一、小型Ni-MH電池的現(xiàn)狀與發(fā)展方向 1.市場(chǎng)趨勢(shì) 鎳氫電池于1988年進(jìn)入實(shí)用化階段，1990年在日本開(kāi)始規(guī)模生產(chǎn)，此后產(chǎn)量成倍增加。目前在日本，三洋、松下和東芝形成了三足鼎立的局面，所占市場(chǎng)份額分別為40%、30%和20% ，生產(chǎn)能力已達(dá)到1500萬(wàn)只/月。最近報(bào)道，三洋公司出資9000萬(wàn)美元購(gòu)買(mǎi)了東芝鎳氫電池生產(chǎn)線，使三洋公司鎳氫電池的生產(chǎn)能力占日本總生產(chǎn)能力的60%以上。

 

 

從表1中可以看出，Ni-MH電池實(shí)際產(chǎn)量一直超過(guò)市場(chǎng)推測(cè)值，這表現(xiàn)了Ni-MH電池良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。我國(guó)在“863”計(jì)劃推動(dòng)下，用于信息領(lǐng)域的鎳氫電池產(chǎn)業(yè)已初步形成。目前我國(guó)小型鎳氫電池的生產(chǎn)能力已達(dá)到1.6億只/年。1998年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量已達(dá)5000萬(wàn)只。AA型鎳氫電池容量已達(dá)1600mAh，研究水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，并取得了一系列有創(chuàng)新性的技術(shù)成果。建立了一條中試示范生產(chǎn)線，兩條生產(chǎn)示范線，并帶動(dòng)了一批鎳氫電池生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展。 2.性能狀況 能量密度體積比能量：提高材料性能和增加電池內(nèi)填充密度，鎳氫電池體積能量密度從1990年的180W h/L增長(zhǎng)到1997年的360Wh/L，與鋰離子電池相當(dāng)。鎳氫電池的高比能量使其在移動(dòng)電話、筆記本電腦等領(lǐng)域內(nèi)具有非常大的競(jìng)爭(zhēng)力。

 

質(zhì)量比能量：從開(kāi)始的55Wh/kg上升到77Wh/kg，但電池的單位質(zhì)量仍然是鋰離子電池的1.5倍。目前輕型貯氫合金如V-Ni基和Mg-Ni基合金正在開(kāi)發(fā)研究之中。 電池的成本成本已降低至最初的1/3，幾乎達(dá)到了與鎳鎘電池相同及低于鋰離子電池成本的1/2。 功率特性  在保持鎳鎘電池1.5倍的能量密度前提下，放電性能從5C率提高到20C率?，F(xiàn)在，高功率鎳氫電池已經(jīng)進(jìn)入長(zhǎng)期被鎳鎘電池壟斷的電動(dòng)工具市場(chǎng)。環(huán)境保護(hù)對(duì)鎳鎘電池的限制給鎳氫電池提供了一個(gè)很好的進(jìn)軍電動(dòng)工具市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。這個(gè)市場(chǎng)大約需電池5億只/年。目前，提高M(jìn)m-Ni5基合金功率特性的研究正在進(jìn)行。高功率鎳氫電池已經(jīng)在HEVs找到了新的市場(chǎng)。 3.發(fā)展方向在小型二次電池領(lǐng)域，Ni-MH電池在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中面臨鎳鎘電池和鋰離子電池兩面夾擊。在價(jià)格方面鎳鎘電池占據(jù)優(yōu)勢(shì);在比能量方面Ni-MH電池不如鋰離子電池，在與鎳鎘電池的競(jìng)爭(zhēng)中，Ni-MH電池通過(guò)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，降低了生產(chǎn)成本，迅速取代了部分鎳鎘電池市場(chǎng)，并在近年來(lái)發(fā)展迅猛的移動(dòng)通訊、便攜式電腦領(lǐng)域站穩(wěn)腳跟。為了與鋰離子電池競(jìng)爭(zhēng)，Ni-MH 電池正在向高容量化方向發(fā)展。目前，AA電池容量已達(dá)1400～1800mAh，4/3A電池容量達(dá)到3 500～4500mAh，體積比能量達(dá)360Wh/L以上，已超過(guò)了目前鋰離子電池產(chǎn)品。表2為近年來(lái)日本東芝公司鎳氫電池容量上升情況。

 

 

 

另外，由于移動(dòng)電話繼續(xù)向小型化、低電壓趨勢(shì)發(fā)展，AAAA型Ni-MH電池產(chǎn)品現(xiàn)已問(wèn)世?？傊?，小型Ni-MH電池將朝著低成本化、高容量化、輕型化、新品種化等方向發(fā)展。

 

二、鎳氫動(dòng)力電池的現(xiàn)狀與發(fā)展方向 1.電動(dòng)車用動(dòng)力電池 發(fā)展背景除作為電子信息領(lǐng)域迫切需求的小型移動(dòng)電源外，鎳氫電池可能成為電動(dòng)車的電源之一。近年來(lái)，人們對(duì)城市空氣質(zhì)量及地球石油資源危機(jī)等問(wèn)題日趨重視，保護(hù)環(huán)境，節(jié)約能源的呼聲日益高漲，促使人們高度重視電動(dòng)車及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)、法國(guó)、中國(guó)的上海市等均相繼通過(guò)立法限制燃油車，大力發(fā)展電動(dòng)車。受國(guó)情影響，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本等國(guó)家開(kāi)發(fā)的電動(dòng)車以電動(dòng)汽車為主，同時(shí)包含一部分電動(dòng)摩托車和電動(dòng)自行車;發(fā)展中國(guó)家尤其是中國(guó)內(nèi)地以及中國(guó)的臺(tái)灣 、香港地區(qū)，近期的電動(dòng)車市場(chǎng)主要為電動(dòng)摩托車和電動(dòng)自行車。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)已有200家 公司、企業(yè)著手小型電動(dòng)車的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，同時(shí)，部分單位開(kāi)展了電動(dòng)汽車的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。迄今為止，制約整個(gè)電動(dòng)車行業(yè)發(fā)展的主要因素是電動(dòng)車用電池。從20世紀(jì)90年代初，日本 、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家紛紛制定了相應(yīng)的電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池發(fā)展計(jì)劃，如美國(guó)能源部(DOE)、國(guó)家電源研究所與通用、克萊斯勒、福特三大汽車公司組成的先進(jìn)電池聯(lián)合體(USABC)于1991年底簽定一項(xiàng)協(xié)定，計(jì)劃在4年中投資262億美元用于電動(dòng)車電池的開(kāi)發(fā)，現(xiàn)第一階段的合同已完成，其中以Ni-MH動(dòng)力電池為中期發(fā)展目標(biāo)的DOE-USABC計(jì)劃指標(biāo)基本達(dá)到，1997年底，GM-Ovonic公司已開(kāi)始批量生產(chǎn)Ni-MH動(dòng)力電池，并裝備了30輛Chevy S-10電 動(dòng)汽車進(jìn)行試車運(yùn)行;1998年該公司又進(jìn)一步擴(kuò)大了Ni-MH動(dòng)力電池的年產(chǎn)量，日本政府也 有一個(gè)由11家公司參加的投資近16億美元的計(jì)劃，開(kāi)發(fā)電動(dòng)車用蓄電池。

 

根據(jù)美國(guó)USABC和日本公司對(duì)各種電動(dòng)車用電池的性能以及發(fā)展?jié)摿Ρ容^論證，綜合考慮電池的可靠性、安全性、電池材料的資源與環(huán)境問(wèn)題以及電池性能的發(fā)展趨勢(shì)，確定鎳氫電池是近期和中期電動(dòng)車用首選動(dòng)力電池。 電池的開(kāi)發(fā)研究狀況 美國(guó)Ovonic公司開(kāi)發(fā)了從20Ah至150Ah系列高能方形密封鎳氫電池(吸氫合金為AB2系)，電池能量密度可達(dá)70～90Wh/kg，已在電動(dòng)助力車、摩托車、工具車和4人座轎車上試用。另外 ，美國(guó)Ovonic公司與通用公司合作開(kāi)發(fā)的HEV-20(20Ah)、HEV-30(30Ah)、HEV-60(60Ah) ，均為方形密封高功率型電池。 日本松下公司開(kāi)發(fā)了HEV-6.5電池(6.5Ah)，其功率密度高達(dá)500W/kg。 1996年松下與豐田合作推出EV-95(容量100Ah)電池用于RAV電動(dòng)車，一次充電可行駛215km ，最高時(shí)速125km;松下、湯淺、東北電力/古河公司分別推出電動(dòng)汽車用95～100Ah方型鎳氫電池;1999年日本研制的高能型鎳氫動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)一輛四輪5座電動(dòng)轎車，一次充電行駛距離達(dá)500km，平均時(shí)速100km，將于6月份進(jìn)行2萬(wàn)km的環(huán)球旅行。1998年“京都新聞”報(bào)道日本蓄電池公司首次推出電動(dòng)汽車用100Ah鎳氫圓柱型電池，輸出功率達(dá)200W/kg。電池直徑 57mm，高230mm，耐壓能力是方型電池的5倍。該電池可能成為EV的候選電池之一;松下、湯 淺、古河公司分別推出電動(dòng)汽車用95～100Ah方形Ni-MH電池;1999年3月，三洋公司將D型7Ah Ni-MH電池用于電動(dòng)助力自行車，投放市場(chǎng)5000輛。表4為松下電動(dòng)車用鎳氫電池的主要性能指標(biāo)。

 

德國(guó)Varta公司開(kāi)發(fā)的HEV-10(10Ah)電池，其能量密度為50～70Wh/kg，功率密度為500W/kg 。法國(guó)Saft公司開(kāi)發(fā)研制的電池，容量為100Ah，電池能量密度在50～70Wh/kg之間。我國(guó)的北京有色金屬研究總院早在20世紀(jì)80年代末就對(duì)電動(dòng)車用Ni-MH動(dòng)力電 池及其相關(guān)材料進(jìn)行了大量研究，1993年成功運(yùn)行由0.84kWh(35Ah，24V)動(dòng)力電池組帶動(dòng)的電動(dòng)三輪車;1996年又運(yùn)用14.4kWh(120Ah，120V)電池組，在國(guó)內(nèi)首次成功驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車。 在國(guó)家“863”計(jì)劃支持下，開(kāi)展了系列密封Ni-MH動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)工作，電池比能量均達(dá)到50～70Wh/kg。我國(guó)開(kāi)發(fā)的系列小型圓柱型動(dòng)力電池已裝配電動(dòng)助力車投放市場(chǎng)。 開(kāi)發(fā)動(dòng)向及趨勢(shì) 　　大容量(高比能型)Ni-MH動(dòng)力電池仍占據(jù)重要地位，它主要用于純電動(dòng)汽車(EVs)。雖然純動(dòng)汽車目前離商品化 還有一段距離，但各國(guó)都投入大量的財(cái)力、物力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。其中美國(guó)的Ovonic、法國(guó)的Saft、德國(guó)的Varta、日本的古河、湯淺、松下等公司在此方面開(kāi)展工作較多，表5為國(guó)外幾家公司研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的電動(dòng)車用大容量Ni-MH動(dòng)力電池的性能情況。目前，美國(guó)Ovonic公司已與通用公司、日本松下已與豐田公司合作計(jì)劃實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車用Ni-MH 動(dòng)力電池的產(chǎn)業(yè)化。 表5 電動(dòng)車用大容量Ni-MH動(dòng)力電池性能情況對(duì)比 公司名稱 電池容量/Ah 電壓/V 電池尺寸/mm 電池比能量/Wh·kg-1

 

 

混合型電動(dòng)車(HEV)的發(fā)展促進(jìn)了高功率Ni-MH動(dòng)力電池的發(fā)展。混合型電動(dòng)車被認(rèn)為是目前最實(shí)用、最具有前景的清潔車型。日本松下與豐田合資生產(chǎn)的混合型電動(dòng)汽車采用1.4L高效發(fā)動(dòng)機(jī)，6.5Ah電池240只串聯(lián)，電池組總重40kg，耗油下降1倍，行程700多公里，排污為汽油機(jī)的1/20。該混合型電動(dòng)汽車于1997年上市，現(xiàn)月產(chǎn)5000輛，售價(jià)每輛215萬(wàn)日元。據(jù)估計(jì)到2010年，將生產(chǎn)150萬(wàn)輛電動(dòng)汽車，其中95%將為混合型電動(dòng)汽車。美國(guó)能源部調(diào)查結(jié)果也表明，HEV將成為市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。估計(jì)2020年HEV將占世界汽車總數(shù)的50%。據(jù)日 本野村綜合研究所分析，鎳氫電池由于技術(shù)成熟，今后5年內(nèi)(2005年前)，HEV所用電池將以鎳氫電池為主(占95%)，從2006年至2020年鋰離子電池的應(yīng)用比例將上升至40%，鎳氫電池仍將占60%，高功率Ni-MH電池成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。表6為近年來(lái)高功率型Ni-MH動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)情況。德國(guó)Varta公司也開(kāi)發(fā)了HEV-10混合型電動(dòng)車用高倍率(HP)及超高倍率(UHP)Ni-MH動(dòng)力電池，研制的電池最高比率可達(dá)800W/kg(UHP)。

 

 

為使Ni-MH動(dòng)力電池盡快步入商業(yè)化應(yīng)用，在考慮動(dòng)力電池大容量，又必須兼顧電池高功率，同時(shí)希望將現(xiàn)有成本下降1/3以上。如此綜合因素促使人們不僅在原材料及電池結(jié)構(gòu)上開(kāi)展大量艱苦的研究工作，同時(shí)也在不斷探求能否以更加新型的方式研制出新型的Ni-MH動(dòng) 力電池。目前美國(guó)能源公司開(kāi)發(fā)了一種用于電動(dòng)車的雙極型Ni-MH動(dòng)力電池。這種電池成本為158美元/kWh ，批量生產(chǎn)后還可以進(jìn)一步降低，而且該電池具有優(yōu)良的高倍率放電特性，同時(shí)壽命長(zhǎng)、不漏液。近年來(lái)我國(guó)研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)是電動(dòng)自行車用Ni-MH動(dòng)力電池。由于我國(guó)是自行車生產(chǎn)大國(guó)， 自行車的保有量上億輛，若其中10%能成為電動(dòng)自行車，對(duì)電池的需求量將十分可觀，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮?。目前，由于成本及技術(shù)成熟度等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)研制的電動(dòng)助力車采用的動(dòng)力電池大多為鉛酸電池和鎳鎘電池，進(jìn)一步降低鎳氫電池的成本及提高電池性能的穩(wěn)定性，才能迅速搶占此巨大市場(chǎng)。 2.電動(dòng)工具用動(dòng)力電池動(dòng)工具市場(chǎng)長(zhǎng)期以來(lái)被具有高倍率放電特性的鎳鎘電池壟斷。由于該電池負(fù)極材料鎘有劇毒，對(duì)環(huán)境造成污染，世界各國(guó)將禁止使用。由于電動(dòng)工具市場(chǎng)的龐大，大約需電池5億只/年，因此世界各國(guó)都在致力于開(kāi)發(fā)電動(dòng)工具用鎳鎘電池的替代品。綠色環(huán)保型鎳氫電池與鎳鎘電池具有互換性，且容量密度是其1.5倍以上。隨著Ni-MH電池制備技術(shù)的日益成熟 ，其高功率特性也得到很大提高。所以，電動(dòng)工具電池市場(chǎng)不久的將來(lái)會(huì)被鎳氫電池所擠占 。目前，日本松下推出HHRSc 300P 3500mAh鎳氫電池性能將是鎳鎘電池電動(dòng)工具市場(chǎng)的取代品 。美國(guó)發(fā)展了SC型電池，容量可達(dá)到2.2～2.4Ah，且能在10～20C率放電，因此已進(jìn)入電動(dòng)工具市場(chǎng)，逐步取代高功率鎳鎘電池。永備公司的2.2Ah Ni-MH電池已實(shí)用化，它比鎳鎘電池在電動(dòng)工具中的工作能力有顯著提高。德國(guó)Varta公司也開(kāi)發(fā)了用于電動(dòng)工具的超高功率型(UHP)Ni-MH電池。我國(guó)的天津津川公司、江蘇海四達(dá)、廣東佳力等開(kāi)發(fā) 出電動(dòng)工具用高倍率放電的Ni-MH電池，并已開(kāi)始投放市場(chǎng)。 中國(guó)電動(dòng)工具生產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的30%。而且每年對(duì)歐美均有大量的出口。2003年歐洲不再允許使用鎳鎘電池，這給鎳氫電池提供了一個(gè)良好機(jī)會(huì)。目前世界各國(guó)Sc、C、D型電池由于熱平衡問(wèn)題均未得到很好解決，因此生產(chǎn)規(guī)模均未形成。我們必須抓住這一大好時(shí)機(jī)，抓緊高功率Ni-MH電池的研制，才能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取得有利地位

 

三、鎳氫電池領(lǐng)域的主要技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究低成本、高性能、高穩(wěn)定性貯氫合金材料，使其對(duì)提高比能量和比功率有明顯作用。如低鈷廉價(jià)動(dòng)力電池用貯氫合金的研制，以及準(zhǔn)快速冷凝貯氫合金生產(chǎn)新工藝的研究研究高表面導(dǎo)電性Ni(OH)2材料如表面鍍Co(OH)2技術(shù)，進(jìn)一步提高正極的利用率和高倍率放電性能。目前，我國(guó)研制的覆鉛球型Ni(OH)2、5C放電容量超過(guò)國(guó)標(biāo)高倍率放電容量標(biāo)準(zhǔn)的15%;清華大學(xué)研制的球型a Ni(OH)2，放電電壓幾乎100%都在1.2V以上。隨著市場(chǎng)的需求，新型綠色環(huán)保型鎳氫電池正朝著高容量、小型化、高功率方向發(fā)展。鎳氫電池產(chǎn)業(yè)將成為21世紀(jì)能源領(lǐng)域的重大產(chǎn)業(yè)之一。鎳氫電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可獲得城市環(huán)境的改善，使國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展;有助于移動(dòng)通訊，無(wú)污染電動(dòng)車等的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展;將帶動(dòng)上游原材料工業(yè)的發(fā)展。如為配套23億Ah的鎳氫電池產(chǎn)業(yè)，將年耗混合稀土金屬7636噸，金屬鎳22599噸，金屬鈷3882.7噸，金屬錳1725噸，金屬鋁287.5噸。建立鎳氫電池回收體系，將有利于保護(hù)環(huán)境和充分利用有色金屬資源。