助聽器電池的儲存方法？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-19 10:56
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原則上，電池在存儲過程中均會損耗能量。雖然有些電池的存儲時間比其他電池要長。電池本身內(nèi)在固有的電化學(xué)系統(tǒng)逐步損耗電池的能量，這個過程稱為自放電現(xiàn)象。該過程與電解液中正極的材料屬性有關(guān)，與它的熱動力的不穩(wěn)定性有關(guān)。自放電現(xiàn)象在可充電電池中的比率較在不可充電電池中要高?？沙潆婋姵卦谑覝刂械淖苑烹娨话闶牵?5%～25%）/每月，太陽能電池的每月自放電率比較低，約10%。該現(xiàn)象在不可充電電池中極低，室溫中每年低于2%，但是這個值會受到許多因素的影響。在所有環(huán)境因素中，溫度是最大的影響因素。這與發(fā)生在電極/電解質(zhì)界面的溫度依賴的電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，那里可以認(rèn)為是電池的心臟。溫度下降，電極的反應(yīng)率也隨之下降，電流減小。使用時，逐步恢復(fù)至室溫需要耗費(fèi)大量的能量。溫度上升，電極的反應(yīng)率也隨之上升，電流增大，消耗能量。冰箱的一般溫度為0～10℃，是放電池的好地方。其次影響因素為濕度。鋅空電池的特點(diǎn)是直接與周圍大氣相連，如果相對濕度太低，電池中的電解質(zhì)會慢慢變干；相對濕度太高，系統(tǒng)會存儲水分，這兩者都與鋅空電池的性能相背。如果把電池存儲在冰箱里，不要忘了，冰箱同時也提供了一個低濕度的環(huán)境，這就像放在冰箱中沒有加蓋的食物一樣，食物會逐漸失水，慢慢變干。所以最好先把電池放入抗蒸發(fā)的包裝里。
提起儲能電池，我們電動汽車行業(yè)的小伙伴默認(rèn)就是鋰電池，其實(shí)，在鋰電池之外，還有許多種類的儲能形式存在，即使是具體到動力電池，用來或者說曾經(jīng)用來驅(qū)動汽車的電池也不止一種兩種。這是一篇匯總了超過十種儲能媒介的綜述，選擇翻譯它，主要就是太全面?！?Review of energy storage systems for electric vehicle applications Issues and challenges》，作者M(jìn).A. Hannana等人。把今天的內(nèi)容與前面兩天的內(nèi)容匯總到一起，4.4節(jié)以后是今天的最新內(nèi)容。
概述
電動汽車（EV）技術(shù)解決了減少溫室氣體排放的問題。電動汽車的概念側(cè)重于替代能源的利用。然而，電動汽車系統(tǒng)目前在能源存儲系統(tǒng)（ESS）方面面臨安全、尺寸、成本和整體管理問題多個方面的挑戰(zhàn)。此外，先進(jìn)的電力電子技術(shù)在ESS中的應(yīng)用，是提高EV性能的另外一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文回顧ESS技術(shù)，分類，特性，結(jié)構(gòu)，電力轉(zhuǎn)換，以及在EV上應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。此外，本文討論的各種類型的電池，根據(jù)它們的能量存儲機(jī)理，材料組成，基于其容量的一般電力輸送過程和整體的ESS系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)和預(yù)期壽命。本文綜述了下一代電動汽車應(yīng)用中ESS技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的諸多因素，挑戰(zhàn)和問題。
1 介紹
通過確保適當(dāng)利用先進(jìn)技術(shù)，世界正在走向發(fā)展。許多發(fā)展中國家和欠發(fā)達(dá)國家正在爭相實(shí)現(xiàn)發(fā)達(dá)國家的技術(shù)進(jìn)步。解決公民的交通需求象征著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)增長的進(jìn)一步發(fā)展。全球流動性和許多城市的發(fā)展明顯地增加了車輛在道路上行駛的數(shù)量。根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，從1990年到2014年銷售約295.57百萬輛汽車，2014年銷售總額的31.70％。預(yù)計2015年銷量增長3％[1]。
車輛數(shù)量的增長已經(jīng)導(dǎo)致兩個主要問題，即，交通擁堵和二氧化碳（CO2）的排放過量。一般來說，常規(guī)車輛在消耗大約總?cè)剂夏芰?5％[2,3]，其余以CO2，一氧化碳，氮氧化物，碳?xì)浠衔?，水和其他溫室氣體（GHG）的形式消散熱量; 總氣體排放量的83.7％為CO2 [4] 。CO2排放量，從1990年的227億噸急劇增加至2013的 352.7億噸[5]中，如圖1所示。隨著CO2從1990年開始的緩慢上升，見于圖1，在未來十年，該增長率從2003年至2008年逐年加快。在2013年，排放量減小至3.80-2.00％。二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的溫室氣體之一，這是一個嚴(yán)重的全球環(huán)境問題。
脫碳在減少二氧化碳運(yùn)輸部門的排放量，具有重要作用。對化石燃料驅(qū)動車輛的內(nèi)燃機(jī)的改進(jìn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到CO2 排放目標(biāo)。因此，需要先進(jìn)技術(shù)才能達(dá)到長期和更高的排放目標(biāo)。CO2和其他溫室氣體排放量的減少，是許多國家和研究的重要問題。許多國家和地區(qū)獨(dú)自或聯(lián)合通過了計劃，通過電動車輛（EV）代替常規(guī)的內(nèi)燃機(jī)車輛的方式減少CO2的排放[6,7] 。減排計劃已經(jīng)設(shè)定了未來幾十年的溫室氣體排放目標(biāo)[4]。電動汽車具有高效率和低排放甚至零排放的優(yōu)點(diǎn)，因而吸引了各方的關(guān)注。 [8]。
圖 1. 運(yùn)輸二氧化碳（CO 2）排放量[5]
電動汽車將電力儲存在電化學(xué)電池，燃料電池（FC）和超級電容器（UCs）中運(yùn)行，其最終電力來源包括發(fā)電廠和可再生能源。根據(jù)動力來源不同，電動汽車有幾種類型，如混合動力電動汽車（HEV），純電動汽車（BEV），插電式混合動力電動汽車，光伏電動汽車和燃料電池電動汽車[9，10]。不同于傳統(tǒng)的車輛，電動汽車使用一個或多個動力電源和電動機(jī)[10,11]。電動汽車中使用再生制動和熱電發(fā)電機(jī)，以減少能源浪費(fèi)。車輛的制動過程吸收其能量，將其轉(zhuǎn)換回電能，并將能量返回到電池，而熱電發(fā)電機(jī)將熱量從發(fā)動機(jī)和機(jī)器系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換為電力[3,11,12]。電動汽車電動機(jī)通常不需要使用傳統(tǒng)的變速箱，并且在很寬的速度范圍內(nèi)具有高轉(zhuǎn)矩。此外，電動汽車在靜止時不消耗任何動力[13]，在運(yùn)行時消耗75％以上的能量。目前，電動汽車平均使用1千瓦時電量續(xù)航4~8英里[3] 。
電動車是高度依賴于能量存儲技術(shù)，例如 FC和UCS [3,14 - 16] ，它需要從電網(wǎng)充電。電動汽車的額外能源需求是普通電網(wǎng)的新挑戰(zhàn)。為了滿足額外的電力需求，大多數(shù)國家正在投資可再生能源，如太陽能和風(fēng)能 [16] 。 車輛自身的可再生能源和存儲的能源可以在用電高峰期間給大電網(wǎng)供電 （ V2G ） ， 在用電低谷期間從大電網(wǎng)充電恢復(fù)動力性能 [17-19]。存儲在電池系統(tǒng)和其他存儲系統(tǒng)中的電能被用于操作電動機(jī)和附件以及車輛的基本系統(tǒng) [20] 。VE上的電池存儲能量，除了用于驅(qū)動電機(jī)，還同時給車輛附件供電。車輛的續(xù)航和功率性能完全取決于電池的性能 [3,14 - 16] 。
電動汽車中的電能存儲需要考慮許多要求。管理系統(tǒng)，電力電子接口，電源轉(zhuǎn)換，安全和防護(hù)對提高能量效率和實(shí)現(xiàn)EV分布式管理都非常重要 [21-25] 。電動汽車需要高科技提供長途續(xù)航和高能量使用效率。能源的選擇和管理，能量儲存和儲能管理系統(tǒng)對未來電動汽車技術(shù)至關(guān)重要[23]。
能量儲存系統(tǒng)（ESS）正在成為電力市場中的重要一環(huán)，提高可再生能源的比例，減少二氧化碳排放量[4,5,8] ，重新定義智能電網(wǎng)概念[26-29] 。ESS對整個電力系統(tǒng)具有重要影響; 它提供了連續(xù)和靈活的電源供給并提高電網(wǎng)應(yīng)對不可控的額外功率波峰的出現(xiàn)。此外，ESS確保了因自然災(zāi)害造成的電力危機(jī)期間，仍然能夠為消費(fèi)者提供可靠的服務(wù) [30]。
本文側(cè)重于ESS制造，利用，回收和處理過程中的環(huán)境和安全問題。不同類型的能量存儲技術(shù)按照發(fā)電過程，特點(diǎn)，以及在電動汽車上的應(yīng)用進(jìn)行一一解釋。分析比較現(xiàn)有的電化學(xué)儲能單元的特征。
ESS系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)與應(yīng)用該系統(tǒng)的場景及具體參數(shù)有關(guān)。ESS包括機(jī)械的，電化學(xué)的，化學(xué)的，電的，熱的和混合的等各種類型[30] 。這些系統(tǒng)按照結(jié)構(gòu)和組成的材料成分分類[14,30] 。圖3展示了儲能介質(zhì)的詳細(xì)分類，其中能夠應(yīng)用于EV的類型，涂成灰色。飛輪，二次電化學(xué)電池，F(xiàn)C，UC，超導(dǎo)磁線圈和混合ESS通常用于EV動力系統(tǒng)[9,10,14 - 16,23,30 -33]。
機(jī)械存儲系統(tǒng)（MSS）通常用于發(fā)電過程。三個典型的機(jī)械儲能系統(tǒng)包括抽水蓄能（PHS），壓縮空氣儲能（CAES），以及飛輪儲能（FES）。應(yīng)用最廣的MSS是PHS，用于抽水電站。在水量大的季節(jié)，將一部分水泵送到高處，儲存水勢能，利用水自高而低的勢能，帶動渦輪機(jī)發(fā)電。這個存儲系統(tǒng)貢獻(xiàn)了世界大約99％的電力存儲容量，大約是全球發(fā)電容量的3％ [34]。CAES，壓縮空氣與天然氣混合，膨脹，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成混合氣體，輸送到燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電力 [35] 。CAES的實(shí)時需要等溫、絕熱和非絕熱儲存系統(tǒng) [33]。CAES適用于大容量電力生產(chǎn)。
由于電力電子和材料工程的進(jìn)步，飛輪儲能系統(tǒng)（FES）適用于電動汽車和動力系統(tǒng)[36]。能量效率在90-95％和功率規(guī)模0-50 MW [36 - 43] 。飛輪系統(tǒng)包括在腔室中旋轉(zhuǎn)的圓柱形本體，聯(lián)接軸承，以及能量傳遞裝置，發(fā)電機(jī)/電動機(jī)一起安裝在一個共同的軸上[15,30,36,37] 。保持飛輪不斷旋轉(zhuǎn)的能量被轉(zhuǎn)換成推動傳動裝置的電能。
其中E是動能，I是慣性矩，ω，m和r分別是飛輪的速度，質(zhì)量和半徑。
從公式（1）可以看出，該能量可以通過增加飛輪的慣性或轉(zhuǎn)速增加。FES系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是高的能量和功率密度，理論上無限的充電和放電循環(huán)，成本低，壽命長，并且沒有放電（DOD）的深度影響 [33,36,37] 。但是，由于風(fēng)阻和軸承摩擦損失，F(xiàn)ES具有很高的自放電特性。FES可以分成高速和低速系統(tǒng)[36 - 39]。高速FES系統(tǒng)通過發(fā)電機(jī)傳輸能量來驅(qū)動負(fù)載，而低速FES系統(tǒng)通過電機(jī)接收來自電源的電能。先進(jìn)的材料技術(shù)、設(shè)計、幾何形狀、構(gòu)建先進(jìn)的超高速飛輪（UHSF）和無摩擦軸承[36 - 39]，F(xiàn)ES系統(tǒng)被應(yīng)用于混合動力電動汽車的儲能應(yīng)用[40-43]。
3.2 電化學(xué)儲存系統(tǒng)
所有傳統(tǒng)的可再充電電池都屬于電化學(xué)存儲系統(tǒng)（EcSSs）[44]，特別地指，液流電池（ FB ）和次級充電電池 EcSSs 。在 EcSSs ，能量從電到化學(xué)能 ， 反過來再從化學(xué)能到電能，能量效率高，物理變化小[44] 。但是，化學(xué) 反應(yīng)可能會 損耗電池壽命，消耗部分能量 [45] 充放電過程 ，沒有 有害的輻射和維護(hù)工作量小[46]。
3.2.1 液流電池（FB）
FB是可充電的，在FB中，能量儲存在電活性物質(zhì)中。電活性物質(zhì)溶解在罐中的液體電解質(zhì)中，通過電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再將液體泵出反應(yīng)室。氧化還原流（RFB）和混合流（HFB）是FB的具體實(shí)施方式[30] 。 RFB 罐的總大小 反應(yīng)出電池的總能量的多少[30] 。
RFB表現(xiàn)出高的生命周期穩(wěn)定性，高效率，靈活 的功率和容量要求 ，這使 液流電池在自主 和獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用[47] 。圖5 顯示了 釩RFB（VRFB）的 結(jié)構(gòu)[47]。在VRFBs中，兩種液體帶有溶解的金屬離子的電解質(zhì)被泵送到電池塔里面反應(yīng)。多孔電極，稱為陰極和陽極，通過膜分離彼此分隔，電能傳遞過程，只允許質(zhì)子通過隔膜。在充電時，活性物質(zhì)在電極表面反應(yīng)產(chǎn)生電流；放電期間，溶解的活性物質(zhì)從反應(yīng)罐提供電荷給電極 [30] 。RFB的典型實(shí)例是鐵-鈦，鐵-鉻，以及聚S-溴系統(tǒng) [48 - 50] 。參考文獻(xiàn)提供了幾種RFB模型[48 -50] 。
HFB有兩個富于活性物質(zhì)的部分; 一個存儲在電池中，另一個留在槽中的液體電解質(zhì)中。HFB電池是二次電池（SB）和RFB的組合。在RFB中，容量是通過電化學(xué)電池的尺寸定義。HFB遵循Zn-Ce和Zn-Br體系特性。在充電時，鋅被沉積在電極上，并在放電過程中，鋅離子流回到溶液[30] 。FB預(yù)期壽命15-20年，4 – 10h放電范圍，和60 -70％E FFI ciency 效率范圍[51]。目前，RFB和HFB正在設(shè)計用于社區(qū)能源存儲和公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用的電力存儲，用于提高電能質(zhì)量，UPS，調(diào)峰，增加供電安全以及與可再生能源系統(tǒng)集成[52,53 ]。
3.2.2 二次（可充電）電池
SBs主導(dǎo)著便攜式儲能設(shè)備市場，電動汽車和其他電力和電子應(yīng)用。這些電池以化學(xué)能的形式儲存電力，并通過電化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生電力[30]。通常，SB由兩個電極組成，即陽極和陰極; 電解質(zhì)、隔膜 和一個外殼[24,32,53]。SB具有良好的特性，如高能量，高功率密度，平坦的放電曲線，低電阻，無記憶，和寬范圍的溫度性能[24] 。但是，大多數(shù)電池含有有毒物質(zhì)。因此，電池處置過程中的生態(tài)影響必須考慮[54]。由于其先進(jìn)的技術(shù)和合理的成本，在EV應(yīng)用中，主要由蓄電池提供具有高能量密度，高功率密度的蓄電系統(tǒng) [55-58] 。各種類型的電動車主要包括鉛酸（LA），鎳基（Ni-Fe，Ni-Zn，Ni-Cd，Ni-MH，Ni-H 2），鋅 - 鹵素（Zn-Cl 2，Zn-Br 2），金屬空氣基（Fe-Air，Al-Air，Zn-Air），鈉-β（Na-S，Na-NiCl 2），高溫鋰（Li-Al-FeS ，Li-Al-FeS 2）和一般環(huán)境鋰[鋰聚合物（鋰聚合物），鋰離子（鋰離子）]電池[14,30,45]。
3.2.2.1 鉛酸電池。自1860年以來，鉛酸電池一直被用作商業(yè)能源 [45]。LA電池常見的用法是每臺內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛起動電源，由于其堅固耐用，運(yùn)行安全，溫度耐受性好和低成本，通?？捎糜趹?yīng)急電源，可再生能源儲存和電網(wǎng)調(diào)峰 [15,30]。電池由Pb作為負(fù)極，PbO2 作為正極，H2SO4 作為電解質(zhì)[14,58]。發(fā)生在LA電池中的電化學(xué)反應(yīng)，如方程 （2）。
圖6顯示了放電和充電過程中的LA化學(xué)特征。在放電期間，產(chǎn)生PbSO4，在充電時水被釋放。電池日歷壽命6 - 15年，在80％DOD最多2000的循環(huán)壽命， 70 - 90％充放電效率[14,30] 。起動點(diǎn)火（SLI）電池和UPS電池是LA電池的常見應(yīng)用，具有較小的額定電壓6V,8 V和12 V [58,59]。最近，閥控式LA（VRLA）由于其高功率，低的初始成本和快速充電能力，無需保養(yǎng)的要求[14] ，已經(jīng)成為鉛酸電池的主流。目前的研究主要集中在通過先進(jìn)VRLA電池材料，降低電池的尺寸和重量，保持高能量密度方面[60,61]。普通VRLA電池包括玻璃纖維電池（AGM）和GEL電池。
圖 6. 鉛酸電池化學(xué)：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ） LA 電池原型 [14,30] 。
AGM電池由含有玻璃纖維的電解液組成，該電解液是一種固體材料，可以吸收并容納酸液而不會泄漏。這些類型的電池體積小巧，占用空間少，抗振性比標(biāo)準(zhǔn)電池高。這種電池類型的特殊之處在于它在充電過程中將氫氣和氧氣重新結(jié)合到裝置內(nèi)部的水中，從而限制了水的損失 [45,58] 。GEL電池由凝膠態(tài)電解質(zhì)制成，其不完全固態(tài)電解質(zhì)形態(tài)，可以包含酸液而沒有泄漏。與其他電池相比，GEL電池需要較慢且可控的充電。然而，凝膠電解質(zhì)可能會出現(xiàn)氣泡問題，這可能造成電池的永久損壞 [58 - 61] 。
3.2.2.2 鎳基電池。
鎳基電池利用氫氧化鎳作為正極，負(fù)極材料。根據(jù)有多種。根據(jù)負(fù)極材料額種類不同，鎳基電池可以分為：鎳-鐵，鎳-鎘，鎳-鋅，鎳氫，和Ni-H2 [3,14,30,45,62] 。通常，在鎳基電池中，活性材料羥基氧化鎳作為正極，氫氧化鉀作為電解質(zhì)，金屬Fe/Cd/Zn，MH或H2 材料作為負(fù)極 [14]。發(fā)生在鎳基電池中的整體電化學(xué)反應(yīng)式（3）：
圖7顯示了放電和充電過程中鎳基電池的化學(xué)成分。在放電和充電時，形成Ni（OH）2 和Fe/Cd/Zn（OH）2，M可以有不同成分組成。鎳-鐵和鋅電池，之所以不太實(shí)用于電動汽車，是由于它們功率性能低，成本高，循環(huán)壽命短，和維護(hù)需求高[14] 。的Ni-Fe和Ni-Zn系電池能量效率75％左右。鎳鎘和金屬氫化物目前用于驅(qū)動電動汽車，因為它們具有很高的壽命周期（2000次或更多）和能量密度。然而，鎳鎘具有高的記憶特性，并且價格高，是LA電池的10倍以上 [14,62 -67]。雖然這種類型電芯的所有鎳基電池中全部的優(yōu)點(diǎn)，需要考慮回收問題和材料有毒性問題 [64 - 67]。與此相反，鎳氫具有低記憶效應(yīng)，微小的環(huán)境影響性，和大的工作溫度范圍[14,30,45,62] 。盡管在運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，并且需要復(fù)雜的算法和昂貴的充電器，但環(huán)境友好性和其免維護(hù)性確保了鎳氫電池比電源電池更適用于電動汽車[14] [3]。Ni-H2具有高容量率，長壽命周期，并且容忍過度充電或過度放電而不受損害。然而，這種類型電池價格昂貴，具有與H2 壓力成正比的自放電，低體積能量密度，是特別為太空探測生產(chǎn)的電源類型[45,62]。
