【正文】 overview of all types of car batteries and the working principle of the development and the waste batteries on the human environment, with the developed countries such as Japan lead storage battery industry parative analysis of accumulator of our country lead industry development existing problems analysis and forecast of domestic battery industry development prospect 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。 fuel cell。 汽車(chē)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 。 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(lái)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。 、鉛酸蓄電池放電過(guò)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。正極板水解出的氧離子（ O2）與電解液中的氫離子（ H）反應(yīng)，生成穩(wěn)定物質(zhì)水。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（ SO42），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)鉛離子（ Pb2）不斷放出兩個(gè)電子來(lái)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）。 、鉛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。當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，使用密度為 ～ （ 15℃ 時(shí)）的氫氧化鈉溶液。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 1520g）。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+。 (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。 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 充足電后，立即斷開(kāi)充電電路，鎳鎘蓄電池的電動(dòng)勢(shì)可達(dá) 左右，但很快就下降到 。 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(chēng)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(lái)表示 。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。然而，電解液中鋰離子的含量過(guò)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。主要的有害雜質(zhì)是碳酸鹽和硫酸鹽。電池的內(nèi)阻主要由電解液的電阻決定。容量效率 ηAh 和電能效率 ηWh 計(jì)算公式 如下： （ U充和 U 放應(yīng)取平均電壓） 鎳鎘電池使用過(guò)程中，如果電量沒(méi)有全部放完就開(kāi)始充電，下次再放電時(shí) ，就不能放出全部電量。結(jié)晶體變大是鎳鎘電池產(chǎn)生記憶效應(yīng)的主要原因。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)。電池的種類(lèi)很多，分類(lèi)方法也很復(fù)雜，一般可分為化學(xué)電池與物理電池。 鉛酸蓄電池：鉛酸蓄電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。鉛酸電池除了存在污染、循環(huán)壽命短等問(wèn)題，別的方面優(yōu)勢(shì)很明顯，尤其 是價(jià)格方面，估計(jì)未來(lái) 35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。鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)實(shí)、價(jià)格便宜。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。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(lè)觀(guān)。 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(huà)、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(chē)市場(chǎng)開(kāi)始萎縮，主要是被錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池取代。 目前，鋰離子電池在整個(gè)電池產(chǎn)業(yè)中是最受人矚目的，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(lái)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。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)。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。二是二次電池的增長(zhǎng)速度高于一次電池的增長(zhǎng)速度。 各種類(lèi)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)。磷酸燃料電池 。缺點(diǎn)在于對(duì) CO2和 N2十分敏感 ,故不適用于地面。中科院大連化學(xué)物理研究所在 60年代初也開(kāi)始研究堿性石棉膜型燃料電池。由于在較高溫度工作 ,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。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(lèi)電站提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。 （ 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 , 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 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。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(wèn)題。 （ 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。 (2)潔凈、對(duì)環(huán)境污染小 ,沒(méi)有 (或很小 )轉(zhuǎn)動(dòng)部件 ,振動(dòng)和噪聲污染也很小。(5)裝置緊湊 ,檢修空間小 ,維修困難。但 PAFC 電站造價(jià) 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 的進(jìn)一步降低仍需長(zhǎng)期努力。而在國(guó)內(nèi)PAFC 的研究工作目前尚處于空白狀態(tài)。但由于穩(wěn)定性及導(dǎo)電性均差 ,使用壽命僅 500h。質(zhì)子交換膜燃料電池 (PEMFC)由若干單電池串聯(lián)而成。按負(fù)載要求 ,系統(tǒng)規(guī)?？纱罂尚?。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(shù)脂與膜熔合 ,提供 H+通道 ,提高 Pt 利用率 。國(guó)際上有多家公司和科研機(jī)構(gòu)對(duì) PEMFC 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 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)家實(shí)驗(yàn)室等。大連化學(xué)物理所從 1994年起 ,開(kāi)始 PEMFC 的電極研究工作 ,現(xiàn)已成功地將電極 Pt 含量降至 。 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。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。 VpLA 電池 近年來(lái) ,為了降低汽車(chē)排氣量及改善燃料費(fèi)用 ,有必要提高怠速停行車(chē)運(yùn)行方式 ,怠速停行車(chē)是當(dāng)車(chē)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(chē)和專(zhuān)線(xiàn)公共汽車(chē)已向這種運(yùn)行方式傾斜近年來(lái) ,自用車(chē)在等信號(hào)交通阻塞等短時(shí)間停車(chē)時(shí)也采用這種運(yùn)行方式怠速停行車(chē)用鉛蓄電池除起動(dòng)外 ,當(dāng)車(chē)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(chē)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 。 ． 2回收利用 （ 1）熱處理 瑞士有兩家專(zhuān)門(mén)加工利用舊電池的工廠(chǎng)，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。不過(guò)，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(mǎi)者收取少量廢電池加工專(zhuān)用費(fèi)。 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 （ 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(guò)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℃嚭湾i。 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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出許多新型蓄電池。在一只鉛酸蓄電池?zé)o法單獨(dú)滿(mǎn)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(chē)輛所需的功率。隨著人們對(duì)節(jié)油和降低有害物排放的關(guān)注 ,開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出許多混合動(dòng)力系統(tǒng) ,引入停車(chē) — 起步、助推、再生制動(dòng)等功能。一方面要求減小外形尺寸 ,而另一方面又要保持性能不變。 （ 2） 淺循環(huán)壽命 有兩個(gè)因素促使汽車(chē)用蓄電池的循環(huán)耐久能力提高。例如在怠速期間 ,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)。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。對(duì)比起來(lái) ,傳統(tǒng)的 12V 汽車(chē)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。已知典型的交流發(fā)電機(jī)和蓄電池大小及駕駛模式 ,蓄電池一般會(huì)限制再生階段能夠捕獲的功率。在 42V 動(dòng)力系統(tǒng)中 ,蓄電池必須以高倍率提供大量淺充放電循環(huán)。在車(chē)輛的電系統(tǒng)中引入蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)大大提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性 :不僅可以通過(guò)避免使用不當(dāng)情況的發(fā)生來(lái)延 長(zhǎng)蓄電池的平均使用壽命 ,而且應(yīng)該能夠基本上消除電池的早期失效和意外失效。 人們預(yù)料鉛酸蓄電池技術(shù)會(huì)繼續(xù)在汽車(chē)應(yīng)用領(lǐng)域保持重要的作用。蓄電池制造商將繼續(xù)面臨來(lái)自汽車(chē)制造商的巨大壓力 ,既要求改善質(zhì)量又要求降低零部件成本。用比優(yōu)化 AGM 蓄電池的成本低的成本來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化富液式汽車(chē)蓄電池的淺循環(huán)壽命似乎是可能的。與 SLI 蓄電池相比 ,在相等乃至更高的功率密度下這些蓄電池至少可增加 3倍的循環(huán)壽命 [5]。由于在蓄電池 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 的壽命期內(nèi)每電荷 流量的成本勝過(guò) SLI 蓄電池 ,AGM 蓄電池具有很好的潛力適合于需要高循環(huán)壽命的汽車(chē)。 圖 雙極性（右）和傳統(tǒng)（左）單極性蓄電池 2)在雙極性結(jié)構(gòu)中存在著均勻的電流密度 ,而在極高的倍率下 ,由于涂膏式極板的上部硫酸鹽化 ,單極性結(jié)構(gòu)限制了循環(huán)壽命 (低于 50000次循環(huán) )。 5)在一只蓄電 池或數(shù)量有限的串聯(lián)蓄電池組中 ,無(wú)外部電纜連接等就能達(dá)到 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 要求的電壓。雙極耳設(shè)計(jì)可改善活物質(zhì)的利用率、降低電池的溫度梯度、促進(jìn)電池更有效地接受和輸出電流。這種蓄電池技術(shù)在性能上能夠與任何其它的先進(jìn)化學(xué)電源相匹敵 ,而且更加關(guān)注環(huán)境問(wèn)題 ,使鉛含量降低多達(dá) 2/3。 電解雙層電容器 (超級(jí)電容器 )具有極長(zhǎng)的淺循環(huán)壽命 ,因?yàn)榘殡S著其充放電 循環(huán)不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。由一個(gè)電子控制器來(lái)控制電容器與電池組之間能量和功率的