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​燃料电池、铅酸电池、碱性电池、固态锂电池的优缺点综述

发布日期: 2021-10-08
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电池是国民经济的基础产品,可广泛应用在交通运输、通讯、电力、铁路、国防、计算机和科研等各个领域。目前市面上主流电池有燃料电池、铅酸电池、碱性电池、固态锂电池等。那么燃料电池、铅酸电池、碱性电池、固态锂电池的优缺点有哪些?下面贤集网小编对于这几类电池的优缺点进行综述。

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燃料电池的优缺点:

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池,电就被奇妙地生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等,像一个蓄电池,但实质上它不能“储电"而是一个“发电厂"。



燃料电池的优点



不管是满负荷还是部分负荷均能保持高发电效率。



不管装置规模大小均能保持高发电效率。



具有很强的过负载能力。



通过与燃料供给装置组合的可以适用的燃料广泛。



发电出力由电池堆的出力和组数决定,机组的容量的自由度大。



电池本体的负荷响应性好,用于电网调峰优于其他发电方式。



用天然气和煤气等为燃料时,NOX及SOX等排出量少,环境相容性优。



负荷响应快,运行质量高:燃料电池在数秒钟内就可以从低功率变换到额定功率。



能量转化效率高:它直接将燃料的化学能转化为电能,中间不经过燃烧过程,因而不受卡诺循环的限制。燃料电池系统的燃料—电能转换效率在45%~60%,而火力发电和核电的效率大约在30%~40%。



安装地点灵活:燃料电池电站占地面积小,建设周期短,电站功率可根据需要由电池堆组装,十分方便。燃料电池无论作为集中电站还是分布式电站,或是作为小区、工厂、大型建筑的独立电站都非常合适。



燃料电池的缺点



(一)燃料种类单一:目前,不论是液态氢、气态氢、储氢金属储存的氢,还有碳水化合物经过重整后转换的氢是燃料电池的燃料。氢气的产生、储存、保管、运输和灌装或重整,都比较复杂,对安全性要求很高。但燃料种类的单一性,可以建立标准化、统一的供给系统。



(二)要求高质量的密封:燃料电池的单体电池所能产生的电压约为1V,不同种类的燃料电池的单体电池所能产生的电压略有不同。通常将多个单体电池按使用电压和电流的要求组合成为燃料电池发动机组,在组合时,单体电池间的电极连接时,必须要有严格的密封,因为密封不良的燃料电池,氢气会泄漏到燃料电池的外面,降低了氢的利用率并严重影响燃料电池发动机的效率,还会引起氢气燃烧事故。由于要求严格的密封,使得燃料电池发动机的制造工艺很复杂,并给使用和维护带来很多困难。



(三)比功率还要进一步提高:内燃机的比功率约为300W/kg,以氢为燃料的燃料电池比功率约为300~350W/kg,功率密度为280W/L。甲醇经过重整产生的氢为燃料的燃料电池综合功率密度(包括重整器质量)降低到220W/L。为了满足FCEV动力性能的要求,需要进一步提高燃料电池发动机的比功率。



(四)造价太高:目前质子交换膜燃料电池是有发展前途的燃料电池之一,但质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂(Pt)作为催化剂,其使用量要求达到0.1~0.2mg/cm3,目前用量要求达到0.5mg/cm3,距离要求还较远。而且铂(Pt)在反应过程中受CO的作用会"中毒"而失效。铂(Pt)的使用和铂(Pt)的失效使质子交换膜燃料电池的造价持高不下。



(五)需要配备辅助电池系统:燃料电池可以持续发电,但不能充电和回收FCEV再生制动的反馈能量。通常在FCEV上还要增加辅助电池,来储存燃料电池富裕的电能和在FCEV减速时接受再生制动时的能量。



铅酸蓄电池是工业化早的二次电池,自1859年发明至今已经有150多年的历史,但是该产业的发展仍然方兴未艾。铅酸蓄电池价格较低,具有技术成熟、高低温性能优异、稳定可靠、安全性高、资源再利用性好等比较优势,市场竞争优势明显。



铅酸蓄电池的优点/优势



①性能比较优势:目前,大规模产业化的二次电池主要有铅酸蓄电池、镉镍电池、氢镍电池和锂离子电池。镉镍电池含有ju毒元素镉,已逐步被其他电池所替代。目前,市场上应用广泛的电池为铅酸蓄电池、锂离子电池和氢镍电池。

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相较于其他二次电池,铅酸蓄电池主要有以下性能比较优势:



A、实现工业化生产的时间长、技术成熟的电池,性能稳定、可靠,适用性好;



B、采用稀硫酸作电解液,无可燃性,电池采用常压或低压设计,安全性好;



C、工作电压较高、工作温度范围较宽,适用于混合电动车(HEV)等高倍率放电应用;



D、能浮充电使用,浅充浅放电性能优异,适用于不间断电源(UPS)、新能源储能、电网削峰填谷等领域;



E、大容量电池技术成熟,能制成数千安时的电池,为大规模储能提供了便利。



②成本比较优势:铅酸蓄电池是廉价的二次电池,单位能量的价格是锂离子电池或氢镍电池的1/3左右。此外,铅酸蓄电池的主要成分为铅和铅的化合物,铅含量高达电池总质量的60%以上,废旧电池的残值较高,回收价格超过新电池的30%,因此铅酸蓄电池的综合成本更低。



③再生利用比较优势:铅酸蓄电池组成简单,再生技术成熟,回收价值高,是容易实现回收和再生利用的电池。全球再生铅产量已经超过原生铅产量,美国废铅酸蓄电池铅的再利用率已超过98.5%,我国废铅酸蓄电池的再利用率也达到90%以上。镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池多为小型电池,且组成复杂,再生成本高,回收难度大,再生产业难以实现市场化运营。目前,前述电池全球的平均回收比例不足20%,特别是锂离子电池,多数国家尚未实现有效回收和再生。



铅酸蓄电池的缺点



①能量密度偏低:传统的铅酸蓄电池质量和体积能量密度偏低,能量密度只有为锂离子电池的1/3左右,氢镍电池的1/2左右,并且体积较大,不适宜在质量轻、体积小的场合使用。未来,铅酸蓄电池能量密度仍有较大的提高空间,尤其是泡沫碳等采用新材料、新技术的铅酸蓄电池。



②循环寿命偏短:传统铅酸蓄电池循环寿命较短,理论循环次数为锂离子电池1/3左右。铅酸蓄电池的循环寿命提高的空间仍然比较大,特别是新材料、新结构和新技术的铅酸蓄电池,如双极性铅酸蓄电池、铅碳电池等。



③产业链存在铅污染风险:铅是铅酸蓄电池的主要原材料,铅占电池质量的60%以上,全球铅酸蓄电池的用铅量占总用铅量的80%以上。铅为重金属,铅酸蓄电池制造产业链(包括原生铅冶炼、电池制造、电池回收、再生铅冶炼)存在较高的铅污染风险,管理不善会对环境造成污染和对人体健康产生危害。



碱性电池的优缺点:



碱性电池是目前市面上普及度很高,容量可达900mAh,价格也比较适中,这让碱性电池看起来似乎是智能门锁电池的不er之选

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但碱性电池有两个缺点,一是容易漏液。碱性电池使用一年左右,电池内部会流出液体,致使电池槽生锈,损坏设备。二是电池低温性能较差,零下10°C只能放出常温下15%左右电量。北方进入冬季后,低气温均在0℃以下,智能门锁极易出现无法正常工作的情况,如开锁动力不足,速度慢,所以需谨慎选择。



固态锂电池的优缺点:



固态锂电池的优点:



1)安全性好,电解质无腐蚀,不可燃,也不存在漏液问题;



2)高温稳定性好,可以在60℃-120℃之间工作;



3)有望获得更高的能量密度。固态电解液,力学性能好,有效抑制锂单质直径生长造



成的短路问题,使得可以选用理论容量更高的电极材料,比如锂单质做负极;固态电解质的电压窗口更宽,可以使用电位更高的材料做正极而不惜担心电解质分解问题;



4)固态电解质支持电芯薄膜化设计,小可以达到几个纳米,拓宽了锂电池的应用范围,并且使得电池自带柔性成为可能。



5)可以选用电阻较大、充放电过程体积变化比较大的材料做正负极,薄膜化的正负极材料,只要成膜性能好,即使材料电阻偏大,只要足够薄以后,依然不会给电池特性带来明显影响。



固态锂电池的缺点:



1)温度较低的时候,内阻比较大;



2)材料导电率不高,功率密度提升困难;



3)制造大容量单体困难;



4)大规模制造中的正负极成膜技术还在集中火力研究中。



以上就是关于燃料电池、铅酸电池、碱性电池、固态锂电池的优缺点的介绍,这几种电池各有各的优势与短板,但是有传闻铅酸电池因为对环境污染大而可能会被市场淘汰,但就目前而言,其在市场占比仍高于锂电池。而且随着铅酸蓄电池回收体系的建立和完善,铅酸蓄电池产业链将形成良性的“资源-产品-再生资源"的闭环结构,有望成为资源节约型的循环发展产业。

来源:贤集网
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