【導(dǎo)讀】概述了各類汽車(chē)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(guò)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(wèn)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。電池；未來(lái)蓄電池。黃石理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

　　

【正文】 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(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(shù)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(lái)。濕處理可省去分揀環(huán)節(jié)（因?yàn)榉謷鞘止げ僮?，?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。 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。這種加工一噸廢電池的成本不到 1500馬克（按匯率為 ，約合7072元人民幣）！ 未來(lái)的汽車(chē)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(chē)用蓄電池的要求也將顯著提高 ,例如有關(guān)可靠性、淺循環(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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出許多新型蓄電池。車(chē)內(nèi)儲(chǔ)能裝置的系統(tǒng)集成化將變得越來(lái)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(chē)輛所需的功率。 汽車(chē)蓄電池 是汽車(chē)上的儲(chǔ)能裝置。傳統(tǒng)的汽車(chē)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(lái)車(chē)輛電力系統(tǒng)的耗電裝置越來(lái)越多 ,需要蓄電池的功率也越來(lái)越大。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。 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 （ 1） “SLI” 和封裝 汽車(chē)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(chē)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(chē)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(wèn)題。一方面要求減小外形尺寸 ,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(chē)用蓄電池的循環(huán)耐久能力提高。 (1)數(shù)量越來(lái)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(chē)?yán)镉?0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(guò)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(chē)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?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)車(chē)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(guò)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 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 之間最容易控制蓄電池 )。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。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(chē)輛的傳動(dòng)系和駕駛條件而定 ,燃耗和 CO2排放物能夠降低 %～ 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)輕度混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)用蓄電池要求的要求。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。 （ 4） 儲(chǔ)備容量 未來(lái)汽車(chē)的耗油量將顯著下降 ,許多技術(shù)要求具有相當(dāng)大的瞬態(tài)電流 ,如自動(dòng)變速器控制 (VTC)或自動(dòng)轉(zhuǎn)換齒輪 (ASG),頻 繁地使用渦輪增壓機(jī)、自動(dòng)怠速停車(chē)等。這些都需要蓄電池具有更大的儲(chǔ)備容量。 （ 5） 耐久性和可靠性 未來(lái)的汽車(chē)系統(tǒng)要求蓄電池具有更高的耐久性和可靠性。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)。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)高倍率放電是必需的 ,而高倍率充電與再生制動(dòng)有關(guān)。因此在這樣的 “HRPSOC” 條件下 ,對(duì)于 VRLA蓄電池的極板 — — 特別是負(fù)極板 — — 有遭受 硬 硫酸鉛積累的傾向。這種效應(yīng)會(huì)減損蓄電池的性能和壽命。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。蓄電池可靠性的另一方面也不應(yīng)被忽視 :蓄電池的可靠度基本上是其各個(gè)單體可靠度的積。那就意味著高電壓蓄電池 (36V 更高 )必須在單體電池水平上滿足更加精確的可靠度 ,以便正好保持蓄電池的可靠度跟原來(lái)一只 12V 蓄電池的可靠度一樣高。因此 ,為了滿足高可靠度 ,將需要改進(jìn)蓄電池的工藝過(guò)程控制。 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。與傳 黃石理 工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 統(tǒng)的起動(dòng) 照明 點(diǎn)火 (SLI)蓄電池相比 ,已經(jīng)取得或即將取得顯著的技術(shù)進(jìn)步 ,改善性能和使用壽命。 傳統(tǒng)的起動(dòng) 照明 點(diǎn)火 (SLI)用液體電解質(zhì)蓄電池是一種以成熟技術(shù)為基礎(chǔ)的商品 ,其零部件成本很低 ,約為 S35/kWh 或 S4/kW。一般在使用 3~7年后就得更換一次 SLI 蓄電池 ,然而 ,由于它們的成本很低 ,所以將會(huì)繼續(xù)用作電荷 (Ah)轉(zhuǎn)換量非臨界的汽車(chē)的主要儲(chǔ)能系統(tǒng)。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。解決這些矛盾性目標(biāo)的唯一機(jī)會(huì)就是引入高度自動(dòng)化的、連續(xù)的、無(wú)缺陷的蓄電池制造工藝。因?yàn)槲磥?lái)的動(dòng)力系統(tǒng)概念要求蓄電池 具有更高的電荷流量 ,鉛酸蓄電池應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是并按一定尺寸制造成帶有消耗特性的可用系統(tǒng)。電荷轉(zhuǎn)換量相當(dāng)于蓄電池的消耗量 ,但是由于一般按冷起動(dòng)規(guī)范來(lái)確定 SLI 蓄電池的大小 ,所以在不犧牲使用壽命的情況下要有一些儲(chǔ)備容量來(lái)輸出更高的電荷轉(zhuǎn)換量。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。 閥控式鉛酸蓄電池 (VRLA)比傳統(tǒng) SLI 蓄電池更能經(jīng)受高 Ah 轉(zhuǎn)換量。吸附性玻纖 (AGM)隔板使用了一種可浸潤(rùn)在電解液中的玻璃纖維。矩形和螺旋卷繞式兩種極板的幾何 形狀被認(rèn)為都適合汽車(chē)應(yīng)用。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]。用于高倍率部分充電狀態(tài) (HRPSOC)運(yùn)行的 AGM 技術(shù)正在研發(fā)之中 ,此項(xiàng)工作即將取得進(jìn)一步的成果。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)最初集中在 42V輕度混合動(dòng)力車(chē)上 ,但也能研制出性能顯著改進(jìn)的 12V 蓄電池 ,例如 ,用于發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē) /起步應(yīng)用和再生制動(dòng)的蓄電池。 目前 ,小批量 AGM 蓄電池的零部件成本總計(jì)幾乎是 SLI 蓄電池成本的兩倍 ,從長(zhǎng)期的潛力來(lái)看 ,大批量零部件的成本會(huì)下降 20%30%。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)。然而 ,耐高溫性大概是廣泛引入 AGM 蓄電池的一個(gè)瓶頸。 近年來(lái) ,人們應(yīng)車(chē)輛系統(tǒng)改進(jìn)的要求 ,努設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出很多新型蓄電池 ,一方面是使用進(jìn)的蓄電池材料 ,例如薄金屬膜蓄電池、納米鉛酸蓄電池、石墨泡沫鉛酸蓄電池 ,另一方面改進(jìn)蓄電池的結(jié)構(gòu) ,其中有多極耳矩形蓄電池雙極性蓄電池、準(zhǔn)雙極性蓄電池、雙極耳螺旋繞式閥控鉛酸 (VRLA)蓄電池、薄極板純鉛 /錫術(shù) (TPPL)VRLA 蓄電池。雙極性蓄電池具有以下優(yōu)點(diǎn) ,為混合動(dòng)力提 供了極好的潛力 [7].（如圖 ） 1)在雙極性結(jié)構(gòu)中 ,由于電流垂直于表面 雙極性極板的一側(cè)傳導(dǎo)到另一側(cè) ,所以原理上 無(wú) 需具有金屬板柵。 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) )。 3)雙極性蓄電池的內(nèi)阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單極性設(shè)計(jì)的蓄電池。 4)雙極性設(shè)計(jì)提供了一種可能性 ,具有比單極性設(shè)計(jì)高得多的堆積壓力。當(dāng)然 ,這需要使用專用可耐高壓的吸附性玻璃纖維隔板。 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。 雙極耳螺旋卷繞式閥控鉛酸 (VRLA)蓄電池能夠在部分充電狀態(tài) (PSOC)運(yùn)行條件下輸出車(chē)輛所需的高倍率性能。螺旋卷繞式設(shè)計(jì)能夠很好地保持對(duì)正極活物質(zhì)的壓縮。此外 ,圓形是一種理想的形狀 ,使電池之間有足夠空間供熱管理用。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。美 Firefly 能源股份有限公司開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的碳 — 石墨泡沫鉛酸蓄電池。這種電池技術(shù)使用了一種三維高表面積泡沫材料。該材料可使鉛酸電池釋放出很 高的電勢(shì)。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。 EnerSys 公司的薄極板純鉛 /錫技術(shù) (TPPL)VRLA 蓄電池具有很多無(wú)與倫比的性能優(yōu)點(diǎn) ,其中包括優(yōu)良的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)能力、長(zhǎng)期的擱置壽命、持久的循環(huán)壽命和儲(chǔ)備容量。此外 ,還有很好的深放電恢復(fù)能力、快速充電能力和耐振動(dòng)能力。薄極板技術(shù)使得在標(biāo)準(zhǔn)尺寸內(nèi)能夠裝下更多的極板 ,使蓄電池能夠提供很大的電流。 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)。因此為了延長(zhǎng)鉛酸電池的壽命 ,應(yīng)該保護(hù)負(fù)極板免于高倍率放電和充電。改善鉛酸電池壽命的傳統(tǒng)方法是把電池組與超級(jí)電容器并聯(lián)地連接在一起。眾所周知 ,超級(jí)電容器能夠輸出和接受很高的功率 ,但是可輸出和接受的能量很低 ,所以對(duì)于 HEV 應(yīng)用 ,這種技術(shù)的最佳運(yùn)用是從再生制動(dòng)吸收高功率與為加速提供高功率。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流量。原理上 ,在車(chē)輛制動(dòng)和加速期間 ,控制器將首先調(diào)整進(jìn)出超級(jí)電容器的功率 ,然后再調(diào)整進(jìn)出電池組的功率。在發(fā)動(dòng)機(jī)充電和常速行駛期間 ,控制器將主要調(diào)整進(jìn)出電池 組的功率和能量。這種系統(tǒng)已于 2020 年 由 澳 大 利 亞 CSIRO 開(kāi) 發(fā) 出 來(lái) 并 成 功 地 用 在HoldenECOmmodoreaXcessaustraliademonstration 車(chē)上。然而 ,此系統(tǒng)的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜和價(jià)格太高。然而它們的能量密度不如蓄電池 ,而且其電壓垂度與 SOC成正比例。技術(shù)關(guān)注點(diǎn)與暴露在高電壓和高溫下有關(guān)。電解質(zhì)的選擇仍是一個(gè)未解決的問(wèn)題 ,因?yàn)樵谝恍┦袌?chǎng)上認(rèn)為乙腈是有毒的 ,有可能的