電容型鎳氫動(dòng)力電池的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展前景

文 / 蔣志軍 許 濤 郭詠梅

20世紀(jì)70年代，中東石油危機(jī)出現(xiàn)，全球節(jié)能減排壓力逐步加大，各國(guó)開始各類新型蓄電池的研究，其中鎳氫電池以其環(huán)保、安全性高的優(yōu)勢(shì)受到廣泛關(guān)注，并逐步邁入商用動(dòng)力蓄電池行列。為進(jìn)一步提高大電流性能和低溫性能，1997年，由俄羅斯率先研制出代表第三代電容器的非對(duì)稱超級(jí)電容器—Ni (OH)2/C型超級(jí)電容器，負(fù)極為高比表面積碳材料，可取代鎳氫電池負(fù)極貯氫合金，可以在西伯利亞等極寒地區(qū)直接使用。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國(guó)科研工作者立足我國(guó)稀土資源優(yōu)勢(shì)和動(dòng)力電池工業(yè)基礎(chǔ)，針對(duì)高寒、高海拔地區(qū)研制出一種新型的稀土新電源（見圖1）。這種創(chuàng)新的電容型鎳氫動(dòng)力電池以稀土新材料的應(yīng)用為基本特征，采用非對(duì)稱組合，通過工藝和設(shè)備創(chuàng)新，將鎳氫動(dòng)力電池和超級(jí)電容器優(yōu)勢(shì)系統(tǒng)集成于一身，具有安全、耐寒、快充、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、可回收等六大特性，可以滿足商用動(dòng)力電池安全、耐低溫、大電流充放電、壽命長(zhǎng)、環(huán)?？苫厥占皟r(jià)格合理等要求。

電容型鎳氫動(dòng)力電池的技術(shù)原理

電容型鎳氫動(dòng)力電池由正極板、負(fù)極板、隔膜、電解液、殼體等組成。正極板采用濕法工藝，以三維鎳帶或碳帶為集流體，Ni(OH)2為主體的二價(jià)金屬的氫氧化物等制備而成；負(fù)極板由貯氫合金與碳等電容器材料在三維鎳帶、二維鋼帶或碳帶基體上分層涂漿制備而成；隔膜由聚丙烯材料以纖維膜形式構(gòu)成，中間含有陶瓷材料ZrO2纖維；電解液由三元堿性材料按一定配比構(gòu)成；殼體主要由高強(qiáng)度耐腐蝕的不銹鋼或塑料材料制成。電容型鎳氫動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)（見圖2）。充放電過程是氫原子或質(zhì)子在電極間的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不產(chǎn)生任何中間態(tài)的可溶性金屬離子，也沒有任何電解液組織的消耗和生成，可實(shí)現(xiàn)完全密封和免維護(hù)。充電過程中，正極活性物質(zhì)中的H+首先擴(kuò)散到正極/溶液界面與溶液中的OH-反應(yīng)生成H2O。接著，溶液中游離的H+通過電解質(zhì)擴(kuò)散到負(fù)極/溶液界面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成氫原子并進(jìn)一步擴(kuò)散到負(fù)極材料貯氫合金中與之結(jié)合形成金屬氫化物。放電過程正好是充電過程的逆過程，碳等電容器材料始終是該反應(yīng)過程的積極參與者。電容型鎳氫動(dòng)力電池正負(fù)極上發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)及整個(gè)電池的成流反應(yīng)可表示如下：

圖1 電容型鎳氫動(dòng)力電池實(shí)物

圖2 電容型鎳氫動(dòng)力電池結(jié)構(gòu)示意圖

下式中，C代表碳等電容器材料，M代表貯氫合金，▍代表儲(chǔ)存電荷。

在充放電過程中，堿性電解液中的表層涂碳的貯氫合金電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)行儲(chǔ)存-釋放原子氫，而貯氫合金電極表面的活性炭形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高合金電極導(dǎo)電率和電催化活性的同時(shí)，還產(chǎn)生雙電層，部分電荷以物理方式存儲(chǔ)-釋放。（見圖3）

圖3 在堿性電解液中的表層涂碳的貯氫合金電極反應(yīng)機(jī)理模型示意圖

電容型鎳氫動(dòng)力電池的測(cè)試

中國(guó)北方汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)鑒定試驗(yàn)所（簡(jiǎn)稱北京201所）是我國(guó)電池行業(yè)較權(quán)威的測(cè)試機(jī)構(gòu)，按照QC/T744—2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電容型鎳氫動(dòng)力電池的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明：200 Ah循環(huán)壽命達(dá)3000次，電池容量?jī)H衰減2%。

模擬純電動(dòng)大型城市客車運(yùn)行工況，對(duì)電池采用330 A充電10分鐘，80 A放電40分鐘的試驗(yàn)方式，目前已循環(huán)近23000次，電池容量?jī)H衰減8%。（見圖4）

在純電動(dòng)車試運(yùn)行階段，對(duì)電池組的安全性進(jìn)行實(shí)際檢驗(yàn)，5個(gè)月充放電9000余次，電池?zé)o短路、破裂、著火、爆炸等現(xiàn)象。

圖4 模擬純電動(dòng)大型城市客車運(yùn)行工況測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

純電動(dòng)車運(yùn)行階段，對(duì)電池組在高溫（地面溫度40～50℃）、低溫（-15～-23℃）、下雨（地面積水50～100 mm）、下雪（地面積雪50～150 mm）等實(shí)際環(huán)境的安全性進(jìn)行檢驗(yàn)顯示，歷經(jīng)六個(gè)完整的冬季測(cè)試，最低氣溫-23℃，持續(xù)五天低于-15℃，在空調(diào)開啟情況下，車輛平穩(wěn)運(yùn)行；歷經(jīng)六個(gè)完整夏季，地面溫度最高50℃，最低地面溫度40～50℃，分別在湖南株洲和山東淄博進(jìn)行高溫測(cè)試，車輛平穩(wěn)運(yùn)行；在山東淄博下雨天（部分路段地面積水最大100 mm），下雪天（部分路段地面積雪最厚150 mm）進(jìn)行測(cè)試，車輛平穩(wěn)運(yùn)行電池?zé)o短路、破裂、著火、爆炸等現(xiàn)象。（見圖5）

從第三方檢測(cè)、模擬運(yùn)行工況測(cè)試到裝車試運(yùn)行直至全天候的工況測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明電容型鎳氫動(dòng)力電池是可靠、安全的產(chǎn)品，能夠滿足純電動(dòng)公交車在全天候、全壽命周期內(nèi)的運(yùn)行需求。

圖5 12m電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)車在各種環(huán)境下的運(yùn)行

電容型鎳氫動(dòng)力電池在純電動(dòng)公交車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

動(dòng)力電池是純電動(dòng)公交車最核心的部分之一，我國(guó)動(dòng)力電池雖然在技術(shù)上取得了一定的進(jìn)步，但關(guān)鍵瓶頸技術(shù)上依然缺乏重大突破，“三北”地區(qū)冬季純電動(dòng)公交車“冬天怕冷跑不動(dòng)、電量不足跑不遠(yuǎn)，電池衰減太快跑不久”的三大難題突出，導(dǎo)致純電動(dòng)公交車在推廣應(yīng)用上速度緩慢，至今難成規(guī)模。

根據(jù)電容型鎳氫動(dòng)力電池的六大特性，在包頭獨(dú)立自主地開發(fā)出以“快充快補(bǔ)”為主要方式的純電動(dòng)公交車直接充電運(yùn)行技術(shù)路線，在山東獨(dú)立自主地開發(fā)出以“慢充快補(bǔ)”為主要方式的純電動(dòng)公交車直接充電運(yùn)行技術(shù)路線。所謂“快充快補(bǔ)”，即白天間歇快速補(bǔ)充電量，用10分鐘左右即可補(bǔ)充車輛一個(gè)往返30～50公里消耗的電量。這是一種極其簡(jiǎn)便的充電模式，每天可為純電動(dòng)公交車提供300 KWh以上的有效電能，在高寒地區(qū)，公交車可一年四季全天候、全覆蓋（無燃油燃?xì)廛噴A雜）運(yùn)行200公里左右每天。

而所謂“慢充快補(bǔ)”，即夜間緩慢充電為主，白天間歇快補(bǔ)為輔，同樣是一種極其簡(jiǎn)便的充電模式，晚上慢充1個(gè)小時(shí)左右即可充滿，而白天在起始停車間隙，用10分鐘左右即可補(bǔ)充車輛一個(gè)往返30～50公里消耗的電量。此方法可以滿足車輛每天5～7個(gè)往返，總里程200公里/天以上的用電需求。

自2012年2月以來，超過100輛12 m電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)公交車在山東淄博、日照、內(nèi)蒙古包頭的6條公交線路上線進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)行，截止2017年9月15日，已安全行駛1300多萬公里，運(yùn)送乘客 4300萬余人次，六條公交線路包括淄博139路、包頭64路等（見圖6）。該產(chǎn)品的成功應(yīng)用，將長(zhǎng)期困擾我國(guó)北方冬季純電動(dòng)公交車因寒冷無法正常運(yùn)行的狀況成為歷史。

值得關(guān)注的是，進(jìn)入2017年冬季，包頭市氣溫已連續(xù)多日低于-15℃，電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)公交車一直平穩(wěn)運(yùn)行：在夜間無需加熱或保溫，依照燃油車進(jìn)行管理；在白天運(yùn)行間歇，采用雙充電槍進(jìn)行大電流快速補(bǔ)電，補(bǔ)電時(shí)間10分鐘左右，車輛運(yùn)行過程中全程開啟空調(diào)，每天運(yùn)行的商業(yè)里程超過200公里，出勤率100%。

圖6 公交線路運(yùn)行的電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)公交車

電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)公交車在全天候工況下的平穩(wěn)運(yùn)行，無疑是我國(guó)自主研發(fā)的動(dòng)力電池在純動(dòng)公交車應(yīng)用上取得的重大突破。經(jīng)過5年多的全天候運(yùn)行證實(shí)，電容型鎳氫動(dòng)力電池憑借運(yùn)行高效、質(zhì)量穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能、耐寒持久的優(yōu)越性能，不僅直接解決了我國(guó)“三北地區(qū)”（東北、西北、華北）純電動(dòng)公交車“冬天怕冷跑不動(dòng)、電量不足跑不遠(yuǎn)、電池衰減太快跑不久”的三大突出難題，同時(shí)也引領(lǐng)了純電動(dòng)公交車行業(yè)動(dòng)力電池技術(shù)發(fā)展方向。經(jīng)過山東省科技廳組織的專家鑒定后認(rèn)為，該產(chǎn)品技術(shù)在快速充放電性能、溫度適應(yīng)性、循環(huán)壽命和充放電模式方面均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，為我國(guó)高寒地區(qū)大面積推廣電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)公交車奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

電容型鎳氫動(dòng)力電池在純電動(dòng)公交車上的發(fā)展前景

鑭鈰金屬是稀土新電源電極材料——貯氫合金的主要成分，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)有各類公交車約70萬輛，其中西北、華北和東北地區(qū)大約40萬輛，將“三北”區(qū)域30%的公交車發(fā)展為電容型鎳氫動(dòng)力電池純電動(dòng)公交車，保守估計(jì)未來將有12萬輛純電動(dòng)公交車的需求。按照一輛12米純電動(dòng)公交車需要稀土鑭鈰金屬約300公斤計(jì)算，鑭鈰金屬的總需求就約為3.6萬噸，貯氫合金12萬噸，每年就有近4萬多噸的鑭鈰氧化物得到充分利用，極大地促進(jìn)鑭鈰稀土向高端產(chǎn)業(yè)的快速轉(zhuǎn)移，同時(shí)也可帶動(dòng)相關(guān)稀土材料的開采、深加工、終端應(yīng)用和其他配套領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)數(shù)百億元，助力稀土產(chǎn)業(yè)高效平衡利用發(fā)展戰(zhàn)略。

鎳氫電池除了含有稀土外，還有重要的鈷、鎳等資源，我國(guó)有色冶金工業(yè)具有完備和成熟的冶煉分離工藝體系，因此，對(duì)廢棄的鎳氫電池中重要資源可回收的工業(yè)化基礎(chǔ)完整，可回收利用大面積推廣新能源公交車推廣后報(bào)廢電池，有助于實(shí)現(xiàn)稀土、鈷、鎳等資源循環(huán)利用的綠色發(fā)展路線。更重要的是，我國(guó)科研工作者已完全掌握了電容型鎳氫動(dòng)力電池的核心材料、核心技術(shù)和工藝裝備，并擁有多項(xiàng)國(guó)內(nèi)發(fā)明專利，知識(shí)產(chǎn)權(quán)100%屬于中華人民共和國(guó)，完全實(shí)現(xiàn)了電池材料及其零部件國(guó)產(chǎn)化及全套工藝裝備智能化、國(guó)產(chǎn)化。

電容型鎳氫動(dòng)力電池在純電動(dòng)公交車領(lǐng)域的應(yīng)用是一個(gè)關(guān)系著國(guó)計(jì)民生的新興技術(shù)，該電池的成功應(yīng)用不僅能改變我國(guó)現(xiàn)有工業(yè)經(jīng)濟(jì)模式和能源供應(yīng)模式，減少對(duì)石油的依賴，而且對(duì)能源替代戰(zhàn)略乃至安全戰(zhàn)略均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。安全、耐寒、環(huán)保、高效的城市純電動(dòng)客車將成為未來高寒地區(qū)市民出行的主要交通工具，發(fā)展前景十分廣闊。

電容型鎳氫動(dòng)力電池的發(fā)展方向

1. 標(biāo)準(zhǔn)化

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)家對(duì)電池生產(chǎn)企業(yè)在研發(fā)、質(zhì)保、生產(chǎn)一致性等方面要求更加嚴(yán)格。今年國(guó)家工信部發(fā)布的《汽車動(dòng)力電池行業(yè)規(guī)范條件(2017年)》(征求意見稿)中，又再次強(qiáng)調(diào)了確保生產(chǎn)過程中一致性問題。傳統(tǒng)的電池生產(chǎn)工藝復(fù)雜繁瑣，生產(chǎn)過程多以手工作業(yè)為主，因而一致性較低，嚴(yán)重影響動(dòng)力電池的整體性能。

智能制造是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必爭(zhēng)高地。作為車載動(dòng)力電池，電容型鎳氫動(dòng)力電池單體及其模組標(biāo)準(zhǔn)化，是大規(guī)模生產(chǎn)的工業(yè)基礎(chǔ)。只有標(biāo)準(zhǔn)化，才能打造智慧工廠，集自動(dòng)化、信息化、智能化于一體，通過云數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)以機(jī)帶人的自動(dòng)化作業(yè)，形成集數(shù)據(jù)、信息、服務(wù)為一體的綜合體系。智慧化生產(chǎn)車間可實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)化、過程可視化和決策智能化，從智慧車間出去的所有電池，都會(huì)納入到包頭昊明稀土新電源科技有限公司自主打造的昊明稀土大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；整個(gè)生產(chǎn)過程可視化，實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管；此外，智慧車間可做到一鍵完成工藝流程設(shè)計(jì)，所有設(shè)備能夠進(jìn)行智能檢測(cè)，對(duì)有效數(shù)據(jù)實(shí)行監(jiān)控和實(shí)時(shí)記錄，異常情況及時(shí)報(bào)警。（見圖7）

2.大容量

在高寒、高海拔山區(qū)，冬季溫度低，又無人值守，大容量的電容型鎳氫動(dòng)力電池將占據(jù)重要地位，主要用于通訊基站（見圖8）。現(xiàn)有通訊基站用電源主要是鉛酸電池，但鉛酸電池壽命普遍較短、低溫下難以放電。因此，研究大容量電容型鎳氫動(dòng)力電池是必要的發(fā)展方向。

圖7 電容型鎳氫動(dòng)力電池智慧工廠效果圖

圖8 東北黑河通訊基站場(chǎng)景及其電容型鎳氫動(dòng)力電池運(yùn)行模塊

圖9 非對(duì)稱稀土電容電池實(shí)物

3.大電流

在重型卡車、重載列車、城市輕軌等領(lǐng)域，需要電池組能夠持續(xù)一定時(shí)間的大電流輸入與輸出，通常大于500 A，如此強(qiáng)大的電流，如何在安全可靠的基礎(chǔ)上，能滿足全壽命使用周期，從目前國(guó)內(nèi)外二次動(dòng)力電池的技術(shù)水平看，很難同時(shí)滿足上述要求。目前，淄博君行電源技術(shù)有限公司開發(fā)了一種可用于大電流充放電的電容型鎳氫動(dòng)力電池（非對(duì)稱稀土電容電池）（見圖9）。該電池不僅具有大電流放電、壽命長(zhǎng)和不漏液等特點(diǎn)，而且還可以大電流充電，2700 A可連續(xù)充1分鐘，放電50秒。

4. 高能量密度

智能穿戴、智能手機(jī)等產(chǎn)業(yè)的興起使得作為其動(dòng)力源的電池技術(shù)的地位愈發(fā)重要，移動(dòng)電源在當(dāng)前的生活中已經(jīng)廣泛應(yīng)用在智能終端等設(shè)備中作為后備動(dòng)力源。據(jù)估計(jì)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)移動(dòng)電源的廠商多達(dá)5000家，競(jìng)爭(zhēng)異常激烈，在同質(zhì)化嚴(yán)重的移動(dòng)電源市場(chǎng)，各個(gè)廠商正在尋求新的突破。差異化競(jìng)爭(zhēng)和尋求細(xì)分市場(chǎng)的發(fā)展是移動(dòng)電源企業(yè)未來的重點(diǎn)，大膽創(chuàng)新是電池企業(yè)在這一領(lǐng)域異軍突起的唯一途徑。

移動(dòng)電源要求電池具有能量密度高、更小型化、超薄化、輕量化、高安全性和低成本，電容型鎳氫動(dòng)力電池因采用水基電解液，安全性很高，但如何更小型化、超薄化、輕量化，從現(xiàn)有的50～60 Wh/Kg提高到80～100 Wh/Kg，從而提高能量密度，是一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的工程技術(shù)問題。

安全性、便攜性和差異化是移動(dòng)電源企業(yè)未來發(fā)力的重點(diǎn)，電容型鎳氫動(dòng)力電池如能達(dá)到上述指標(biāo)，在高寒、高海拔地區(qū)，因低溫下充放電和安全的剛性需求，裝配電容型鎳氫動(dòng)力電池的移動(dòng)電源存在更細(xì)分的市場(chǎng)空間，成為移動(dòng)電源市場(chǎng)耐低溫的高安全產(chǎn)品是電容型鎳氫動(dòng)力電池的一個(gè)重要發(fā)展方向。

結(jié)語

在我國(guó)加快電容型鎳氫動(dòng)力電池研發(fā)應(yīng)用，具有較強(qiáng)的稀土資源與技術(shù)基礎(chǔ)，未來市場(chǎng)前景廣闊，符合綠色發(fā)展理念。中國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略應(yīng)與國(guó)家資源發(fā)展戰(zhàn)略相契合，推動(dòng)以鋰離子電池為主的純電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)積極支持與稀土發(fā)展戰(zhàn)略相契合，又具有我國(guó)完全獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電容型鎳氫動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

電容型鎳氫動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大不僅會(huì)推動(dòng)我國(guó)鎳氫電池產(chǎn)業(yè)和稀土貯氫合金材料產(chǎn)業(yè)的強(qiáng)大，進(jìn)一步拓展鑭鈰等高豐度稀土元素的高端應(yīng)用市場(chǎng)，通過稀土、鈷、鎳等資源的循環(huán)利用，必將開辟出一條資源綠色循環(huán)發(fā)展的繁榮之路，從而推動(dòng)我國(guó)新能源汽車用動(dòng)力電池行業(yè)持續(xù)健康發(fā)展。