电池发展历史、现状及趋势资料

3000
• MP3 players
2500
2000
• military equipment
1500
– man-pack radios – helmet-mounted image displa1y0s00
– night-vision sights
500 0
– laser range finders
– communications systems
电池发展简史
电池的历史
1946 1956 1959 1960s 1970s 1990 1991 1992 1999
Neumann: sealed NiCd Bacon: alkaline fuel cell Urry: alkaline primary battery Rechargeable NiCd Lithium, sealed lead acid Nickel metal hydride (NiMH) Lithium ion Rechargeable alkaline Lithium ion polymer
金属空气电池
金属作阳极作活性物质 Li, Mg, Zn, Al, Fe 用不完的空气作阴极活性物质
一次电池
铝空气电池
一次电池
锌空气电池
二次电池
二次电池
阀控式铅酸电池
二次电池
Ni-MH电池
Alloy (H) + OH- Alloy + H2O + eNiOOH + H2O + e- Ni(OH)2 + OH-
2CO + 2CO32- 4CO2 + 4e-
SOFC
2H2 + 2O2-
2H2O + 4eor
2CO + 2O2- 2CO2 + 4eor
½ CH4 + 2O2- ½ CO2 + H2O + 4e-
Li2CO3 + K2CO3 in LiAlO2 CO32-
YSZ O2-
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O O2 + 4H+ + 4e- 2H2O O2 + 2CO2 + 4e- 2CO32-
电池发展简史
1980年代前后
1980年代，电池工业被认为已相当 成熟，无太多的发展空间
最近二十年，新型电池层出不穷 ❖ 传统电池的性能显著的改善 ❖ 新概念电池发明
电池的定义、特点和应用价值
定义
电池是将化学能转化成电能的一种装置
电池的定义、特点和应用价值
电活性物质
Most wants to reduce (gain electrons)
Hybrid systems preferred ( with batteries / supercapacitors )
GM Sequel
Secondary battery
Fuel cell Power control unit Motor
Toyota FCHV
DaimlerChrysler FC Bus
1 MW power plant 5 × 200 kW units Anchorage, Alaska ( UTC )
PEMFC systems
• trials with 250 kW units • 80 – 90 °C • operates on pure hydrogen • efficiency 40 – 60% • responsive to load changes • fast start-up time ( < 6 min )
电池的定义、特点和应用价值
电池发电的特点
能量转化效率高 无噪音 操作方便 ……
电池的定义、特点和应用价值
电池为人类带来了极大的便利
最早的手提电话： 第一部手提电话重量为9.8kg 1982年，Nokia 现在的大多数手提电话重量小于100g
电池的定义、特点和应用价值
新世纪更需要电池
(Siemens Westinghouse )
混合动力电源
Principal difficulties with fuel cell vehicles
Fuel
• availability and supply • compact and lightweight storage
Vehicle requirements
Oxygen Water
Fuel cell
未来的环境
谢谢！
电池发展历史、现状及趋势
李伟善
主要内容
电池发展简史 电池的定义、特点和作用 一次电池 二次电池 电化学电容器 燃料电池
电池发展简史
Baghdad 电池
2200年前… …
电池发展简史
主要电池的发明时间
-2200 Baghdad battery 1800 Voltaic pile: silver zinc 1836 Daniell cell: copper zinc 1838 Grove: principle of air cell 1859 Planté: lead-acid cell 1868 Leclanché: carbon zinc wet cell 1888 Gassner: carbon zinc dry cell 1899 Junger: nickel cadmium cell
• efficiency 45 – 50 %
• slow response to load changes (best for base-load)
• difficult materials science problems
220 kW SOFC–gas turbine system
• slow start-up ( 1 – 5 h )
Gold Mercury Silver Copper Lead Nickel Cadmium
Iron Zinc Aluminum Magnesium Sodium Potassium
Lithium
Most wants to oxidize (lose electrons)
PEMFC
2H2 4H+ + 4e-
Polymer H+
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
DMFC
⅔ CH3OH + ⅔ H2O ⅔ CO2 + 4H+ + 4e-
PAFC
2H2 4H+ + 4e-
Acid or polymer
H+ H3PO4
H+
MCFC
2H2 + 2CO32- 2CO2 + 2H2O + 4eor
二次电池
锌镍电池
二次电池
锂离子电池
二次电池
锂离子电池
二次电池
二次电池
锂电池材料
二次电池
聚合物
干聚合物
聚合物－凝胶
聚合物－溶液
二次电池
锂二次电池
二次电池
可充碱性锌锰电池
电化学电容器
电化学电容器
电容器
电化学电容器
电解电容器
电化学电容器
电化学电容器
电化学电容器
1000m2/g * 5uF/cm2 * 10000 = 50F/g
NEC
微生物燃料电池
液流储能电池
太阳能电池
Photoelectrolytic cell:
energy storage (hydrogen)
Dye-sensitized solar cell:
energy generator (electricity)
• TiO2 has large band-gap (3.2 eV):
电化学电容器
电化学电容器
燃料电池的类型
Current Load
e-
e-
Residual fuel
AFC and product gases
2H2 + 4OH- 4H2O + 4e-
Electrolyte +
Residual oxidant
KOH OH-
and water
O2 + 2H2O + 4e- 4OH-
MW级的备用电源
电池的定义、特点和应用价值
对策
材料的变革 结构设计的进步
一次电池
一次锂电池
优点 高能
缺点 成本高
一次电池
锂二氧化锰电池
一次电池
Li-CFx电池
一次电池
锌锰电池
一次电池
智能卡(Smart Card)
一次电池
纸电池
一次电池
锌二氧化锰薄电池
一次电池
锌银电池
一次电池
O2 + 4e- 2O2-
Fuel
Oxidant
燃料电池固定电站
PAFC systems
• most commercially advanced • 150 – 220 °C • operates on H2 ( low S, low C, CO2 tolerant ) • efficiency 35 – 45 % • start-up time 1 – 4 h
社会可持续发展 ❖ 减少自然资源的使用 ❖ 减少环境污染
人类生活更加舒适便利 ❖ 电器越来越多 ❖ 电器变小 ❖ 使用时间延长 ❖ 电动汽车
电池的定义、特点和应用价值
电池的新应用
高价值的电子设备 电动工具 工业牵引 军事 固定备用电源 电动汽车 可再生能源利用的储能装备
1 kW ( Ballard / Tokyo Gas )
SOFC systems
• trials with 100 – 250 kW units
• 700 – 1000 °C ( suitable for cogeneration operations )
• operates on a variety of fuels, inexpensive catalysts
therefore inefficient (<1.0%)
• Materials with small band-gaps (<2.0 eV) are
required but are photo-corroded
Tandem cell
洁净的发电方式
DC/DC
Electrolyzer
Consumer Hydrogen
电池的定义、特点和应用价值
电池工业发展趋势
环保 ❖ 电池本身对环境无污染 ❖ 电池可回收
二次化 高能 高功率
电池的定义、特点和应用价值
发展需求与电池化学的矛盾
能用于设计成电池的化学反应相当有限 需求 ❖ 能量：从100mWh 的扣式电池到20kWh的动
力电池 ❖ 功率：从25-100µW的心脏起搏器电池到
便携式燃料电池
Micro fuel cell ( PEMFC, DMFC ) + battery ( Li ) systems for :
Specific energy ( Wh kg-1)
• mobile Leabharlann Baiduhones
3500
• personal digital assistants
• laptop computers
Present Expected
12 39 Ni–Cd
30 100 Ni–MH
3000
600
200
300
Li-ion
DMFC
Carbon nanohorns
• sensors
5 cm
MT Micro Fuel Cells, Inc. Motorola, 4 cells, 0.35 W
Motorola
• fast start-up from cold • intermittent operation • hydrocarbon fuel + reformer is impractical
At present, PEMFC / compressed H2 system preferred
Short range ( typically < 300 km )