后就開始充電， 充足電后，該電池也只能放出80%的電量，這種現(xiàn)象稱為記憶效應(yīng)。電池全 部放完電后，極板上的結(jié)晶體很小。電池部分放電后，氫氧化亞鎳沒有完 全變?yōu)闅溲趸?，剩余的氫氧化亞鎳將結(jié)合在一起，形成較大的結(jié)晶體。 結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)的主要原因。 第三章第三章 廢舊汽車蓄電池對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響廢舊汽車蓄電池對(duì)社會(huì)和環(huán)境的影響 3.1 廢舊蓄電池對(duì)環(huán)境的影響 隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,琳瑯滿目的電子產(chǎn)品出現(xiàn)在我們的身邊.在 人類享受現(xiàn)代物質(zhì)文明的同時(shí),我們不應(yīng)該忽視其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響. 據(jù)資料摘一粒紐扣大的電池放在水里,會(huì)污染60萬升的水.

22、這是一個(gè)人一生 飲用水的總量.放入土壤里,會(huì)使1平方米的土地失去使用價(jià)值.而一個(gè)大塊 頭的蓄電池被隨意遺棄將會(huì)產(chǎn)生怎樣的污染則不言而喻.隨著我國(guó)電器產(chǎn)品 的增多,蓄電池的報(bào)廢量正在逐年增加,但統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,我國(guó)廢舊電池的平 均回收率僅為2%.雖然在干電池方面在我國(guó)政策引導(dǎo)下,逐漸生產(chǎn)堿性電池, 逐步實(shí)現(xiàn)無汞化,對(duì)土壤不會(huì)造成污染和危害,不需要特別回收,可以同普通 生活垃圾一起處理.而對(duì)廢舊手機(jī)電池和廢舊電動(dòng)自行車蓄電池的處理還處 于一個(gè)盲區(qū).。 3.2常用蓄電池中的各種有害成份 常用的蓄電池有鉛酸蓄電池,鎘鎳蓄電池,鐵鎳蓄電池,金屬氧化物蓄電 池,鋅銀蓄電池,鋅鎳蓄電池,氫鎳蓄電池,鋰離子蓄電

23、池等民用干電池是目 前使用量最大、也是最分散的電池產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)年消費(fèi)80 億只。主要有 鋅錳和堿性鋅錳兩大系列，還有少量的鋅銀、鋰電池等品種。鋅錳電池、 堿性鋅錳電池 、鋅銀電池一般都使用汞或汞的化合物作緩蝕劑，汞和汞 的化合物是劇毒物質(zhì)。廢電池作為生活垃圾進(jìn)行焚燒處理時(shí)，廢電池中 的 hg、cd、pb、zn 等重金屬一部分在高溫下排人大氣，一部分成為灰 渣，產(chǎn)生二次污染。 3.3 蓄電池對(duì)人類身體的影響 電池中含有大量的重金屬:汞,錳,鋅,鎘,鎳,鉛等.廢電池扔土壤里,其 中的成分就會(huì)滲透到土壤和地下水,人們一旦食用受污染的土地生產(chǎn)的農(nóng)作 物或是喝了受污染了的水,這些有毒的重金屬就會(huì)進(jìn)入人的體

24、內(nèi),慢慢的沉 積下來,對(duì)人類健康造成極大的威脅!高血鉛影響腎,肝,神經(jīng)系統(tǒng)和造血器 官,干擾腎功能和生殖功能,不可逆轉(zhuǎn)地?fù)p傷大腦.會(huì)使兒童出現(xiàn)行為問題, 低智商和精力難以集中.汞中毒有神經(jīng)衰弱綜合癥,植物神經(jīng)功能紊亂,以及 急躁,易怒,好哭等癥狀,重度中毒時(shí)發(fā)生明顯的性格改變,情感障礙,智力減 退.鎳通常從飲食中攝入,被認(rèn)為可誘發(fā)肺癌和鼻竇癌.鎳中毒主要引起呼吸 系統(tǒng)損害,嚴(yán)重者神志模糊或昏迷,并發(fā)心肌損害。 第四章第四章 現(xiàn)代新技術(shù)在汽車廢舊汽車蓄電池的研究與應(yīng)用現(xiàn)代新技術(shù)在汽車廢舊汽車蓄電池的研究與應(yīng)用 4.1 汽車蓄電池的現(xiàn)狀與前景 電池是指能將化學(xué)能、內(nèi)能、光能、原子能等形式的能直接轉(zhuǎn)

25、化為電能 的裝置。電池的種類很多，分類方法也很復(fù)雜，一般可分為化學(xué)電池與物 理電池。物理電池主要是指太陽(yáng)能電池，化學(xué)電池分一次電池和二次電池， 一次電池有普通鋅錳電池、堿性鋅錳電池、鋰-錳電池、鋅-空氣電池、一 次鋅-銀電池和鋅汞電池，二次電池包括鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸蓄電池、 鋰離子電池（鈷酸鋰電池、鎳酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池以及 鎳錳、鎳鈷、鎳錳鈷聚合物鋰電池） ，此外還有燃料電池、核電池等新型電 池。目前，世界電池產(chǎn)業(yè)已經(jīng)形成了各種電池共存的局面，各類電池的技 術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r各不相同。下面就幾種重要的電池作一簡(jiǎn)要介紹，以便 對(duì)整個(gè)電池產(chǎn)業(yè)有個(gè)感性認(rèn)識(shí)。 鉛酸蓄電池：鉛酸蓄電

26、池是指電極由鉛及其氧化物制成，電解液是硫 酸溶液的一種蓄電池。它是目前世界上廣泛使用的一種化學(xué)電源，具有電 壓平穩(wěn)、安全可靠、價(jià)格低廉、適用范圍廣、原材料豐富和回收再生利用 率高等優(yōu)點(diǎn)，是世界上各類電池中產(chǎn)量最大、用途最廣的一種電池。目前 在各類電池中占30%左右的比例，在二次電池中更是占到了70%以上的市場(chǎng) 份額。過去生產(chǎn)主要集中在西歐、美國(guó)、日本等地區(qū)，由于競(jìng)爭(zhēng)激烈和環(huán) 保原因，近年來歐美鉛酸電池廠合并趨勢(shì)加強(qiáng)，世界范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移和 企業(yè)整合現(xiàn)象明顯，生產(chǎn)集中度進(jìn)一步提高，中國(guó)、巴西、墨西哥等國(guó)家 和地區(qū)目前成為主要生產(chǎn)地。鉛酸電池除了存在污染、循環(huán)壽命短等問題， 別的方面優(yōu)勢(shì)很明顯，尤

27、其是價(jià)格方面，估計(jì)未來3-5年仍然會(huì)占有很大的 市場(chǎng)份額，尤其是在發(fā)展中國(guó)家。鎳鎘電池：它是由兩個(gè)極板組成，一個(gè) 是用鎳做的，另一個(gè)是鎘做的，鎳鎘電池：它是由兩個(gè)極板組成，一個(gè)是 用鎳做的，另一個(gè)是鎘做的，這兩種金屬在電池中發(fā)生可逆反應(yīng)，因此電 池可以重新充電。鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、價(jià)格便宜。 電池中發(fā)生可逆反應(yīng)，因此電池可以重新充電。鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)是結(jié) 實(shí)、價(jià)格便宜。缺點(diǎn)是鎘金屬對(duì)環(huán)境有污染，電池容量小，壽命短，所以 鎳鎘電池是最低檔的電池是最低檔的電池，是鎘金屬對(duì)環(huán)境有污染，電池 容量小，壽命短，所以鎳鎘電池是最低檔的電池，有記憶效每次充電都須 先放電，否則它的記憶功能將大大降低手機(jī)的充電

28、量，應(yīng)每次充電都須先 放電，否則它的記憶功能將大大降低手機(jī)的充電量，只有將電池中的余電 放凈后再進(jìn)行充電才能保持電池的充電量。 由于鎘的毒性和鎘鎳電池的記憶效應(yīng)，余電放凈后再進(jìn)行充電才能保 持電池的充電量。由于鎘的毒性和鎘鎳電池的記憶效應(yīng)，鎳鎘電池被隨之 發(fā)展起來的鎳氫電池部分取代，但在便攜式電動(dòng)工具方面，鎳鎘電池中的 sc 鎘電池被隨之發(fā)展起來的鎳氫電池部分取代，但在便攜式電動(dòng)工具方面， 鎳鎘電池中的 sc 型電池仍為首選。目前，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家出于降低成本和 環(huán)?？紤]，型、c 型、d 型電池仍為首選。 目前，日本等發(fā)達(dá)國(guó)家出于降低成本和環(huán)?？紤]，已將生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到國(guó) 外，我國(guó)已經(jīng)成為世界鎳鎘電池

29、的主要生產(chǎn)基地。但由于國(guó)內(nèi)環(huán)保也在日 益重視，轉(zhuǎn)移到國(guó)外，我國(guó)已經(jīng)成為世界鎳鎘電池的主要生產(chǎn)基地。但由 于國(guó)內(nèi)環(huán)保也在日益重視，國(guó)家對(duì)鎳鎘電池生產(chǎn)有很大限制，出口退稅也 全部取消，市場(chǎng)萎縮很快，其前景不容樂觀。國(guó)家對(duì)鎳鎘電池生產(chǎn)有很大 限制，出口退稅也全部取消，市場(chǎng)萎縮很快，其前景不容樂觀。鎳氫電池： 鎳氫電池是早期的鎳鎘電池的替代產(chǎn)品，從20世紀(jì)90年代開始投放市場(chǎng)。 鎳氫電池和鎳鎘電池外形上相似，而且鎳氫電池的正極與鎳鎘電池也基本 相同，都是以氫氧化鎳為正極，主要區(qū)別在于鎳鎘電池負(fù)極板采用的是鎘 活性物質(zhì)，而鎳氫電池是以高能貯氫合金為負(fù)極，因此鎳氫電池具有更大 的能量。同時(shí)鎳氫電池在電化學(xué)

30、特性方面與鎳鎘電池亦基本相似，故鎳氫 電池在使用時(shí)可完全替代鎳鎘電池，而不需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行任何改造。 由于鎳氫電池缺點(diǎn)是價(jià)格比鎳鎘電池要貴，性能比鋰電池要差，在移 動(dòng)電話、筆記本電腦等領(lǐng)域被鈷酸鋰等鋰電池取代，作為動(dòng)力電池在便攜 式電器市場(chǎng)、電動(dòng)工具、電動(dòng)車市場(chǎng)開始萎縮，主要是被錳酸鋰電池和磷 酸鐵鋰電池取代。鎳氫電池最終將被市場(chǎng)所淘汰。鋰離子電池：整個(gè)鋰離 子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，自1991年商業(yè)化以來，不斷蠶食鎳鎘電池和鎳氫電 池的市場(chǎng)。其中聚合物鋰離子電池在安全性、體積、質(zhì)量、容量和放電性 能方面均優(yōu)于液態(tài)鋰離子電池，更適合用作微型電器的電源，應(yīng)用范圍更 廣。 目前，鋰離子電池在整個(gè)電池產(chǎn)業(yè)中

31、是最受人矚目的，其中目前使用 最廣泛的是鈷酸鋰電池和錳酸鋰電池，但未來行業(yè)格局會(huì)有所變化，應(yīng)用 在手機(jī)、電腦和數(shù)碼產(chǎn)品中的鈷酸鋰電池會(huì)逐漸被二元/三元聚合物鋰電池 取代，而作為高倍率動(dòng)力電池，錳酸鋰電池也將逐漸被磷酸鐵鋰電池取代。 由于鋰離子電池技術(shù)發(fā)展速度迅猛，很多電池只能僅僅作為過渡電池（不 能完全消除安全隱患） ，只有聚合物鋰電池和磷酸鐵鋰電池代表了鋰離子電 池發(fā)展的方向。太陽(yáng)能電池：它是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光 能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。以光電效應(yīng)工作的菁膜式太陽(yáng)能電池為主流，而以 光化學(xué)效應(yīng)工作的式太陽(yáng)能民池則還處于萌芽階段。太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)在日 本、美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)光伏發(fā)電

32、進(jìn)行政策性補(bǔ)貼的刺激下，產(chǎn)業(yè)規(guī) 模迅速增長(zhǎng)。在各類太陽(yáng)能電池中，晶硅電池占據(jù)80%以上的比重，其在性 能上優(yōu)于薄膜電池，但薄膜電池在價(jià)格上具備一定的優(yōu)勢(shì)，未來市場(chǎng)份額 會(huì)有所上升。 世界太陽(yáng)能電池生產(chǎn)主要集中在中國(guó)、日本、德國(guó)和美國(guó)四個(gè)國(guó)家， 中國(guó)成為增長(zhǎng)最快的地區(qū)。但中國(guó)生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池90%以上是出口的，主 要是用于太陽(yáng)能發(fā)電站及光伏建筑一體化，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還處于試驗(yàn)階段，但 市場(chǎng)前景很值得期待。燃料電池：它是一種把儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化 學(xué)能，等溫地按電化學(xué)原理轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置。燃料電池是由含 催化劑的陽(yáng)極、陰極和離子導(dǎo)電的電解質(zhì)構(gòu)成。燃料在陽(yáng)極氧化，氧化劑 在陰極還原，電子從陽(yáng)極

33、通過負(fù)載流向陰極構(gòu)成電回路，產(chǎn)生電能而驅(qū)動(dòng) 負(fù)載工作。燃料電池與常規(guī)電池不同在于，它工作時(shí)需要連續(xù)不斷地向電 池內(nèi)輸入燃料和氧化劑通過電化學(xué)反應(yīng)生成水，并釋放出電能；只要保持 燃料供應(yīng)，電池就會(huì)不斷工作提供電能。 燃料電池在航空航天和軍事方面得到較好的應(yīng)用，但是受技術(shù)和成本 的限制，尚未達(dá)到普遍的民用商業(yè)化程度。世界各國(guó)政府和大企業(yè)都十分 重視燃料電池的發(fā)展，美國(guó)、日本、歐洲共同體等國(guó)家和他們的大企業(yè)都 投入了巨資來推動(dòng)燃料電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前已形成了一個(gè)龐大的 企業(yè)和研究群，如日本豐田和三菱、美國(guó) gm 和 ford、德國(guó) benz 等汽車制 造企業(yè)，再如加拿大巴拉德燃料電池公司、美國(guó)

34、 blackpower、unitedfuelcell 等燃料電池公司、德國(guó)氫能與太陽(yáng)能研究所 等。 未來幾年，世界電池產(chǎn)業(yè)將會(huì)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：一是在技術(shù)的推動(dòng) 和市場(chǎng)拉動(dòng)下，世界電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。二是二次 電池的增長(zhǎng)速度高于一次電池的增長(zhǎng)速度。三是一次電池和儲(chǔ)備電池產(chǎn)業(yè) 將穩(wěn)中有升；鉛酸電池產(chǎn)業(yè)將穩(wěn)步增長(zhǎng)；鎳鎘、鎳氫電池產(chǎn)業(yè)將逐步被鎳 氫或鋰離子電池取代；鋰離子電池產(chǎn)業(yè)仍將高速增長(zhǎng)，尤其是二元/三元聚 合物鋰電池和磷酸鐵鋰電池將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化的高潮；太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)短期受 金融風(fēng)暴影響，但長(zhǎng)期仍將保持增長(zhǎng)，其中薄膜電池優(yōu)勢(shì)將日益凸顯并會(huì) 壓縮硅基電池的市場(chǎng)份額；燃料電池使用成本

35、過高，技術(shù)還有待進(jìn)一步提 高，短期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。四是動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)將加快發(fā)展，目前看來， 磷酸鐵鋰動(dòng)力電池優(yōu)勢(shì)最為明顯，未來幾年將呈現(xiàn)爆發(fā)式的增長(zhǎng)屬問題。 碳?xì)浠衔锶剂献詣?dòng)在燃料電池內(nèi)部重整,并迅速地在電料電池發(fā)展現(xiàn)狀與 應(yīng)用。 4.2燃料電池 各種類型燃料電池(堿性燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物 燃料電池、磷酸燃料電池及質(zhì)子交換膜燃料電池)的技術(shù)進(jìn)展、電池性能及 其特點(diǎn)。其中著重介紹了當(dāng)今國(guó)際上應(yīng)用較廣泛、技術(shù)較為成熟的磷酸燃 料電池和質(zhì)子交換膜燃料電池。對(duì)燃料電池的應(yīng)用前景進(jìn)行探討,并對(duì)我國(guó) 的燃料電池研究提出了一些建議。關(guān)鍵詞:燃料電池;磷酸燃料電池;質(zhì)子交 換膜燃料電池

36、燃料電池有多種類型,按使用的電解質(zhì)不同來分類,主要有堿 性燃料電池(afc)、熔融碳酸鹽燃料電池(mcfc)、固體氧化物燃料電池 (sofc)、磷酸燃料電池(pafc)及質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)等。 1各種燃料電池發(fā)展?fàn)顩r （1）堿性燃料電池(afc) 20世紀(jì)50年代起美國(guó)就開始對(duì)堿性燃料電池進(jìn)行研究,并在60年代中期 成功地用于 apollo 登月飛行。afc 的優(yōu)點(diǎn)在于除貴金屬外,銀、鎳以及一些 金屬氧化物都可以作電極催化劑,它的陰極性能也比酸性體系要好,而且電 池的結(jié)構(gòu)材料也較便宜。缺點(diǎn)在于對(duì) co2和 n2十分敏感,故不適用于地面。 在國(guó)外,將 afc 用于潛艇及汽車的嘗試已

37、不再繼續(xù),目前 afc 主要用作短期 飛船和航天飛機(jī)的電源。中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所1958年就開始研究培 根型燃料電池。年代初開展堿性石60棉膜型燃料電池的研究,1968年承擔(dān)航 天用堿性石棉膜型燃料電池的研制。中科院大連化學(xué)物理研究所在60年代 初也開始研究堿性石棉膜型燃料電池。70年代初承擔(dān)了航天用堿性石棉膜 型燃料電池的研制,研制成兩種類型的電池。80年代初,研制了潛艇用20kw 的大功率堿性石棉模型燃料電池樣機(jī)。 （2）熔融碳酸鹽燃料電池(mcfc) mcfc 的電解質(zhì)由 li2co3和 k2co3組成,工作溫度在650攝氏度左右,陰極、 陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)快,無需貴金屬催化劑。由于在較

38、高溫度工作,可以對(duì)天然 氣、煤炭氣化燃料進(jìn)行內(nèi)部重整,直接加以利用。不需要復(fù)雜昂貴的外重整 設(shè)備。另外,燃料轉(zhuǎn)換效率高,余熱利用效率也較高。但 mcfc 在高溫下長(zhǎng)期 工作時(shí)電解質(zhì)損失造成的電池失效、隔板腐蝕對(duì)電池壽命的影響,以及鎳電 極緩慢溶解所造成的性能下降都是有待解決的課題。由美國(guó)能源研究公司 (erc)建造,使用內(nèi)部重整的2mwmcfc 裝置已經(jīng)安裝在加利福尼亞并入電網(wǎng)運(yùn) 行了720h,供電1710mwh,1997年3月停運(yùn),為建造和運(yùn)行這類電站提供了寶貴 經(jīng)驗(yàn)。日本熔融碳酸鹽研究協(xié)會(huì)在日本月光計(jì)劃和新日光計(jì)劃的支持下,一 個(gè)1000kw 系統(tǒng)正在組裝以評(píng)價(jià)此技術(shù)。長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所于

39、90年代初開 始研究 mcfc,在 lialo2微粉的制備方法和利用金屬間化合物作 mcfc 的陽(yáng)極 材料等方面取得了很大的進(jìn)展。大連化學(xué)物理所從1993年起在中科院資助 下開始研制,自制 lialo2微粉制造的 mcfc 單體電池性能已達(dá)國(guó)際80年代初 的水平。 （3）固體氧化物燃料電池(sofc) sofc 工作溫度高達(dá)1000攝氏度,反應(yīng)速度快,不需要貴重金屬做催化劑, 不存在電解質(zhì)腐蝕金極上被氧化,燃料中雜質(zhì)對(duì)電池的性能、壽命影響均很 小。其燃料轉(zhuǎn)換效率高,高溫余熱可很好利用,從而提高燃料的總利用效率。 sofc 可以與燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合,即用燃料電池的動(dòng)力代替燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒段, 總效率可

40、望達(dá)到60%-70%。sofc 的主要問題是固體氧化物電解質(zhì)所用的陶 瓷材料脆性大,目前仍很難制造出大面積的固體電解質(zhì)膜,這嚴(yán)重制約了建 造大功率 sofc。另外,sofc 還存在諸如電流密度小、電壓降高、制造工藝 復(fù)雜、成膜設(shè)備昂貴等問題。美國(guó)、丹麥、荷蘭、日本等國(guó)都很重視 sofc, 其中美國(guó)西屋(westinghouse)公司的研究工作較為突出,研制的25kw 的 sofc 電池組已經(jīng)通過了長(zhǎng)期示范試驗(yàn),建造在荷蘭的100kw 示范裝置也已于 1997年啟用,250kw 至7mw 發(fā)電裝置的建設(shè)正規(guī)劃中。中科院上海硅酸鹽研 究所1971年就開始進(jìn)行了 sofc 電極材料和電解質(zhì)材料的研究

41、。吉林大學(xué)于 1995年在吉林省計(jì)委和國(guó)家計(jì)委的資助下進(jìn)行 sofc 的研究,研制成功的單 體電池電壓達(dá)到1.18v,電流密度400ma/cm2。 （4）磷酸燃料電池(pafc) 磷酸燃料電池采用 h3po4液體做電解質(zhì),發(fā)電效率為35%-43%,工作溫度 180攝氏度由于工作溫度降低,反應(yīng)速度慢,因此需要使用貴重金屬 pt 做催 化劑。pafc 基本元件有陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì),單電池之間由隔板連接。磷酸 燃料電池的特點(diǎn)如下: (1)發(fā)電效率在35%-43%之間,大容量電站效率較高些。熱電聯(lián)供時(shí),總 效率為71%-85%。(2)潔凈、對(duì)環(huán)境污染小,沒有(或很小)轉(zhuǎn)動(dòng)部件,振動(dòng)和 噪聲污染也很小。

42、(3)隨著技術(shù)不斷改進(jìn),pafc 電站,特別是50kw 和200kw 電 站,其無故障連續(xù)運(yùn)行時(shí)間不斷加長(zhǎng)。例如美國(guó) onsi 公司的200kwpc225發(fā) 電裝置投運(yùn)時(shí)間已超過37000h,可用率超過95%,接近商業(yè)化目標(biāo)要求的 40000h。(4)滿負(fù)荷運(yùn)行可達(dá)到40000h,電池的輸出電壓的降低不大于 10%。(5)裝置緊湊,檢修空間小,維修困難。(6)pafc 電站可以使用各種氣態(tài) 或液態(tài)燃料,主要是使用天然氣或液化天然氣,也可以使用液化石油氣、甲 醇、煤油、沼氣等。(7)降低造價(jià)與技術(shù)的改進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)化和大規(guī)模生產(chǎn)分不 開。onsi 公司1995年推出的 pc25c 型 pafc 裝置的

43、制造成本為3000$/kw,而 后推出的 pc25d 型的成本降至1500$/kw,體積減小1/4,重量?jī)H為14t。但 pafc 電站造價(jià)的進(jìn)一步降低仍需長(zhǎng)期努力。美國(guó)最早在60年代后期就開始 對(duì) pafc 進(jìn)行評(píng)價(jià)研究,是最早發(fā)展 pafc 電站技術(shù)的國(guó)家,而日本是 pafc 電 站技術(shù)發(fā)展最快的國(guó)家,它僅用1015a 時(shí)間就與美國(guó)并駕齊驅(qū)。1991年?yáng)|京 電力公司在五井火力發(fā)電廠內(nèi)建成了當(dāng)時(shí)世界上功率最大的12mwpafc 發(fā)電 站。目前 pafc 技術(shù)已公認(rèn)為可用于熱電聯(lián)供的、具有高度可靠性的發(fā)電裝 置,特別在象醫(yī)院、監(jiān)獄、旅館等對(duì)安全供電要求特別高的場(chǎng)合有著很好的 應(yīng)用前景。而在國(guó)內(nèi)

44、pafc 的研究工作目前尚處于空白狀態(tài)。 （5）質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc) pemfc 是繼 afc、pafc、mcfc、sofc 之后迅猛發(fā)展起來的溫度最低、比 能最高、啟動(dòng)最快、壽命最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣的新一代燃料電池。但在歷史上, pemfc 實(shí)際上是最先得到應(yīng)用的燃料電池。早在60年代初,美國(guó)航空航天局 曾7次成功地將 pemfc 用于雙子座飛船。但由于穩(wěn)定性及導(dǎo)電性均差,使用 壽命僅500h。雖以后采用全氟磺酸膜(nafion),解決了電池壽命和水污染的 問題,但仍讓位于堿性燃料電池(afc),導(dǎo)致其研究長(zhǎng)時(shí)間處于低谷。直至80 年代,加拿大 ballard 公司注意到 pemfc

45、可在室溫下快速啟動(dòng),作為移動(dòng)動(dòng) 力電源的潛力,又開始進(jìn)行 pemfc 的研究。在美國(guó)、加拿大等國(guó)科學(xué)家們的 努力下,pemfc 取得了突破性進(jìn)展。質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)由若干單電 池串聯(lián)而成。單電池由表面涂有催化劑的多孔陽(yáng)極、多孔陰極和置于其間 的固體聚合物電解質(zhì)構(gòu)成,pemfc 之所以成為當(dāng)前國(guó)際上燃料電池研制、開 發(fā)的熱點(diǎn),是基于以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn):工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,開發(fā)投入相對(duì)較少; 可室溫下快速起動(dòng)投入運(yùn)行;不使用腐蝕性電解液,安全可靠;按負(fù)載要求, 系統(tǒng)規(guī)模可大可小;比功率高,特別適用于軍用或民用的可移動(dòng)電源及電動(dòng) 車輛;發(fā)電時(shí)無噪聲,而且紅外信號(hào)很弱,在軍事領(lǐng)域有著極其重要的

46、用途。 目前在 pemfc 研究中存在的主要技術(shù)關(guān)鍵為:pt/c 催化劑的制備:制備 pt 高度分散的電催化劑是減少 pt 用量和降低電池成本的重要途徑;電極、 膜三合一制備工藝:電極與膜采用熱壓合減小接觸電阻,電極內(nèi)全氟磺酸樹 脂與膜熔合,提供 h+通道,提高 pt 利用率;電極擴(kuò)散層的制備工藝;電池組內(nèi) 平衡與熱平衡:對(duì)于高電流密度 pemfc 電池組,是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵;氫的 安全儲(chǔ)存、供給以及富氫燃料的轉(zhuǎn)化。國(guó)際上有多家公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì) pemfc 進(jìn)行研究,如加拿大的 ballard 公司、德國(guó)的 siemens 公司、意大利 的 denor 公司以及美國(guó)的 losalamos 國(guó)

47、家實(shí)驗(yàn)室等。目前 pemfc 本體技術(shù) 已趨于成熟,其關(guān)鍵部分)質(zhì)子交換膜已達(dá)到商品化階段。加拿大的 ballard 公司為加拿大國(guó)防部建造的45kw 質(zhì)子交換膜燃料電池潛水艇已于 1996年底完成,并計(jì)劃在2003年建成一艘212級(jí)300kw 質(zhì)子交換膜燃料電池潛 水艇,能提供8節(jié)的巡航速度。此外該公司成功開發(fā)了以天然氣為燃料的 35kwpemfc 熱電聯(lián)供系統(tǒng)。大連化學(xué)物理所從1994年起,開始 pemfc 的電極 研究工作,現(xiàn)已成功地將電極 pt 含量降至0.08mg/cm2。采用自制電極與 nafion112膜組裝的單電池性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于美國(guó) e2tek 公司的電極 pt 催劑。 該所利用

48、多年 afc 研究的技術(shù)積累,在研究了 pt/c 電催化劑與電極制備工 藝,膜電極三合一組件制備和其間水分布與傳遞,在電池組內(nèi)增濕、密封與 組裝工藝基礎(chǔ)上,于1998年組裝了 kw 級(jí) pemfc 電池組。該電池組輸出功率 為1kv 時(shí),電池放電電流密度為308ma/cm2,平均電壓為0.75v,輸出功率為 1.5kw 時(shí),放電電流達(dá)到480ma/cm2,電池平均電壓達(dá)0.7v。1999年9月大連化 學(xué)物理所研制成功了5kw 的 pemfc 電池組,該電池組由74節(jié)單電池組裝而成。 我國(guó)的燃料電池技術(shù)目前燃料電池雖然由于成本昂貴、技術(shù)尚未完全 成熟而無法得以廣泛應(yīng)用,但以其具清潔、高效、無污染

49、等優(yōu)點(diǎn)必將擁有廣 泛的應(yīng)用前景。尤其是質(zhì)子交換膜燃料電池(pemfc)具有高功率、低溫運(yùn)行、 快速啟動(dòng)、無噪聲等特點(diǎn),使其在電動(dòng)汽車、航天、軍事等領(lǐng)域有著極其重 要的應(yīng)用。與國(guó)外相比,我國(guó)的燃料電池研究水平還比較低,其原因有:70年 代我國(guó)研制的航天用 afc 與國(guó)外的差距還很小,但此后由于種種原因停止了 對(duì)燃料電池的研究工作,直到90年代初才重新開展燃料電池的研究工作,致 使我國(guó)燃料電池的研究水平大大落后于國(guó)外;現(xiàn)在對(duì)燃料電池的研究的投入 還不夠,大多僅依靠國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)的少量資助。 4.3環(huán)境友好型汽車用鉛蓄電池技術(shù)的現(xiàn)狀 基十近幾年來 co2,排放量的增加,導(dǎo)致氣候變暖,日本政府開始

50、構(gòu)建近 期的戰(zhàn)略計(jì)劃,增加混合電動(dòng)汽車千占潔柴油年插電式混合電動(dòng)汽車等項(xiàng)目 的開發(fā)。因此,開發(fā)研制高性能長(zhǎng)壽命的閥控式鉛蓄電池事在必行日乍尺, 里簫電池卜戶企業(yè)聯(lián)臺(tái)共同斤發(fā)研制出不同類型的環(huán)保丁旦汽車用鉛爵電 池2010年度中國(guó)電源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期,電源產(chǎn)品朝著高頻化 高能量密度高功率高可靠性高智能化和清潔生產(chǎn)等方向發(fā)展特別是十二五 期間要加大力度發(fā)展新興產(chǎn)業(yè),其中新能源汽車穩(wěn)占一個(gè)席位,這將預(yù)示著 鉛蓄電池作為新能源產(chǎn)業(yè)中的主力軍有著無可厚非的發(fā)展前景但是,在十二 五期間,中國(guó)的鉛蓄電池行業(yè)必須攻克制約行業(yè)發(fā)展的幾大難題,走轉(zhuǎn)型升 級(jí)之路,未來才有發(fā)展的空間。 4.3.1混合電動(dòng)汽

51、車用 vrla 電池 近年來,基于 co2排放量的增加,導(dǎo)致氣候變暖源油價(jià)格居高不下及能源 緊俏等日本早在2006年依據(jù)現(xiàn)狀開始構(gòu)建長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略,并起草了國(guó)家新 能源戰(zhàn)略規(guī)劃到2030年的目標(biāo)是在原有的基礎(chǔ)上再改善30%的燃油效率目前 運(yùn)輸部門對(duì)石油的依賴度為100%,但2030年的目標(biāo)是削減到80%。 4.3.2怠速停行車用高性能 vpla 電池 近年來,為了降低汽車排氣量及改善燃料費(fèi)用,有必要提高怠速停行車 運(yùn)行方式,怠速停行車是當(dāng)車怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)目前,日本在住宅配送 車和專線公共汽車已向這種運(yùn)行方式傾斜近年來,自用車在等信號(hào)交通阻塞 等短時(shí)間停車時(shí)也采用這種運(yùn)行方式怠速停行車用鉛

52、蓄電池除起動(dòng)外,當(dāng)車 停止時(shí)也需要供電,與傳統(tǒng)的不采用怠速停行方式運(yùn)行的車輛相比,電池放 電頻率增加,容易造成充電不足因此,對(duì)這種電池的要求是即便在充電不足 的情況下,也能發(fā)揮耐久性能。 4.3.3汽車用卷繞高性能鉛蓄電池 2008年一2010年逐漸完善嚴(yán)格限制汽體排放污染環(huán)境汽車生產(chǎn)廠家針 對(duì)怠速停行車混合動(dòng)力汽車高電壓(42v)系統(tǒng)車等環(huán)保車型加大了開發(fā)力度.日 本開發(fā)研制出汽車用卷繞式結(jié)構(gòu)的高性能鉛蓄電池從對(duì)蓄電池大功率輸出 輸人性能強(qiáng)烈要求的角度及優(yōu)于傳統(tǒng)電池的觀點(diǎn)出發(fā),研發(fā)了新型鉛蓄電池,卷 繞結(jié)構(gòu)高性能鉛蓄電池研究的主要為低電阻新品電池正極板負(fù)極板均為低 電阻的薄型大面積極板隔板采

53、用薄型貧液式,同時(shí)研討了可提高抗張強(qiáng)度及 耐浸透短路性能。 第五章第五章 汽車廢舊蓄電池再生技術(shù)研究的展望汽車廢舊蓄電池再生技術(shù)研究的展望 5.1國(guó)際廢舊蓄電池處理方式 國(guó)際上通行的廢舊電池處理方式大致有三種：固化深埋、存放于廢礦 井、回收利用。 5.11固化深埋、存放于廢礦井 廢電池一般都運(yùn)往專門的有毒、有害垃圾填埋場(chǎng)，但這種做法不僅花 費(fèi)太大而且還造成浪費(fèi)， 因?yàn)槠渲猩杏胁簧倏勺髟系挠杏梦镔|(zhì)。 5.12回收利用 （1）熱處理 瑞士有兩家專門加工利用舊電池的工廠，巴特列克公司采取的方法是 將舊電池磨碎后送往爐內(nèi)加熱，這時(shí)可提取揮發(fā)出的汞，溫度更高時(shí)鋅也 蒸發(fā)，它同樣是貴重金屬。鐵和錳熔合后

54、成為煉鋼所需的錳鐵合金。該工 廠一年可加工2000噸廢電池，可獲得780噸錳鐵合金，400噸鋅合金及3噸汞。 另一家工廠則是直接從電池中提取鐵元素，并將氧化錳、氧化鋅、氧化銅 和氧化鎳等金屬混合物作為金屬?gòu)U料直接出售。不過，熱處理的方法花費(fèi) 較高，瑞士還規(guī)定向每位電池購(gòu)買者收取少量廢電池加工專用費(fèi)。 （2） “濕處理” 馬格德堡近郊區(qū)正在興建一個(gè)“濕處理”裝置，在這里除鉛蓄電池外， 各類電池均溶解于硫酸，然后借助離子樹脂從溶液中提取各種金屬，用這 種方式獲得的原料比熱處理方法純凈，因此在市場(chǎng)上售價(jià)更高，而且電池 中包含的各種物質(zhì)有95%都能提取出來。濕處理可省去分揀環(huán)節(jié)（因?yàn)榉謷?是手工操作，

55、會(huì)增加成本） 。馬格德堡這套裝置年加工能力可達(dá)7500噸，其 成本雖然比填埋方法略高，但貴重原料不致丟棄，也不會(huì)污染環(huán)境。 （3）真空熱處理法 德國(guó)阿爾特公司研制的真空熱處理法還要便宜，不過這首先需要在廢 電池中分揀出鎳鎘電池，廢電池在真空中加熱，其中汞迅速蒸發(fā)，即可將 其回收，然后將剩余原料磨碎，用磁體提取金屬鐵，再?gòu)挠嘞路勰┲刑崛?鎳和錳。這種加工一噸廢電池的成本不到1500馬克（按匯率為4.7148來算 的話，約合7072元人民幣）！ 5.2未來的汽車用鉛酸蓄電池 燃料經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、性能、安全和舒適等特性將促使許多新型電系統(tǒng)產(chǎn) 生。因此,對(duì)汽車用蓄電池的要求也將顯著提高,例如有關(guān)可靠性、淺

56、循環(huán) 壽命、充電接受和在部分充電狀態(tài)下高倍率放電(hrpsoc)運(yùn)行的要求。人 們期望鉛酸蓄電池技術(shù)繼續(xù)在這種應(yīng)用中起主要作用。 與傳統(tǒng)的起動(dòng)照明點(diǎn)火(sli)蓄電池相比,在改善性能和使用壽命 兩方面已經(jīng)取得或即將取得顯著的技術(shù)進(jìn)步,開發(fā)設(shè)計(jì)出許多新型蓄電池。 車內(nèi)儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)集成化將變得越來越重要。超級(jí)電容器可延長(zhǎng)鉛酸電 池的壽命,保護(hù)負(fù)極板免于高倍率放電和充電。蓄電池監(jiān)測(cè)、蓄電池管理等 系統(tǒng)會(huì)為更主動(dòng)的蓄電池運(yùn)行策略創(chuàng)造條件,同時(shí)改善供電系統(tǒng)的可靠性。 在一只鉛酸蓄電池?zé)o法單獨(dú)滿足不斷提高的要求的情況下,雙儲(chǔ)能系統(tǒng)有可 能提供車輛所需的功率。 5.2.1汽車蓄電池的功能和處境 汽車蓄電池

57、是汽車上的儲(chǔ)能裝置。傳統(tǒng)的汽車蓄電池是 sli 蓄電池,它 具有起動(dòng)(s)、照明(l)和點(diǎn)火(i)三項(xiàng)基本功能。未來車輛電力系統(tǒng)的耗電 裝置越來越多,需要蓄電池的功率也越來越大。隨著人們對(duì)節(jié)油和降低有害 物排放的關(guān)注,開發(fā)設(shè)計(jì)出許多混合動(dòng)力系統(tǒng),引入停車起步、助推、再 生制動(dòng)等功能。 5.2.2對(duì)蓄電池的要求 （1） “sli”和封裝 汽車蓄電池還要具有傳統(tǒng)的起動(dòng)-照明-點(diǎn)火(sli)功能,同時(shí)還要考 慮封裝。不管是被放在發(fā)動(dòng)機(jī)室中、座椅下、還是車輛的后部,蓄電池的外 形尺寸都要求有足夠的工作容積。隨著車輛流線性和行人碰撞保護(hù)要求的 增加,蓄電池的外形已成為一個(gè)大問題。一方面要求減小外形尺寸,

58、而另一 方面又要保持性能不變。如果蓄電池被安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室內(nèi),蓄電池就得耐高 溫,一般溫度約為70或更高。迄今為止,agm 蓄電池的一個(gè)主要缺點(diǎn)就是它 們的耐熱能力不如今天的富液式蓄電池。把蓄電池移到溫度較低的位置將 使額外費(fèi)用大幅增加。 （2）淺循環(huán)壽命 有兩個(gè)因素促使汽車用蓄電池的循環(huán)耐久能力提高。(1)數(shù)量越來越多 的電子控制元件(eco)要在切斷期間利用電流,一般在現(xiàn)代的高級(jí)轎車?yán)镉?60個(gè)以上的 eco,由于零部件缺陷、軟件試驗(yàn)不充分或意想不到的相互作用 等緣故有可能會(huì)增加所用的電流。結(jié)果,在切斷期間蓄電池會(huì)過度消耗。(2)不 連續(xù)地用交流發(fā)電機(jī)的輸出匹配舒適性負(fù)載的功率消耗。例如在怠

59、速期間, 蓄電池可能得供應(yīng)全部的負(fù)載電流達(dá)到一個(gè)相當(dāng)大的百分?jǐn)?shù)。在上述兩種 情況下,充放電循環(huán)一般非常淺(放電深度(dod)10%),但是在幾年內(nèi)累積 的 ah 轉(zhuǎn)換量可能是相當(dāng)大的。因此,有些汽車制造商已經(jīng)將一些有助于淺 循環(huán)壽命的要求納入其標(biāo)準(zhǔn)蓄電池的規(guī)范中。一般要求富液式 sli 蓄電池 在其使用壽命終止之前得經(jīng)得起累積 ah 轉(zhuǎn)換量等于標(biāo)稱容量150倍的淺循 環(huán)。對(duì)代替 sll 蓄電池的 agm 的淺循環(huán)壽命要求一般是富式蓄電池的3倍。 （3）充電接受 充電接受,特別是在低溫下,是一種確定電源系統(tǒng)充電均衡的蓄電池要 求。蓄電池須向電負(fù)載提供的電力越多,能夠足夠快地給它再充電就越為重 要

60、?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)車內(nèi)的蓄電池是在部分充電狀態(tài)(psoc)下動(dòng)行的,在再生 制動(dòng)過程中提供了重要的補(bǔ)充充電接受(充電接受最好,而且在20%70%soc 之間最容易控制蓄電池)。對(duì)比起來,傳統(tǒng)的12v 汽車蓄電池是在交流發(fā)電機(jī) 輸出電壓下連續(xù)充電的,從而在其補(bǔ)充充電接受為極限的高充電狀態(tài)(soc) 下運(yùn)行。如果隨加速/減速情況而改變電壓設(shè)定值,且在 psoc 下操作蓄電池,那 么在14v 系統(tǒng)內(nèi)起動(dòng)發(fā)電機(jī)或交流發(fā)電機(jī)或許能提供有限的再生功率。視車 輛的傳動(dòng)系和駕駛條件而定,燃耗和 co2排放物能夠降低1.5%4%。這需要 蓄電池能夠經(jīng)受住延長(zhǎng)的 psoc 操作和額外的能量流量,及那些類似對(duì)輕度 混合