【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 力車 ， 單次充電后可行駛 225km， 時(shí)速為 150公里 。 GM生產(chǎn)的 EVI汽車，用 26個(gè) 12V的電池， 3小時(shí)充電后時(shí)速可達(dá)到 150公里 44 ? 日本 Toyota公司開發(fā)出世界上第一個(gè)商品化的混合動(dòng)力車，該車采用 240只高功率的 Ni/MH電池串聯(lián)電池組提供動(dòng)力，總電壓 288V，容量為 。 豐田公司生產(chǎn)的 RAV4EVI汽車，充電一次可行駛 215公里 45 ? 2023年，我國(guó)電動(dòng)汽車已從研發(fā)階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，成為全球電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)和市場(chǎng)開拓中一支不可忽視的力量。 ? 未來(lái)五至十年， 混合動(dòng)力汽車 將成為傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術(shù)改造、升級(jí)換代的主要方向，純電動(dòng)汽車將成為近期發(fā)展戰(zhàn)略的主流， 一汽豐田的普銳斯混合動(dòng)力汽車 上海通用的雪佛蘭混合動(dòng)力汽車 46 ? 我國(guó)已建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、適用于中國(guó)公共交通和私人汽車市場(chǎng)特色的混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)， 掌握了整車集成技術(shù)。 ? 在電機(jī)、電池和控制系統(tǒng)方面， 車用鎳氫和鋰離子電池、車用燃料電池等 對(duì)電動(dòng)汽車性能有決定性影響的零部件領(lǐng)域，我國(guó)也取得重要進(jìn)展。 2023年 5月，成都 4輛電動(dòng)公交車上路，分別運(yùn)行 16路和 28路，充電后空載可行駛 270多公里 47 LIB鋰離子二次電池 ? Li是最輕的金屬元素 ， 它的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是 ，是 金屬中負(fù)電位最大的元素 ， 因此 Li負(fù)極電池的開發(fā)受到極大重視 ， 與 Ni/MH電池性能的比較如下 。 普通 Ni/MH， LIB及 Ni/Cd電池性能比較 技術(shù)參數(shù) Ni/Cd Ni/MH LIB 工作電壓 /V 質(zhì)量比能量 /(Wh/kg) 3050 5070 100150 體積比能量 /(Wh/L) 150 200 270 沖放電壽命 /次 500 500 1000 48 ? LIB電池具有工作電壓高 、 比能量高 、 容量大 、 循環(huán)特性好 、 重量輕 、 體積小等優(yōu)點(diǎn) ， 而且 LIB無(wú)記憶效應(yīng) ， 不需將電放盡后再充電； LIB自放電小 ， 每月在10％ 以下 ， Ni/MH電池自放電一般為 30％ 40％ 。 ? 僅 2023年 ， 日本就銷售了 4億多只 Li電池 。 移動(dòng)電話 Li電池 數(shù)碼相機(jī) Li電池 筆記本 Li電池 49 ? LIB電池是一種 Li離子濃度差電池 ， 充放電中 ， Li離子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌 。 ? 充電時(shí) ， Li離子從正極脫嵌 ， 通過(guò)電解質(zhì)和隔膜 ，嵌入負(fù)極 ， 使負(fù)極處于富 Li離子態(tài) ， 正極處于貧 Li態(tài)； 放電時(shí) ， Li離子從負(fù)極脫嵌進(jìn)入正極 。 鋰離子二次電池工作示意圖 50 ? LIB負(fù)極材料 LIB負(fù)極材料的演變過(guò)程 負(fù)極材料 金屬鋰 鋰合金 碳材料 氧化物 納米合金 容量/(mAh/g) 3400 790 372 700 2023 年代 1965 1971 1990 1995 1998 ?金屬 Li容量最高 ， 但在 LIB電池的長(zhǎng)期充放電中 ， Li與有機(jī)電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng) ， 發(fā)生 枝晶生長(zhǎng) ， 并形成樹枝狀沉積物 ， 導(dǎo)致電池內(nèi)部短路 。 51 ? LIB電池以 炭材料替代 Li負(fù)極 、 高電位的 LiCoO2作正極的二次電池后 ， 循環(huán)性能和安全性能得到大幅度提高 ， 其電池反應(yīng)為： ? 正極： ? 負(fù)極： ? 電池： 2LiCoO 放 充 eLiCoO2 ?? ?放 充 eLiC6 ???6LiC放 充 6CL iC o O2? 62 L iCC o O?不同形狀的 Li離子電池 52 ? 納米碳材料具有傳統(tǒng)碳材料無(wú)法比擬的高比容量 。 ? 納米碳管由于特殊的管狀結(jié)構(gòu) ， Li離子不僅可嵌入管內(nèi) ， 還可嵌入管壁縫隙 ， 具有嵌入深度小 、 過(guò)程短 、 嵌入位置多等優(yōu)點(diǎn) ， 可提高 Li離子電池的充放電容量 。 ? 用納米碳管作負(fù)極 ， 電池理論容量超過(guò)石墨嵌 Li化合物理論容量一倍以上 。 納米碳管的顯微形貌 納米碳管的顯微結(jié)構(gòu) 53 ? LIB電池的 Li離子源由正極材料提供 。 LiCoO2是最早商品化的正極材料 。 由于 Co資源少 (地球已探明Co儲(chǔ)量為 1000萬(wàn)噸 ， 而 Mn量是 Co的 500倍 )， 人們開發(fā)了 LiNiO LiMn2O4材料 。 LIB正極材料的性能 正極 材料 理論比容量(mAh/g) 實(shí)際比容量(mAh/g) 密度(g/cm3) 特點(diǎn) LiCoO2 275 130140 性能穩(wěn)定，放電電壓 穩(wěn)定，價(jià)格高 LiNiO2 274 170180 熱穩(wěn)定性差 LiMn2O4 148 100120 安全性高，高溫循環(huán)和存放性差，價(jià)格低 54 ? 鋰電池隔膜 (以聚乙烯、聚丙烯為主的聚烯烴隔膜 )是鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料。 ? 我校 與 深圳星源材質(zhì)公司 合作開展鋰離子電池隔膜研制，取得重大突破。 ?我校提供 鋰電池隔膜制造工藝、裝備設(shè)計(jì)及配方等關(guān)鍵技術(shù) ，形成具有核心競(jìng)爭(zhēng)能力的專有技術(shù)和工藝，產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)可媲美進(jìn)口產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，打破國(guó)外壟斷。 55 燃料電池材料 56 ? 燃料電池是直接將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效且與環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的材料 。 它是繼水力 、 熱能和核能發(fā)電后的 第四種發(fā)電技術(shù) 。 ? 燃料電池與二次電池不同的是 不在內(nèi)部?jī)?chǔ)存能量 ，利用輸入燃料與氧的氧化還原反應(yīng)輸出電能 。 甲醇燃料電池（ DMFC） 57 ? 許多國(guó)家投入大量人力和財(cái)力進(jìn)行燃料電池研究，相繼開發(fā)： ?堿性氫氧燃料電池 AFC ?磷酸型燃料電池 PAFC ?熔融碳酸鹽燃料電池 MCFC ?固體氧化物燃料電池 SOFC ?質(zhì)子交換膜燃料電池 PEMFC ?甲醇燃料電池 DMFC 堿性氫氧燃料電池 磷酸燃料電池 熔融碳酸鹽燃料電池 固體氧化物燃料電池 質(zhì)子交換膜燃料電池 58 燃料電池應(yīng)用 59 堿性氫氧燃料電池 AFC ? 1952年 ， 培根研制出具有堿性氫氧燃料電池 (AFC)， 標(biāo)志著燃料電池進(jìn)入實(shí)用化時(shí)代 。 ? 培根電池的電極材料為 Ni， 電解質(zhì)為濃度 30％ 的 KOH溶液， 氫為燃料 ， 氧為氧化劑 。 ? 工作電壓為 30V， 平均輸出功率 600W， 工作壽命大于 400h， 成為 Apllo登月飛船電源 。 氫氧燃料電池構(gòu)造示意圖 60 ? 航天用堿性燃料電池是石棉膜堿性燃料電池 。 ?電池用含 32％ KOH水溶液的石棉體作電池隔膜 ， 平均輸出功率 7kW， 電壓為 30V， 壽命達(dá)到 2500h。 ?哥倫比亞號(hào) 、 挑戰(zhàn)者號(hào)等航天飛機(jī)使用石棉膜堿性燃料電池 ， 累計(jì)飛行時(shí)間超過(guò) 27000h。 哥倫比亞號(hào) 發(fā)現(xiàn)者號(hào) 挑戰(zhàn)者號(hào) 61 ? 為適應(yīng)未來(lái) 1000kW級(jí) 、 超長(zhǎng)壽命的航天電源要求 ，堿性燃料電池改進(jìn)后工作壽命延長(zhǎng)到 105h。 ? AFC另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是作為潛艇動(dòng)力電源 ， 德國(guó)西門子公司已開發(fā)出 100kW的 AFC在潛艇上使用 。 阿穆?tīng)枬撏У娜剂想姵亟M 俄基洛級(jí)常規(guī)燃料電池潛艇 德阿穆?tīng)柸剂想姵貪撏? 62 磷酸型燃料電池 PAFC ? 磷酸型燃料電池 (PAFC)是用天然氣重整氣為燃料 ，空氣為氧化劑 ， 以浸有濃 H3PO4的 SiC微孔膜作電解質(zhì) ， Pt/C為電催化劑 ， 產(chǎn)生的直流電經(jīng)過(guò)變換后供給用戶使用的電池 。 磷酸燃料電池 63 ? 50200kW的 PAFC可供現(xiàn)場(chǎng)使用 ， 作為醫(yī)院 、 銀行的不間斷電源使用 。 ? 1000kW以上的 PAFC可供區(qū)域性電站使用 。 ? 世界有大量 PAFC電站 ， 最長(zhǎng)已運(yùn)行數(shù)萬(wàn)小時(shí) ， 具有高度的可靠性 。 ? PAFC工作時(shí)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)， 不適合作移動(dòng)電源 。 磷酸型燃料電池用做不間斷電源 磷酸型燃料電池電站 64 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC) ? 熔融碳酸鹽燃料電池 (MCFC)以熔融碳酸鹽為電解質(zhì)，燃料是氫或天然氣，氧化劑為氧氣或空氣與二氧化碳的混合氣體 ，電極反應(yīng)為如下所示， ? 陰極： ? 陽(yáng)極： ? 總反應(yīng)： ???? 2322 CO2e4CO2Oe4OH2CO2CO2H2 22232 ???? ?OH2H2