電池的突破受到眾多贊揚(yáng)，為了吸引媒體和消費(fèi)者的關(guān)注，各類(lèi)新型超級(jí)電池也層出不窮。然而，電池行業(yè)應(yīng)該保持理性，下面這篇文章通過(guò)關(guān)注電池的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、壽命和安全性，幫助大家了解電池的許多功能及其限制因素。
牽引車(chē)電池
輪椅、摩托車(chē)和高爾夫汽車(chē)大多使用鉛酸電池。盡管鉛酸很重，但它的工作原理相當(dāng)好，而且只需適度的調(diào)整就可以轉(zhuǎn)換到其他系統(tǒng)中去。
雖然鋰離子電池比鉛酸電池更貴，但由于壽命更長(zhǎng)，因此循環(huán)成本更低，相對(duì)于于鉛和鎳電池，它的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是低維護(hù)。鋰離子電池可以在任何充電狀態(tài)下使用而不會(huì)產(chǎn)生副作用，相比之下，鎳鎘電池（NiCd）和鎳氫電池（NiMH）偶爾需要完全放電來(lái)防止其產(chǎn)生記憶，而鉛酸電池則需要飽和電荷來(lái)防止硫酸鹽。
除此之外，叉車(chē)也較多使用鉛酸電池。對(duì)于叉車(chē)來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)時(shí)間的充電對(duì)倉(cāng)庫(kù)是不利的，因?yàn)閭}(cāng)庫(kù)一天24小時(shí)都在運(yùn)轉(zhuǎn)。也有些叉車(chē)裝有燃料電池，在車(chē)輛行駛時(shí)為電池充電，盡管燃料電池有較差的電力輸送，但是其需求也在緩慢上升。
其實(shí)理論上看說(shuō)，輪式機(jī)械車(chē)輛越重，電池應(yīng)用就越不合適，但這并不妨礙工程師們研究大型的電池系統(tǒng)以取代污染嚴(yán)重的內(nèi)燃機(jī)。比如船舶港口的自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)輛(AGV)系統(tǒng)。AGV一天24小時(shí)都在運(yùn)行，而且車(chē)輛不能被長(zhǎng)時(shí)間的充電間隔所束縛，這是因?yàn)殇囯x子電池部分解決了這一問(wèn)題，這種更輕、充電速度更快的電池取代了10噸重、300kWh的超大鉛酸電池，但由于重量、充電時(shí)間和基礎(chǔ)設(shè)施的限制，超大型電池仍然有一定的局限性。
用于潛艇的超級(jí)電池
對(duì)于大型牽引系統(tǒng)，目前還沒(méi)有經(jīng)濟(jì)的電池解決方案，燃燒化石燃料也是無(wú)法完全避免的事情?，F(xiàn)代鋰離子電池可提供約150Wh/kg的能量，而化石燃料的凈熱值(NCV)超過(guò)12000wh /kg，從這點(diǎn)來(lái)看，電池的能量與化石燃料相比是微不足道的。但是應(yīng)該承認(rèn)，在節(jié)能減排的趨勢(shì)下，電池的應(yīng)用仍然會(huì)有所增長(zhǎng)。
電池航空
飛機(jī)上電池的職責(zé)是在輔助動(dòng)力裝置(APU)關(guān)閉或飛行中的緊急情況下為導(dǎo)航和應(yīng)急系統(tǒng)供電。這時(shí)電池為制動(dòng)、地面操作和啟動(dòng)APU提供動(dòng)力，如果發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，電池必須能夠提供30分鐘到3小時(shí)的能量，每架飛機(jī)必須有足夠的電池動(dòng)力以便飛機(jī)安全著陸。在飛行過(guò)程中，電力由發(fā)電機(jī)提供，如果需要，可以斷開(kāi)機(jī)上電池。
大多數(shù)商用客機(jī)使用泛濫的是鎳鎘電池。而小型飛機(jī)通常會(huì)使用鉛酸電池。雖然鉛酸比鎳鎘更重，但對(duì)維護(hù)的要求也更少。現(xiàn)代噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)用鋰離子電池給噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)裝上了線軸，波音787夢(mèng)幻客機(jī)也是如此。隨著機(jī)載功能從液壓轉(zhuǎn)向電動(dòng)，飛機(jī)需要更大的電池。高能量密度的鋰離子電池比鎳鎘和鉛酸電池更能滿足這一需求。但是，意料之外的鋰離子電池故障可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果，促使飛機(jī)制造商重拾鎳鎘電池。不可否認(rèn)的是，所有電池都可能發(fā)生故障，事實(shí)上也有關(guān)于鎳鎘合金熱失效的報(bào)道，且不少企業(yè)對(duì)于鋰離子電池能量密度的過(guò)度追求和安全性的忽視才是電池故障最重要的原因。
噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)
雖然飛機(jī)上有許多不同的電池，但它們唯一的目的是啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并在發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉時(shí)提供備用電源。大型飛機(jī)將繼續(xù)使用化石燃料飛行，因?yàn)殡姵剡€不能用于推進(jìn)引擎。小型電池驅(qū)動(dòng)式飛機(jī)正嘗試將其用于飛行員訓(xùn)練和短跳飛行，但這些目前只屬于實(shí)驗(yàn)性的。
衛(wèi)星電池
現(xiàn)在，鋰離子電池是衛(wèi)星的首選電池，它重量輕，充電方便，經(jīng)久耐用，循環(huán)良好，它的自放電低，幾乎不需要維護(hù)。
“好奇號(hào)”火星探測(cè)器使用了特殊設(shè)計(jì)的鋰鎳氧化物電池(LiNiCo)，形成了8S2P結(jié)構(gòu)(8個(gè)電池串聯(lián)，2個(gè)并聯(lián))，只有部分充電和放電才能延長(zhǎng)壽命。美國(guó)國(guó)家航空航天局預(yù)計(jì)鋰離子電池可以使用7年，循環(huán)壽命為3.7萬(wàn)次，而國(guó)防部的鋰離子電池使用壽命只有40%到60%。NASA實(shí)驗(yàn)室揭示，壽命的終止與陽(yáng)極SEI層的生長(zhǎng)、陰極材料的損耗、導(dǎo)電路徑的損耗、金屬鋰的電鍍和電解質(zhì)氧化有關(guān)。據(jù)了解，大型的140Ah鋰離子電池正在研發(fā)中，其使用壽命有望長(zhǎng)達(dá)18年。
“好奇號(hào)”火星探測(cè)器
固定電池
對(duì)于儲(chǔ)能電池的選擇不應(yīng)該只基于價(jià)格?？偟膩?lái)看，鉛酸電池適合只需要偶爾排放的工作，液流電池和鈉硫電池適用于需要集中放電的大型系統(tǒng)，而鋰離子電池則適用于每天多次快速充電且放電時(shí)間短的中小型系統(tǒng)。
從傳統(tǒng)來(lái)看，固定電池是鉛酸電池。因?yàn)閷?duì)于電池的尺寸和重量要求不是十分嚴(yán)格，當(dāng)很少放電時(shí)，鉛酸電池有限的循環(huán)次數(shù)不會(huì)造成問(wèn)題。
暴露于高溫和低溫以及需要深度循環(huán)的應(yīng)用程序通常使用鎳鎘電池。這種電池比鉛酸電池更堅(jiān)固，但成本大約是鉛酸電池的四倍。鎳鎘電池是唯一一種可以在最小壓力下快速充電的電池。
除此之外還有鋰離子電池。鋰離子電池具有許多優(yōu)點(diǎn)，但在低溫下性能不如鎳鎘和鉛酸電池。另一種正在回歸固定使用的電池是鎳鐵電池。發(fā)明家托馬斯·愛(ài)迪生(Thomas Edison)曾為電動(dòng)汽車(chē)推廣鎳鐵電池，但由于成本高、自放電率高，鎳鐵最終輸給了鉛酸電池。現(xiàn)在對(duì)于這種電池的改進(jìn)消除了其部分缺陷，它的超強(qiáng)耐用性重新引起了人們的興趣。
儲(chǔ)能系統(tǒng)(電網(wǎng)蓄電池)
風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源不能提供穩(wěn)定的能源流，也不總是與用戶需求相協(xié)調(diào)。因此大型儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)需要為其提供無(wú)縫服務(wù)。
近幾年來(lái)，儲(chǔ)能系統(tǒng)(ESS)從煤炭和石油轉(zhuǎn)向可再生資源的增長(zhǎng)勢(shì)頭很強(qiáng)勁。據(jù)估計(jì)，到2021年，僅南非的ESS裝機(jī)容量就將達(dá)到1500MWh。其中應(yīng)用的電化學(xué)電池有液流電池、鋰離子電池、鉛酸電池等。
鉛酸電池和鋰離子電池比較
由于鋰離子電池占地面積小、維護(hù)成本低、使用壽命長(zhǎng)、負(fù)載均衡，因此很多儲(chǔ)能電站正逐漸向鋰離子電池發(fā)展。鋰離子不會(huì)像鉛酸一樣因周期性地充滿電而發(fā)生硫酸化，鋰離子電池還具有重量輕、便于在偏遠(yuǎn)地區(qū)安裝的優(yōu)點(diǎn)。而它的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的，那就是價(jià)格高、低溫性能差，價(jià)格問(wèn)題目前已經(jīng)大幅度下降了，未來(lái)幾年還會(huì)繼續(xù)下降，但低溫性能差仍待解決，因?yàn)闊o(wú)法在冰點(diǎn)以下充電。
電池管理系統(tǒng)(BMS)將電池的電量保持在50%左右，以吸收大風(fēng)帶來(lái)的能量，滿足高負(fù)載需求。現(xiàn)代的BMS可以在不到一秒的時(shí)間內(nèi)從充電切換到放電。這有助于穩(wěn)定輸電線路上的電壓，也稱(chēng)為頻率調(diào)節(jié)。
