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水平电池国内外相关技术发展状况

王　瑜1 ,2 , 魏　杰1 , 童一波2(1. 哈尔滨工业大学应用化学系, 黑龙江　哈尔滨　150001 ;2. 杭州南都电源有限公司, 浙江　杭州　311100)

摘要:

     综述了动力电池的发展趋势, 阐述了水平电池的原理和特点, 介绍了水平电池的两种形式, 指出了未来电 动车电池的研究方向。
关键词: 动力电池; 水平电池; 电动车

  　能源与环保产业将是下一世纪{zj1}活力和发展前景的产业之一。随着经济发展和人们环保意识的提高, 生态环境保护和可持续发展问题越来越受到重视。大气污染最主要的影响是燃油车排放的尾气, 尾气中含有大量的严重污染大气环境的CO2 、CO、NOx[1 ] 。在世界污染最严重的xx城市中, 中国占了3 个, 另外, 地球的石油资源也是十分有限的, 据预测再过40 a , 石油资源也将枯竭[2 ] 。能源危机的出现、大气污染的日益加剧以及人类环保意识的提高, 使用清洁无污染的电动车代替燃油车将成为人们必然的选择[3 ] 。 

   世界上一些发达国家, 如美国、日本、加拿大、英国、德国、法国、意大利等都立法鼓励发展并投入巨资研制电动汽车以代替燃油汽车。如美国, 在90 年代加州政府与汽车制造厂商签订了{dy}个自觉清洁空气的协议, 要求到2003 年, 电动汽车的销量应占汽车总销量的10 %[4 ] 、[5 ] 、[6 ] 。目前, 美国已有9 个州通过了类似的协议。在中国,国家计委、经贸委、环保总局、机械部和电动车辆 专业委员会联合推出了“清洁汽车”与“清洁能源”工程, 将发展电动车项目列为“八五”与“九五”重点科技攻关项目, 并把上海、北京、天津等
12 个城市为试点城市。在2005～2010 年开始推广电动汽车, 目前优先推广电动自行车。中国目前自
行车保有量为2 亿辆, 每年自行车销售为2 500～3 000万辆左右, 而电动自行车发展迅速[7 ] , 据全国自行车工业信息中心对全国五大城市的调查显示, 在五大城市中, 超过20 %的骑自行车有购买电动自行车的愿望, 有几乎同样比例的人想购买燃油助动车, 由于燃油助动车存在噪音和废气污染问题受到限制, 购买电动自行车的人还会增加, 可见电动自行车的市场是相当大。中国电动自行车销售发展趋势情况见表1。

    电动车的应用领域广泛, 除电动汽车及电动自行车外, 还有电动高尔夫车、电动游览车、电动游船、割草机、电动扫地车、电动运输车和电动叉车等。

    电动车的兴起, 对电池行业是个大挑战, 也是个大机遇。全世界汽车年产量已超过5 000万辆,假如有十分之一改用电动汽车, 按平均每车需电池20 kWh 计算, 每年就要增加1 亿kWh 的电池产量。国际电池委员会对美国动力电池的发展趋势进行了预测, 见表2。中国化学与物理电源行业协会预测的中国动力电池发展趋势, 见表3。

   　目前制约电动车发展的关键问题是电池质量。电池需解决的三大问题为: 提高电池比能量、延长
电池深循环寿命和解决快速充电问题[8 ] 、[9 ] 、[10 ] 。电动车对电池性能的要求见表4。 

   　目前有许多新电源在研制, 如氢镍、锌空、卷式电池??等, 但都存在不少问题, 一时难以投入工业化生产。新型铅酸蓄电池与其他蓄电池的性能比较见表5。 

   　根据表5 对比可以看出, 从性能、价格比来看, 水平电池[11 ] ,[12 ] 不失为电动车电池可靠的目
标, 适合应用于电动车, 具有广阔的发展前景。

   　1 　水平电池的原理和技术特点
水平(HORIZON) 铅酸蓄电池因其比能量、高功率、长寿命、充电快、密封和成本低等优点而广泛地受到铅酸蓄电池行业的注意, 尤其在动力型和深循环应用方面, 水平电池显示出了良好的性能,并在电动车和混合电动车上获得了成功, 被认为是一种很有前途的新型铅酸蓄电池[13 ] 。水平电池采用了独特的设计和高技术的工艺,
其设计的特点主要是:
(1) 采用专利双挤压工艺制成共轴铅覆玻璃纤维丝, 然后用这种铅覆玻纤维丝编织成轻巧而结实的板栅[14 ] 、[15 ] 、[16 ] 。由于有纤维丝作为稳定核心, 使极板尺寸稳定, xx了极板的增长, 不需要使用锑、钙或其他合金来增加机械强度, 可以采用纯铅或是铅锡合金, 因而减少了充电的析气及正板栅的腐蚀, 由双挤压方法制成的复合铅丝晶粒致密, 具有高度抗腐蚀性, 大大地提高了电池的寿命;

    (2) 由于在水平电池中可以采用高电导率的纯铅板栅, 使得水平电池有着良好的充电接受能力,
可以实现快充的要求。汽车用水平电池使用专用的充电设备, 不到30 min 便可以充足电, 普通的充电方式3 h 也可以充足;
(3) 以玻璃纤维作内芯的同轴铅丝所编织的铅布与传统的板栅相比, 其材料铅的用量减少了67 % , 在结构上又由于省去了汇流排及作了其他的改进, 从而使水平电池与传统电池相比在质量上减轻了25 %～50 % , 质量比能量可达45～50 Wh/kg ;
(4) 采用双极电极结构, 正和负铅膏分别涂在一片铅网的两端, 中间留有一段未涂铅膏的栅网将两种铅膏分界, 去掉了电池间的连接条和极耳, 提供了单格间低电阻电子导电途径, 减少了电池内阻[17 ] 、[18 ] , 使单格间连接简单化、可靠性提高;
(5) 极板水平放置, 正负极和隔板是采用卧式组合起来的, 而其他蓄电池极板组合均为立式结构; 这种结构可以减少活性物质脱落和电解液分层现象, 有利于散热, 增强了氧气的再化合率;
(6) 采用紧固框组件, 可维持充电期间极板间的适当距离; 避免了电池槽既容纳充电时产生气体又压紧极板的双重作用;
(7) 采用阀控密封技术和贫液设计, 可以实现密封和免维护的功能[19 ] 。

    2 　水平电池工艺流程
水平电池工艺流程图如下:

              铅→铅粉→铅膏
玻璃纤维+铅  →复合纤维→铅布 →涂板→表面干燥→分片→固化干燥

                             →配组→铸焊→槽盖热封→灌酸→活化 →储存→出厂

3 　国内外水平电池发展现状
水平电池现在主要有两种形式: 一种是美国爱达荷大学的D. B. Edwards 开发的涂膏式水平铅酸电池; 一种是美国Electrosource 开发的铅布水平电池[20 ] 。其中尤以Electrosource 开发的铅布水平电池发展最为迅速, 技术比较成熟, 有自己专利的铅布板栅制造工艺, 采用机械化的装配工序, 率先实现了水平电池的规模化生产, 产品已同克莱斯勒公司、洛克希德2马丁公司、菲亚特公司、蓝鸟公司等的电动车配套。目前推出的产品型号有: 1.12N85 , 应用于电动或混合电动汽车、巴士, 目前已正式投入生产, 产品可以从市场上购得; 2.24UV50 , 飞机起动用电池, 目前正在FAA (xx航空局) 测试; 3. 24UV25 , 直升机起动用电池,目前正在FAA (xx航空局) 测试。根据对12N85电池的测试结果看, 水平电池有着普通的铅酸蓄电池不可比拟的比能量高和比功率高的优点, 但实际测试的循环寿命较低(只有150 次循环) , 加上由于本身结构上的原因而导致自放电大等缺点, 水平电池还有待进一步改进。
   在国内, 一些较大的蓄电池生产企业和知名研究机构多年前通过各种途径了解到国外已经采用此种新型复合材料研制出先进的铅酸蓄电池。有些单位还对电池样品进行了初步测试, 并且对这种先进技术也作过多方面的研究。由于缺乏对基础材料-的产品或实样, 但水平电池表现出来的一系列的优点已经引起了国内许多蓄电池生产厂家及相关厂家的重视。据报道, 武汉洲际银泰已经通过购买铅布的方式组装铅布电池, 并已投入小批量生产; 另外据称, 广州顺能电池有限公司在国内率先研制成玻璃纤维复合铅丝加工设备及其纺织技术和工艺, 生产先进铅酸动力电池所需的高性能板栅材料, 并寻求合适的合作方, 共同开发水平电池。无机纤维复合铅丝这一关键技术和生产工艺的研究和开发, 特别是不能形成工业化生产, 上述研究均没有获得成功。因而, 目前国内厂家尚无水平电池.

     4 　结论

 (1) 随着经济发展和人们环保意识提高, 使用清洁无污染的电动车代替燃油车成为人们必然的选择, 动力电池有着广泛的应用前景;
(2) 通过水平电池与其他蓄电池的性能比较,可以看出, 水平电池相对于其他蓄电池, 有着更好的性能价格比;
(3) 水平电池由于采用了独特的设计和高技术的工艺, 使得相对于传统的铅酸蓄电池具有比能量高、功率高、充电接受能力好、寿命长、密封、成本低、安全等显著的优点;
(4) 水平电池由于结构上的原因, 自放电较大, 达到10 %/ 月, 但在深循环和动力用的情况下, 由于需要经常的充放电, 因而自放电大是可以接受的;
(5) 水平电池是一种适合于动力、环保领域发展需求的高新技术产品, 具有良好的经济效益和社会效益, 是未来电动车电池发展的必然趋势。
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