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双极电池:铅酸电池收益甚微,锂电池前景光明

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点击次数:224 更新时间:2023年10月29日17:41:46 打印此页 关闭

顾名思义,“双极”电池技术使用同时作为阴极和阳极的电极。正如我们将看到的,这是一种微妙的平衡。这项技术最近已进入铅酸电池的生产阶段。现在,专家们有机会评估其性能并达成共识:
• 采用当今单电极技术的锂离子电池比采用双极电极技术的铅酸电池表现出更好的运行时间。
• 目前双极铅酸电池的商业化生产仅有少数实例。该技术的进一步采用和生产可扩展性仍不确定。
• 然而,如果成功地与高容量电池化学物质(例如锂离子)一起实施,双极电极技术将有机会显着提高电池性能。

为了使双极技术取得成功,电池组件必须满足成功商业化实施的某些要求,例如:
• 基材优异的机械性能
• 每个电池中的电解质非常稳定,无分解气体
• 基材在高温和低温下具有优异的电化学稳定性电压
• 每个电极在充电/放电过程中相同的电子转移
• 可接受的价格和易于处理基材材料。
预计建立大规模生产和商业化过程至少需要十年时间。

什么是双极电池?

术语“双极电池”是指电池模块内部存在双极电极。理论上,该技术可以应用于不同化学成分的电池。事实上,在各种双极型电池中,只有铅酸电池模块达到了商业化生产阶段。尽管如此,这也可能是锂离子电池的发展之路。

从理论上讲,双极电池的工作原理非常简单。一个电池的负极和另一个电池的正极彼此非常靠近(背对背)。阴极和阳极均涂覆在基板上。带有电极的基板充当相邻放置的电池的密封件。电流直接通过两个电极和薄的中间导电基板在细胞之间流动。在这种情况下,相邻小区之间不需要中间跳线。将细胞放置在公共容器中。将一个或多个容器组合成电池模块。请参阅下面的双极电极模块示意图。

双极电池电动方案

双极电极模块的特点:

  • 电池串联(正极到负极);
  • 相邻单元之间没有中间跳线;
  • 一个通用的细胞容器;
  • 细胞通过共同的基质彼此隔离。

这里的基本思想是消除中间跳线并减少基板和容器的数量。因此,与其他电池技术相比,双极电池可以通过以下方式提供巨大优势:

  • 提高比功率;
  • 简化电池组件;
  • 降低制造成本;
  • 消除电池组中的重型部件。

这里值得一提的是“单极”电极技术,尽管它尚未商业化。与双极技术一样,它也有助于减轻电池重量。该技术减少了电池模块中基板的用量。想象几个单独的电极单元连接负极到负极、正极到正极,而不是正极到负极,将它们放在单排中,并将相同的极点彼此靠近(几乎背靠背)。各个电池容器可以用用于整个电池模块的单个公共容器来代替。两个直接连接的电极可以用公共的两侧电极代替。单极电极模块的示意图如下所示。

单极电池电动方案

单极电极模块具有以下特点:

  • 电池并联(正极对正极,负极对负极);
  • 相邻单元之间的中间跳线;
  • 细胞的通用容器。

单极和双极电池没有具体的标准和要求。模块中的电池数量、电池容量、模块尺寸和其他参数均受涉及铅酸电池安全、性能、测试和维护的通用标准管辖。
无法将双极和单极电池与其他类型的电池进行直接比较。双极和单极电池完全集成在电池模块中。它们没有明确的界限,无法修复和更换。这些技术的总体优势只能在电池模块和电池组层面才能看到和评估。

在常规的单电极方法中,单个细胞是独立的。每个电池都有自己的容器并有两个电极。一个电池的电极通过正极到负极的中间跳线连接到另一个电池的电极。这就是电池单元形成电池模块的方式。

单极电池

单电极模块具有以下特点:

  • 电池串联(正极到负极);
  • 相邻单元之间的中间跳线;
  • 每个单元格的容器。

双极电池的优点和缺点

双极电池与当今的单电极电池有何不同?

优点:

  • 更高的能量密度(由于没有中间跳线、重量更轻、电池尺寸更小)。
  • 更高的功率密度(由于充电/放电过程中电极电位偏离平衡值的程度较小)。

缺点:

  • 电池模块越大,电池更换成本越高(单个电池故障可能需要更换整个电池阵列)。
  • 更复杂的电池管理,用于诊断电池电压和维护电池健康状态(如果多节电池框架中任何一节电池出现故障,整个电池系统就会失效)。

为什么厂家这么少?

正如已经提到的,在所有各种双极电池中,只有铅酸电池达到了商业化生产阶段。这主要是由于其部件的材料要求非常高:

  1. 基材机械性能优良。阴极和阳极都涂在同一基板上,这也有助于密封每个电池中的电解质。基材硬度不足会导致其快速破坏,导致整个电池模块失效。
  2. 每个电池中的电解质非常稳定,没有分解气体。不能让电池膨胀而损害电解质隔离。即使一个电池中微小的机械不平衡也会损害整个模块。
  3. 基材在高电压和低电压下具有优异的电化学稳定性。阴极和阳极由不同的材料制成,并且都涂覆在基板上。由于不同的化学反应同时发生,系统随着电压的变化而变得不稳定。
  4. 每个电极在充电/放电过程中进行相同的电子转移。电极容量不一致会导致电池单元的过度充电和过度放电。电池模块中的一个有缺陷的电极很快就会杀死剩余的数十个电池。细胞水平的早期诊断几乎是不可能的。
  5. 可接受的价格和易于处理基材材料。目前高压双极模块的成本可能超过具有相似电压和容量的常规电池组的成本。而且,对于这样的单模块串,部分电池组替换是不可能的。

双极铅酸电池与单电极锂离子电池

目前还没有对双极铅酸电池和单极锂离子电池进行正面对比。幸运的是,电池模块的基准比较就足够了。

双极铅酸电池与锂电池

对比表明,在相同重量的电池下,双极性铅酸电池能够提供更多的瞬时功率(W),而锂离子单电极模块可储存更多的电能(Wh)。

说到物料搬运设备,设备越重,需要的瞬时功率就越大。更长的运行时间需要更多的能量。总体而言,采用现有单电极技术的锂离子电池表现出更好的运行时间。

应用:

  • 由于满足关键要求的组件供应不足,采用双极电极技术的铅酸电池的使用相当有限。尽管如此,还是有几家公司进行了运营或试点制造:Optima 和沃尔沃的混合动力电动汽车 Effpower;来自 ABC 的 GreenSeal、来自 Gridtential 的 Silicon Joule 和来自 ArcActive 的 AACarbon。
  • 采用单电极技术的锂离子电池主要用于电动汽车、储能、电动工具、电子、医疗器械等。
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