镍氢电池_镍氢电池能用几年

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镍氢电池的现状与发展

程天国

摘 要：镍氢电池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加。目前在日本，三洋、松下和东芝形成了三足鼎立的局面，所占市场份额分别为40%、30%和20%，生产能力已达到1500万只/月。最近报道，三洋公司出资9000万美元购买了东芝镍氢电池生产线，使三洋公司镍氢电池的生产能力占日本总生产能力的60%以上。关键词：小型化；低电压；高容量；新品种化

1.镍氢电池的性能状况

一、能量密度

体积比能量：提高材料性能和增加电池内填充密度，镍氢电池体积能量密度从1990年的180W h/L增长到1997年的360Wh/L，与锂离子电池相当。镍氢电池的高比能量使其在移动电话、笔记本电脑等领域内具有非常大的竞争力。

质量比能量：从开始的55Wh/kg上升到77Wh/kg，但电池的单位质量仍然是锂离子电池的1.5倍。目前轻型贮氢合金如V-Ni基和Mg-Ni基合金正在开发研究之中。电池的成本

成本已降低至最初的1/3，几乎达到了与镍镉电池相同及低于锂离子电池成本的1/2。

二、功率特性

在保持镍镉电池1.5倍的能量密度前提下，放电性能从5C率提高到20C率。现在，高功率镍氢电池已经进入长期被镍镉电池垄断的电动工具市场。环境保护对镍镉电池的限制给镍氢电池提供了一个很好的进军电动工具市场的机会。这个市场大约需电池5亿只/年。目前，提高Mm-Ni5基合金功率特性的研究正在进行。高功率镍氢电池已经在HEVs找到了新的市场。

三、发展方向

在小型二次电池领域，Ni-MH电池在市场竞争中面临镍镉电池和锂离子电池两面夹击。在价格方面镍镉电池占据优势；在比能量方面Ni-MH电池不如锂离子电池，在与镍镉电池的竞争中，Ni-MH电池通过实现规模化生产，降低了生产成本，迅速取代了部分镍镉电池市场，并在近年来发展迅猛的移动通讯、便携式电脑领域站稳脚跟。为了与锂离子电池竞争，Ni-MH 电池正在向高容量化方向发展。目前，AA电池容量已达1400～1800mAh，4/3A电池容量达到3 500～4500mAh，体积比能量达360Wh/L以上，已超过了目前锂离子电池产品。表2为近年来日本东芝公司镍氢电池容量上升情况。表2 日本东芝公司镍氢电池容量上升情况(mAh)电池型号 1997年 1997～1998年 1999年

AAA 590 700 800 L-AAA 690 800 900 4/5AA 1120 13001.2V 850mAh(Lowest800mAh)

另外，由于移动电话继续向小型化、低电压趋势发展，AAAA型Ni-MH电池产品现已问世。

总之，小型Ni-MH电池将朝着低成本化、高容量化、轻型化、新品种化等方向发展。

二、镍氢动力电池的现状与发展方向

1.电动车用动力电池 发展背景

除作为电子信息领域迫切需求的小型移动电源外，镍氢电池可能成为电动车的电源之一。

近年来，人们对城市空气质量及地球石油资源危机等问题日趋重视，保护环境，节约能源的呼声日益高涨，促使人们高度重视电动车及其相关技术的发展，美国、法国、中国的上海市等均相继通过立法限制燃油车，大力发展电动车。

受国情影响，欧美等发达国家如美国、德国、法国、日本等国家开发的电动车以电动汽车为主，同时包含一部分电动摩托车和电动自行车；发展中国家尤其是中国内地以及中国的台湾、香港地区，近期的电动车市场主要为电动摩托车和电动自行车。据统计，国内已有200家 公司、企业着手小型电动车的开发、生产和应用，同时，部分单位开展了电动汽车的开发应用。

迄今为止，制约整个电动车行业发展的主要因素是电动车用电池。从20世纪90年代初，日本、美国、法国、德国等国家纷纷制定了相应的电动汽车用动力电池发展计划，如美国能源部(DOE)、国家电源研究所与通用、克莱斯勒、福特三大汽车公司组成的先进电池联合体(USABC)于1991年底签定一项协定，计划在4年中投资262亿美元用于电动车电池的开发，现第一阶段的合同已完成，其中以Ni-MH动力电池为中期发展目标的DOE-USABC计划指标基本达到，1997年底，GM-Ovonic公司已开始批量生产Ni-MH动力电池，并装备了30辆Chevy S-10电 动汽车进行试车运行；1998年该公司又进一步扩大了Ni-MH动力电池的年产量，日本政府也 有一个由11家公司参加的投资近16亿美元的计划，开发电动车用蓄电池。

根据美国USABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展潜力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性、电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，确定镍氢电池是近期和中期电动车用首选动力电池。电池的开发研究状况

美国Ovonic公司开发了从20Ah至150Ah系列高能方形密封镍氢电池(吸氢合金为AB2系)，电池能量密度可达70～90Wh/kg，已在电动助力车、摩托车、工具车和4人座轿车上试用。另外，美国Ovonic公司与通用公司合作开发的HEV-20(20Ah)、HEV-30(30Ah)、HEV-60(60Ah)，均为方形密封高功率型电池。

日本松下公司开发了HEV-6.5电池(6.5Ah)，其功率密度高达500W/kg。1996年松下与丰田合作推出EV-95(容量100Ah)电池用于RAV电动车，一次充电可行驶215km，最高时速125km；松下、汤浅、东北电力/古河公司分别推出电动汽车用95～100Ah方型镍氢电池；1999年日本研制的高能型镍氢动力电池驱动一辆四轮5座电动轿车，一次充电行驶距离达500km，平均时速100km，将于6月份进行2万km的环球旅行。1998年“京都新闻”报道日本蓄电池公司首次推出电动汽车用100Ah镍氢圆柱型电池，输出功率达200W/kg。电池直径 57mm，高230mm，耐压能力是方型电池的5倍。该电池可能成为EV的候选电池之一；松下、汤 浅、古河公司分别推出电动汽车用95～100Ah方形Ni-MH电池；1999年3月，三洋公司将D型7Ah Ni-MH电池用于电动助力自行车，投放市场5000辆。表4为松下电动车用镍氢电池的主要性能指标。表4 日本松下电动车用镍氢电池的主要技术指标 性能参数 EV-95 EV-28 HHR650D 标称电压/V 12 12 7.2 标称容量/Ah 95 28 6.5 比能量/Wh·kg-1 63 58 41

比功率(80%DOD)/Wh·kg-1 200 300 500 质量/kg 18.7 6.0 1.1

尺寸/mm 116×175×388 75×110×388 φ34×380

德国Varta公司开发的HEV-10(10Ah)电池，其能量密度为50～70Wh/kg，功率密度为500W/kg。

法国Saft公司开发研制的电池，容量为100Ah，电池能量密度在50～70Wh/kg之间。

我国的北京有色金属研究总院早在20世纪80年代末就对电动车用Ni-MH动力电 池及其相关材料进行了大量研究，1993年成功运行由0.84kWh(35Ah，24V)动力电池组带动的电动三轮车；1996年又运用14.4kWh(120Ah，120V)电池组，在国内首次成功驱动电动汽车。在国家“863”计划支持下，开展了系列密封Ni-MH动力电池的开发工作，电池比能量均达到50～70Wh/kg。我国开发的系列小型圆柱型动力电池已装配电动助力车投放市场。开发动向及趋势

大容量(高比能型)Ni-MH动力电池仍占据重要地位，它主要用于纯电动汽车(EVs)。虽然纯动汽车目前离商品化 还有一段距离，但各国都投入大量的财力、物力进行研究开发。其中美国的Ovonic、法国的Saft、德国的Varta、日本的古河、汤浅、松下等公司在此方面开展工作较多，表5为国外几家公司研究机构开发的电动车用大容量Ni-MH动力电池的性能情况。

目前，美国Ovonic公司已与通用公司、日本松下已与丰田公司合作计划实现电动车用Ni-MH 动力电池的产业化。

表5 电动车用大容量Ni-MH动力电池性能情况对比

公司名称 电池容量/Ah 电压/V 电池尺寸/mm 电池比能量/Wh·kg-1 美国Ovonic公司 100，90，50 13.2，13.2，12 412×102×179 70，70 Saft法国公司 100 12 390×120×195 60 日本古河电池公司 100 12 280×165×205 60 日本汤浅公司 97 12 388×116×175 65 日本松下电池公司 100 12 388×116×175 70

混合型电动车(HEV)的发展促进了高功率Ni-MH动力电池的发展。混合型电动车被认为是目前最实用、最具有前景的清洁车型。日本松下与丰田合资生产的混合型电动汽车采用1.4L高效发动机，6.5Ah电池240只串联，电池组总重40kg，耗油下降1倍，行程700多公里，排污为汽油机的1/20。该混合型电动汽车于1997年上市，现月产5000辆，售价每辆215万日元。据估计到2010年，将生产150万辆电动汽车，其中95%将为混合型电动汽车。美国能源部调查结果也表明，HEV将成为市场的主流产品。估计2020年HEV将占世界汽车总数的50%。据日 本野村综合研究所分析，镍氢电池由于技术成熟，今后5年内(2005年前)，HEV所用电池将以镍氢电池为主(占95%)，从2006年至2020年锂离子电池的应用比例将上升至40%，镍氢电池仍将占60%，高功率Ni-MH电池成为今后发展的趋势。表6为近年来高功率型Ni-MH动力电池的开发情况。

德国Varta公司也开发了HEV-10混合型电动车用高倍率(HP)及超高倍率(UHP)Ni-MH动力电池，研制的电池最高比率可达800W/kg(UHP)。表6 高功率Ni-MH动力电池开发概况

美国Ovonic公司(方形电池)日本National公 司(圆柱形电池)150Ah:290W/kg,800W/L 120Ah:355W/kg,1100W/L 90Ah:225W/kg,600W/L 60Ah:630W/kg,1700W/L 30Ah:600W/kg,1450W/L 20Ah:570W/kg,1600W/L 6.5Ah/1.2V:530W/kg,1820W/L 6.5Ah/7.2V:500W/kg,1730W/L

为使Ni-MH动力电池尽快步入商业化应用，在考虑动力电池大容量，又必须兼顾电池高功率，同时希望将现有成本下降1/3以上。如此综合因素促使人们不仅在原材料及电池结构上开展大量艰苦的研究工作，同时也在不断探求能否以更加新型的方式研制出新型的Ni-MH动 力电池。目前美国能源公司开发了一种用于电动车的双极型Ni-MH动力电池。这种电池成本为158美元/kWh，批量生产后还可以进一步降低，而且该电池具有优良的高倍率放电特性，同时寿命长、不漏液。

近年来我国研究开发的热点是电动自行车用Ni-MH动力电池。由于我国是自行车生产大国，自行车的保有量上亿辆，若其中10%能成为电动自行车，对电池的需求量将十分可观，市场发展潜力巨大。目前，由于成本及技术成熟度等问题，国内研制的电动助力车采用的动力电池大多为铅酸电池和镍镉电池，进一步降低镍氢电池的成本及提高电池性能的稳定性，才能迅速抢占此巨大市场。2.电动工具用动力电池

电动工具市场长期以来被具有高倍率放电特性的镍镉电池垄断。由于该电池负极材料镉有剧毒，对环境造成污染，世界各国将禁止使用。由于电动工具市场的庞大，大约需电池5亿只/年，因此世界各国都在致力于开发电动工具用镍镉电池的替代品。绿色环保型镍氢电池与镍镉电池具有互换性，且容量密度是其1.5倍以上。随着Ni-MH电池制备技术的日益成熟，其高功率特性也得到很大提高。所以，电动工具电池市场不久的将来会被镍氢电池所挤占。

目前，日本松下推出HHRSc 300P 3500mAh镍氢电池性能将是镍镉电池电动工具市场的取代品。美国发展了SC型电池，容量可达到2.2～2.4Ah，且能在10～20C率放电，因此已进入电动工具市场，逐步取代高功率镍镉电池。永备公司的2.2Ah Ni-MH电池已实用化，它比镍镉电池在电动工具中的工作能力有显著提高。德国Varta公司也开发了用于电动工具的超高功率型(UHP)Ni-MH电池。我国的天津津川公司、江苏海四达、广东佳力等开发 出电动工具用高倍率放电的Ni-MH电池，并已开始投放市场。

中国电动工具生产量占世界总产量的30%。而且每年对欧美均有大量的出口。2003年欧洲不再允许使用镍镉电池，这给镍氢电池提供了一个良好机会。目前世界各国Sc、C、D型电池由于热平衡问题均未得到很好解决，因此生产规模均未形成。我们必须抓住这一大好时机，抓紧高功率Ni-MH电池的研制，才能在市场竞争中取得有利地位

三、镍氢电池领域的主要技术发展趋势

研究低成本、高性能、高稳定性贮氢合金材料，使其对提高比能量和比功率有明显作用。如低钴廉价动力电池用贮氢合金的研制，以及准快速冷凝贮氢合金生产新工艺的研究。

研究高表面导电性Ni(OH)2材料如表面镀Co(OH)2技术，进一步提高正极的利用率和高倍率放电性能。目前，我国研制的覆铅球型Ni(OH)

2、5C放电容量超过国标高倍率放电容量标准的15%；清华大学研制的球型a Ni(OH)2，放电电压几乎100%都在1.2V以上。

随着市场的需求，新型绿色环保型镍氢电池正朝着高容量、小型化、高功率方向发展。镍氢电池产业将成为21世纪能源领域的重大产业之一。镍氢电池产业的发展可获得城市环境的改善，使国民经济可持续发展；有助于移动通讯，无污染电动车等的高新技术产业的发展；将带动上游原材料工业的发展。如为配套23亿Ah的镍氢电池产业，将年耗混合稀土金属7636吨，金属镍22599吨，金属钴3882.7吨，金属锰1725吨，金属铝287.5吨。建立镍氢电池回收体系，将有利于保护环境和充分利用有色金属资源。