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，分正極板和負極板兩種。

正極板上的活性物質(zhì)是二氧化鉛，呈紅色；負極板上的活性物質(zhì)是海綿狀純鉛，呈青灰色。用在獨立光伏系統(tǒng)中的電池應(yīng)是深度循環(huán)大負載類型的。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加酸水、無酸霧析出、可任意放置、搬運方便、使用清潔等優(yōu)點，近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

但是，蓄電池組的價格相對昂貴，壽命較短，一般免維護的工作壽命為五年，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，盡量延長蓄電池的壽命，可以很大程度上降低光伏系統(tǒng)的維護費用。

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、負極板上的活性物質(zhì)與電解液中的硫酸進行化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)的。

蓄電池極板分正、負極板，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，所存儲的電量少，為了增大電池容量，將正、負極板分別并聯(lián)，中間插入隔板，組成正、負極板組。

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，就成了負極板。單格電池組中，負極板要比正極板多一片。原因是在充放電時，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，膨脹較嚴重，而負極板則很輕微，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，所以要多一片負極板。外層負極板雖然僅一面發(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，但因為水耗散大，需要定期維護。安裝時，正負極板互相嵌合，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極板，每個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間越長。以一個單格電池的正極邊連接另一個單格電池的負極邊的方式依次用鏈條(由鉛銻合金制成)連接。最后留出一組正負極作為蓄電池的正負極。這樣把若干個單格電池串聯(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，正負極板應(yīng)該盡量靠近，但為了避免互相接觸而短路。

正負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，目前對免維護鉛酸蓄電池用的是玻璃纖維紙。

正負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安全閥關(guān)閉，防止內(nèi)部氣體酸霧往外泄露，同時也防止空氣進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)生氣體氣壓達到安全閥壓時。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、維護簡單等優(yōu)點。

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:比鉛酸蓄電池能量高；安全放電，無須超容量設(shè)計；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。缺點是:價格比鉛酸電池貴；電池效率低；若電池沒有完全放電，則會出現(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氫合金電極。它的主要優(yōu)點是:與同體積鎳鎘電池相比，容量高；與鎘相比，采用儲氫合金電極，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，負極采用帶活性鎳材料的鋼絲棉。它的主要優(yōu)點是，價格低，使用壽命長。缺點是，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，可達800至1500比充放。

七、硅能電池

由于鉛酸蓄電池等對環(huán)境造成的污染越來越嚴重，市場對大容量及高效率的蓄電池的需求。推動了蓄電池技術(shù)的不斷發(fā)展與進步。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)過程不會產(chǎn)生腐蝕氣體。

實現(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，它兼具充電時間短、使用壽命長的特點。

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極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它它不能“儲電”而是一個“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。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，負極板則變?yōu)闅溲趸\[Zn(OH)2]。放電時，在負極鋅與電解液中的氫氧根離子化合，生成氫氧化鋅，并放出兩個電子。

銀鋅蓄電池是一種堿性蓄電池，突出優(yōu)點是體積小、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，銀鋅蓄電池的缺點是壽命短，容易產(chǎn)生內(nèi)部短路故障，而且造價很高。

十、鋰電池

鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為正/負極材料、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70年代時，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?；顫姡沟娩嚱饘俚募庸?、保存、使用，對環(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)幾個國家的公司在生產(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)：放電時鋰離子嵌入，充電時鋰離子脫嵌。 充電時：LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe-放電時：Li1-xFePO4 + xLi+ + xe- → LiFePO4。

負極

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

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

放電時：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極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。

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

工作原理

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

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，相較于鋰鹽而言儲量更豐富，價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當(dāng)對重量和能量密度要求不高時，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)勢有：

（1）鈉鹽原材料儲量豐富，價格低廉，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，負極可采用鋁箔作為集流體，可以進一步降低成本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)勢明顯，有望在大規(guī)模儲能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。