常用的蓄電池介紹

一、鉛酸密封蓄電池

鉛酸密封蓄電池由正負(fù)極板、隔板和電解液、電池槽及連接條(或鉛零件)、接線端子和佩排氣閥等組成。極板是蓄電池的核心部件，是帶有柵格結(jié)構(gòu)的鉛柵格板，分正極板和負(fù)極板兩種。

正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，呈紅色；負(fù)極板上的活性物質(zhì)是海綿狀純鉛，呈青灰色。用在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中的電池應(yīng)是深度循環(huán)大負(fù)載類型的。由于極板材料鉛比較軟，所以要加一些銻或者鈣之類的元素以加強(qiáng)鉛板的硬度，這樣可改善電池的性能。

閥控式密封鉛酸蓄電池具有不需補(bǔ)加酸水、無酸霧析出、可任意放置、搬運(yùn)方便、使用清潔等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

但是，蓄電池組的價(jià)格相對(duì)昂貴，壽命較短，一般免維護(hù)的工作壽命為五年，而光伏電池板的穩(wěn)定工作壽命為25至30年，蓄電池的存在勢(shì)必影響光伏系統(tǒng)的壽命。因此，通過采用合適的充放電方法，盡量延長(zhǎng)蓄電池的壽命，可以很大程度上降低光伏系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用。

極板是蓄電池的核心，在蓄電池充、放電過程中，電能與化學(xué)能的轉(zhuǎn)換是從過正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)與電解液中的硫酸進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。

蓄電池極板分正、負(fù)極板，由柵架和活性物質(zhì)組成。正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極板上的活性物質(zhì)是鉛(Pb)。單片極板上的活性物質(zhì)數(shù)量少，所存儲(chǔ)的電量少，為了增大電池容量，將正、負(fù)極板分別并聯(lián)，中間插入隔板，組成正、負(fù)極板組。

將二氧化鉛和稀硫酸調(diào)成膏狀涂在柵架上，就成了正極板。將鉛粉與稀硫酸調(diào)成膏狀涂在柵架上，就成了負(fù)極板。單格電池組中，負(fù)極板要比正極板多一片。原因是在充放電時(shí)，兩極板和電解液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)熱使極板膨脹，但兩極板發(fā)熱程度不同。

正極板發(fā)熱量大，膨脹較嚴(yán)重，而負(fù)極板則很輕微，為了使正極板兩面均勻發(fā)生同樣的化學(xué)變化，膨脹程度均衡，防止極板發(fā)生彎曲和折斷現(xiàn)象，所以要多一片負(fù)極板。外層負(fù)極板雖然僅一面發(fā)生化學(xué)變化，但因其發(fā)熱量很小不致變形和斷裂。

隔板的作用是把正、負(fù)極板隔開，防止極板短路。隔板用材料通常為木質(zhì)、玻璃、硬橡膠等。隔板做成一面有溝槽、一面平滑。

二、鉛-銻電池

鉛-銻電池可承受深度放電，但因?yàn)樗纳⒋?，需要定期維護(hù)。安裝時(shí)，正負(fù)極板互相嵌合，之間插入隔板，用極板連接條將所有的正極和所有的負(fù)極分別連接，如此組裝起來，便形成單格蓄電池。單格電池中負(fù)極板的數(shù)目比正極板多一塊。不管單格蓄電池含有幾塊正極板和負(fù)極板，每個(gè)單格蓄電池均只能提供2.1V左右的電壓。

極板的數(shù)量越多，蓄電池能提供此電壓的時(shí)間越長(zhǎng)。以一個(gè)單格電池的正極邊連接另一個(gè)單格電池的負(fù)極邊的方式依次用鏈條(由鉛銻合金制成)連接。最后留出一組正負(fù)極作為蓄電池的正負(fù)極。這樣把若干個(gè)單格電池串聯(lián)起來后即構(gòu)成蓄電池。

極板厚度越薄，活性物質(zhì)的利用率就越高。容量就越高。極板面積越大，同時(shí)參與反應(yīng)的物質(zhì)就越多，容量就越大。同性極板中心距越小，蓄電池內(nèi)阻越小，容量越大。為了減少尺寸、降低內(nèi)阻，正負(fù)極板應(yīng)該盡量靠近，但為了避免互相接觸而短路。

正負(fù)極板之間用絕緣的隔板隔開。隔板是多孔性材料，化學(xué)性能穩(wěn)定，有良好的耐酸性和抗氧化性，目前對(duì)免維護(hù)鉛酸蓄電池用的是玻璃纖維紙。

正負(fù)極板用鉛合金焊接在一起組成，并裝于電池槽內(nèi)組成單體蓄電池。隔板用用來隔離正負(fù)極板，防止短路。電解液主要由純水與硫酸組成，配以一些添加劑混合而成。

主要作用:一是參與化學(xué)反應(yīng)。是蓄電池活性物質(zhì)之一；二是起導(dǎo)電作用，即蓄電池使用時(shí)通過電解液中離子遷移，起到導(dǎo)電作用，使化學(xué)反應(yīng)得以順利進(jìn)行。

安全閥是蓄電池的關(guān)鍵部件之一，它位于蓄電池底部，作用首先是密封，當(dāng)蓄電池內(nèi)壓低于安全閥的閉閥壓時(shí)安全閥關(guān)閉，防止內(nèi)部氣體酸霧往外泄露，同時(shí)也防止空氣進(jìn)入電池造成不良影響；同樣，當(dāng)蓄電池使用過程中內(nèi)部產(chǎn)生氣體氣壓達(dá)到安全閥壓時(shí)。開閥將壓力釋放，防止產(chǎn)生電池變形、破裂和蓄電池內(nèi)氧復(fù)合，水分損失等。

三、堿性蓄電池

堿性蓄電池的基本結(jié)構(gòu)與鉛酸電池相同，有極板、隔離物、外殼和電解液。堿性蓄電池按其極板材料，可分為鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池等。工作原理與鉛酸蓄電池相同，只是具體的化學(xué)反應(yīng)不同。

堿性蓄電池與鉛蓄電池相比，具有體積小、可深放電、耐過充和過放電以及適用壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

四、鎳鎘電池

鎳鎘電池以氫氧化鎳作為正極的活性物質(zhì)，以鎘和鐵的混合物作為負(fù)極的活性物質(zhì)，電解液為氫氧化鉀水溶液。相比鉛酸電池，鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn):比鉛酸蓄電池能量高；安全放電，無須超容量設(shè)計(jì)；力學(xué)性能好；

低溫性能良好；內(nèi)阻低，允許大電流輸出；允許快速充電；放電過程中電壓穩(wěn)定易于維護(hù)。缺點(diǎn)是:價(jià)格比鉛酸電池貴；電池效率低；若電池沒有完全放電，則會(huì)出現(xiàn)“記憶效應(yīng)”；鎘有毒，使用后需回收。

五、鎳氫電池

與鎳鎘電池結(jié)構(gòu)及原理均相似，不同的是梁鎘替換為儲(chǔ)氫合金電極。它的主要優(yōu)點(diǎn)是:與同體積鎳鎘電池相比，容量高；與鎘相比，采用儲(chǔ)氫合金電極，沒有重金屬鎘帶來的污染問題；具有良好的過充電和過放電性能。

六、鐵鎳蓄電池

正極采用活性鐵材料的鋼絲棉，負(fù)極采用帶活性鎳材料的鋼絲棉。它的主要優(yōu)點(diǎn)是，價(jià)格低，使用壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是，電池效率低，水耗高，內(nèi)阻大，適用溫度受限，為0℃到40℃。

電解液呈膠態(tài)的電池通常稱為膠體電池。較常用的膠體蓄電池，是硫酸電解液中添加膠凝劑，使硫酸變?yōu)槟z態(tài)。膠體電池的優(yōu)點(diǎn)是:

1.密封結(jié)構(gòu)，電解液凝膠，無滲漏；

2.充放電無酸霧、無污染；

3.容量高，與同級(jí)鉛酸蓄電池相比增加10%到20%的容量；

4.自放電小，耐存放；

5.過放電恢復(fù)性能好，大電流放電容量比鉛酸電池增加30%以上；

6.低溫性能好，滿足-30℃到50℃的啟動(dòng)要求；

7.高溫特性好且穩(wěn)定，滿足65℃甚至更高溫度環(huán)境的使用要求；

8.循環(huán)使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)800至1500比充放。

七、硅能電池

由于鉛酸蓄電池等對(duì)環(huán)境造成的污染越來越嚴(yán)重，市場(chǎng)對(duì)大容量及高效率的蓄電池的需求。推動(dòng)了蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步。硅能蓄電池用液體低碳鋼硅鹽化成液替代硫酸作為電解質(zhì)，生產(chǎn)過程不會(huì)產(chǎn)生腐蝕氣體。

實(shí)現(xiàn)了制造過程、使用過程以及廢棄物無污染。硅能蓄電池耐高寒高溫的特點(diǎn)使它即使在極端惡劣的氣候條件下依舊能正常工作。此外，硅能蓄電池的材料特性，它兼具充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

八、燃料電池

燃料電池(Fuel Cell)是一種將存在于燃料與氫氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它從外表上看有正負(fù)極和電解質(zhì)等，像一個(gè)蓄電池，但實(shí)質(zhì)上它它不能“儲(chǔ)電”而是一個(gè)“發(fā)電廠”。燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高。潔凈，無污染，噪聲低，模塊結(jié)構(gòu)性強(qiáng)。比功率高，既可以集中供電，也適合分散供電。燃料電池在數(shù)秒鐘內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。

九、銀鋅電池

銀鋅電池是由一系列圓形鋅片和銀片相互交迭而成的裝置，在每一對(duì)銀片和鋅片之間，用一種在鹽水或其他導(dǎo)電溶液中浸過的紙板隔開。銀片和鋅片是兩種不同的金屬，鹽水或其他導(dǎo)電溶液作為電解液，它們構(gòu)成了電流回路。

這是一種比較原始的電池，是由很多銀鋅電池連接而成的電池組。銀鋅蓄電池在充好電后，其正極板的活性物質(zhì)是過氧化銀(Ag2O2)，負(fù)極板的活性物質(zhì)是鋅，電解液是以氫氧化鉀為主，并配以鋅酸鹽的飽和水溶液。

放完電后，正極板的活性物質(zhì)變?yōu)殂y，負(fù)極板則變?yōu)闅溲趸\[Zn(OH)2]。放電時(shí)，在負(fù)極鋅與電解液中的氫氧根離子化合，生成氫氧化鋅，并放出兩個(gè)電子。

銀鋅蓄電池是一種堿性蓄電池，突出優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、容量大。例如15XYG-45型銀鋅蓄電池的重量只有12HK-28型電池的60%，而容量則為它的1.7倍。銀鋅蓄電池還有放電電壓平穩(wěn)和自放電小等優(yōu)點(diǎn)，銀鋅蓄電池的缺點(diǎn)是壽命短，容易產(chǎn)生內(nèi)部短路故障，而且造價(jià)很高。

十、鋰電池

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。1912年鋰金屬電池最早由Gilbert N. Lewis提出并研究。20世紀(jì)70年代時(shí)，M. S. Whittingham提出并開始研究鋰離子電池。

由于鋰金屬的化學(xué)特性非?；顫?，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對(duì)環(huán)境要求非常高。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，鋰電池已經(jīng)成為了主流。鋰電池大致可分為兩類：鋰金屬電池和鋰離子電池。鋰離子電池不含有金屬態(tài)的鋰，并且是可以充電的。

可充電電池的第五代產(chǎn)品鋰金屬電池在1996年誕生，其安全性、比容量、自放電率和性能價(jià)格比均優(yōu)于鋰離子電池。由于其自身的高技術(shù)要求限制，只有少數(shù)幾個(gè)國(guó)家的公司在生產(chǎn)這種鋰金屬電池。

鋰金屬電池：

鋰金屬電池一般是使用二氧化錳為正極材料、金屬鋰或其合金金屬為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。放電反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2

鋰離子電池：

鋰離子電池一般是使用鋰合金金屬氧化物為正極材料、石墨為負(fù)極材料、使用非水電解質(zhì)的電池。

正極

正極材料：可選的正極材料很多，目前市場(chǎng)常見的正極活性材料如:鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷鋁三元、鎳鈷錳三元等等。

正極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子嵌入，充電時(shí)鋰離子脫嵌。 充電時(shí)：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放電時(shí)：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

負(fù)極

負(fù)極材料：多采用石墨。另外鋰金屬、鋰合金、硅碳負(fù)極、氧化物負(fù)極材料等也可用于負(fù)極。

負(fù)極反應(yīng)：放電時(shí)鋰離子脫嵌，充電時(shí)鋰離子嵌入。充電時(shí)：xLi+ + xe- + 6C → LixC6

放電時(shí)：LixC6→ xLi+ + xe- + 6C。

十一、鈉離子電池

鈉離子電池（Sodium-ion battery），是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作，與鋰離子電池工作原理相似。

2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊(duì)合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展。

工作原理

在充放電過程中，Na+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫出：充電時(shí)，Na+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時(shí)則相反。

新款18650鈉離子電池，借助了鈉離子轉(zhuǎn)移（而不是鋰離子）來存儲(chǔ)和釋放電能。

鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲(chǔ)量更豐富，價(jià)格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當(dāng)對(duì)重量和能量密度要求不高時(shí)，鈉離子電池是一種劃算的替代品。

與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的優(yōu)勢(shì)有：

（1）鈉鹽原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料，原料成本降低一半；

（2）由于鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導(dǎo)率高于鋰電解液20%左右）降低成本；

（3）鈉離子不與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，可以進(jìn)一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；

（4）由于鈉離子電池?zé)o過放電特性，允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg，可與磷酸鐵鋰電池相媲美，但是其成本優(yōu)勢(shì)明顯，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。