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1、锂电池与铅酸电池对比和发展趋势分析 关键词：锂电池，铅酸电池，太阳能，石墨烯，动力电池 电池泛指能产生电能的小型装置，对发电系统的储能非常重要，特别是光伏 发电系统。储能电池的种类非常多，太阳能供电系统用何种储能电池才最合适安 防行业、通信行业等泛 IT 系统建设使用？储能电池各自的优缺点和使用特性如 何？电池技术未来的发展趋势如何？本文是新竹科技结合自身多年的 IT 及物联 网行业从业经验，对电池技术的总结和趋势分析。 目前常用的电池有三种：铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池。较普遍的认识 是，铅蓄电池是电动车、汽车点火、太阳能光伏及 UPS 电源系统等行业常用的电 池，缺点是重量较大、寿命断、
2、有记忆效应，优点是价格低；锂离子电池是一般 手机、电子设备等常用的电池，优点是重量轻、容量大、寿命长、无记忆效应， 缺点是稳定性差(锂电的安全问题随着各种保护电路的设计使用，安全问题已经 基本解决)；镍氢电池应该界与两者之间，低不成高不就，所以应用范围远不及 前两者。 事实情况真的是这样吗？电池行业的发展趋势将向何处去？新竹科技一 直立足物联网产品和应用，一直关注电池技术的发展，本文通过对比对主流的电 池技术探讨电池的发展趋势。 首先首先，我们先对比锂电池和铅酸电池的原理和发展历程我们先对比锂电池和铅酸电池的原理和发展历程。 1 1、铅酸电池铅酸电池：铅酸电池（VRLA） ，是一种电极主要由铅
3、及其氧化物制成，电 解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负 极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。在放电过程中遵 循双硫酸盐反应规则，正负极材料上都有 PbSO4 晶粒生成，铅酸蓄电池的标称电 压是 2V，理论比能量是 166.9Wh/kg，实际比能量为 3545Wh/kg。由于电解液 存在的导电性，使得铅酸电池存在自放电和充电的时候不允许大电流充电，所以 一般铅酸电池的充电都限制在 0.3C 以下。 法国人普兰特于 1859 年发明铅酸蓄电池，已经历了近 150 年的发展历程， 铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都
4、得到了 长足的进步， 不论是在交通、 通信、 电力、 军事还是在航海、 航空各个经济领域， 铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。 2 2、锂电池：锂电池：锂电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放 电过程中， Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。正极材料主要是锂的活性物质 一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料（俗称三元） ，磷酸铁锂等活性锂合 物质。负极材料主要是负极采用锂-碳层间化合物 LiXC6，基本是性能和化学稳 定性比较好的碳材料，石墨、碳纤维、玻璃碳等等，在负极材料方面石墨烯由于 其优异的充放电性能，越来越多的受到各个锂电池厂家以及投资机构的关注。 锂电池大致可分为
5、两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属 态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在 1996 年诞 生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身 的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。 1970 年代埃克森的 M.S.Whittingham 采用硫化钛作为正极材料，金属锂作 为负极材料，制成首个锂电池。1991 年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随 后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌，广泛应用于电子产品和设备中。 锂电池虽然发明商用较晚，但因为其能量比高，后发优势明显，特别是 IT 及物联网发展极大的刺激了
6、锂电池技术的发展和进步。 从环保角度讲， 铅酸电池业属于有色金属下游产业中污染最严重的行业之一， 其强污染力和不可降解的特性一直以来饱受诟病。在生产后期所排放的废酸、废 碱、废水对水源的污染也极大。比较而言，锂电池在环保上则拥有天然的优势， 因其原材料中不含有污染性重金属，生产过程产生的污染物也远低于铅酸电池。 新能源汽车对于电池重量和储能提出了更高的要求， 锂电池是目前新能源汽 车行业最主要的动力电池。据了解，目前我国推广的新能源汽车（包括纯电动汽 车和插电式混合动力汽车） 大多都采用锂离子电池， 其中磷酸铁锂占到 80%90%， 三元锂电池在乘用车上也开始大规模应用。 铅酸电池则因为价格便
7、宜、 技术成熟、 历史原因等，目前电动自行车使用的电池大都是铅酸电池。 通过通过深入了解和深入了解和对比对比，我们很容易得出我们很容易得出锂电池相比铅酸电池的优点：锂电池相比铅酸电池的优点： 1） 能量比较高。具有高储存能量密度，目前最高已达到 460Wh/kg，是铅 酸电池的约 5-10 倍，未来可能会更高（比能量指的是单位重量或单位体积的能 量，比能量用 Wh/kg 或 Wh/L 来表示。 ） 2） 使用寿命长，使用寿命平均 3 年，最高可达到 6 年以上，铅酸电池的循 环寿命在 300 次左右，锰锂电池循环寿命达到 500-800 次，铁锂电池循环寿命达 到 2000 次,最新的技术锂电
8、能达到 5000 次以上。 3)额定电压高（单体工作电压为 3.7V 或 3.2V） ，约等于 3 只镍镉或镍氢 充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池 调压器的技术，将电压调至 3.0V，以适合小电器的使用。 4） 具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到 15-30C 充放电的能力，便于高强度的启动加速； 5） 自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到 1%/月以 下，不到镍氢电池的 1/20； 6） 重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的 1/6-1/5； 7） 高低温适应性强，可以在-10-60的环境下使用，经过工艺上的
9、处 理， 可以在-40环境下使用 （低温环境使用锂电， 新竹科技可提供定制化服务） ； 8） 绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、 镉等有毒有害重金属元素和物质。 但锂电池商用到目前也就但锂电池商用到目前也就 2020 多年，相比多年，相比 150150 多年技术成熟的铅酸电池，多年技术成熟的铅酸电池，其其 多方面依然多方面依然需要发展进步需要发展进步： 1） 锂电池安全性问题一直是用户关系的问题， 锂离子电池存在爆炸的危险， 但安全性是可控的，引发安全问题多是在产品缺陷和滥用的情况下。 锂离子电池必须要均需保护线路，防止电池被过充电过放电。 为了避免因使 用不当造成
10、电池过放电或者过充电，在单体锂离子电池内设有三重保护机构：一 是采用开关元件，当电池内的温度上升时，它的阻值随之上升，当温度过高时， 会自动停止供电；二是选择适当的隔板材料，当温度上升到一定数值时，隔板上 的微米级微孔会自动溶解掉，从而使锂离子不能通过，电池内部反应停止；三是 设置安全阀（就是电池顶部的放气孔） ，电池内部压力上升到一定数值时，安全 阀自动打开，保证电池的使用安全性。 随着锂电池安全技术的发展， 锂电池的使用一定会越来越安全、 越来越普及。 2） 生产要求条件高，成本高。关于最重要的成本问题，实际上锂电成本不 比铅酸成本贵很多，在小型储能电池使用情况下，锂电比铅酸更具竞争力。目
11、前 锂电昂贵的原因是因为其技术还在不断进步，旧的生产工艺淘汰迅速，厂家为在 短时间收回成本，必定有比其它行业更高的利润率，当技术发展成熟，产业规模 形成，锂电的价格一定会比铅酸还便宜。 所以锂离子电池优势明显，体积最小，重量最轻，能量比高，高低温倍率放 电性能最好，寿命最长，最环保，维护最简单，非常适合小型储能系统使用，这 也正是新竹科技在 iMT-Solar1500Li 太阳能供电系统中采用锂电池的最根本原 因所在。 2011 至 2015 年间，中国锂电池产量和全球发展趋势相同，但明显增势更为 明显，增长了 2.8 倍。而锂电池市场规模亦从 2011 年的 277 亿元增长到 2015 年
12、的 850 亿元，复合年增长率高达 32.4%。2016 年，全国规模以上电池制造企业 累计主营业务收入 5501.2 亿元，同比增长 18.8%，实现利润总额 373.4 亿元， 同比增长 37.4%。其中锂离子产品主营业务收入 2824 亿元，同比增长 33.3%，实 现利润总额 235.6 亿元，同比增长 73.5%。由以上数据可知，锂离子电池已经占 据电池行业半壁江山。 目前看电池发展趋势， 锂电池取代铅酸电池只是时间问题，但电池技术一定 会继续发展，科学界更倾向于燃料电池的方向，但目前燃料电池中最主要氢燃料 电池则是问题多多，仍有待成熟。锂电池技术本身也在不断发展和完善。 日本国家材
13、料科学研究院（NIMS）2016 年宣布已经开发出一种能量密度非 常高的新型锂电池。NIMS 将这种新型锂电池称为“锂空气电池” ，其单位体积下 的能量密度几乎接近极限，同时成本也能够得到很好的控制。NIMS 介绍， “锂空 气电池”使用碳纳米管作为空气电极材料，通过电极结构的优化，可以实现很高 的能量密度，是普通锂电池的 15 倍之多。NIMS 表示，目前的“锂空气电池”只 是试验产品，今后会继续优化设计，进一步提高能量密度。 受树木结构的启发，美国马里兰大学的工程师对木头进行改造，将其作为锂 金属电池负极的特殊结构，以此避免某些关键因素导致的电池故障。他们提出了 一种新的设计， 将电池中的
14、锂离子存储在木材中用于运输水和养分的天然通道中。 这样做出来的电池十分安全，可进行快速的充电和放电。 根据华为中央研究院瓦特实验室 2016 年 12 月 1 日发布的消息称， 华为已经 在锂离子电池领域实现重大研究突破， 将会推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂 离子电池。主要特色是借助新型耐高温技术，可以将锂离子电池上限使用温度提 高 10，而使用寿命则是普通锂离子电池的 2 倍。 相信随着市场的扩大和产业链的优化，锂电池技术发展会更安全、更高效、 更经济，新竹科技将第一款离网太阳能供电系统定位于锂电储能，正是预见了未 来锂电池的广大市场，将来会推出更多的基于锂电的产品和系统。 问题释疑：问题
15、释疑：新竹科技的新竹科技的 iMTiMT- -Solar1500LiSolar1500Li 太阳能供电系统标称其太阳能供电系统标称其锂电池锂电池组组 的寿命是的寿命是“500“500 次次”，是用是用 500500 天就不能用了吗？天就不能用了吗？ 用户可能有个误区， 认为这里的 500 次是指 “500 次充放电， 超过这个次数， 电池就“寿终正寝”了”？答案是否定的！锂电池的寿命是“500 次”，指的不 是充电的次数，而是一个充放电的周期。 一个充电周期意味着电池的所有电量由满用到空，再由空充到满的过程，这 并不等同于充一次电。比如说，一块锂电在第一天只用了一半的电量，然后又为 它充满电。
16、如果第二天还如此，即用一半就充，总共两次充电下来，这只能算作 一个充电周期， 而不是两个。 因此， 通常可能要经过好几次充电才完成一个周期。 每完成一个充电周期， 电池容量就会减少一点。 不过， 这个电量减少幅度非常小， 高品质的电池充过多次周期后，仍然会保留原始容量的 80%，很多锂电供电产品 在经过两三年后仍然照常使用。当然，锂电寿命到了最终后仍是需要更换的。 而所谓 500 次，是指厂商在恒定的放电深度（如 80%）实现了 625 次左右的 可充次数，达到了 500 个充电周期（80%*625=500） 。 新竹科技的 iMT-Solar1500Li 太阳能供电系统是普通铅酸电池的太阳能供 电系统的 2 倍甚至更高，极大的降低了用户的使用成本，减少了用户的维护量。
