新型绿色电池的发展及在信息通信产业中的应用现状和前景

汪继强

　　概述

　　近年来，国内外信息技术发展异常迅猛，由此而形成的信息通讯产业已经成为国民经济和社会发展的支柱产业之一。由此也极大地推动了新型绿色电池技术的发展及其产业化进程。作为通信使用的电池，以下新型绿色电池技术和相关产业发展尤为迅速。

　　1.贮氢材料及金属氢化物镍蓄电池

　　2.锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子蓄电池

　　3.聚合物电解质锂蓄电池或锂离子蓄电池

　　4.锌空气电池和PEM燃料电池

　　除以上外，针对我国通信产业的高速增长，我国电池工业界正以极高的速度推动环保型无汞碱性锌锰原池及可充电电池和密封铅酸蓄电池的技术发展及扩大应用市场。

　　新型绿色环保电池简介

　　新型绿色环保电池是指近年来已投入使用或正在研制、开发的一类高性能、无污染电池。目前已经大量使用的金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池和正在推广使用的无汞碱性锌锰原电池和可充电电池以及正在研制、开发的锂或锂离子塑料蓄电池和燃料电池等都属于这一范畴。此外，目前已广泛应用并利用太阳能进行光电转换的太阳电池（又称光伏发电），也可列入这一范畴。

　　金属氢化物镍蓄电池（NiMH）与镉镍蓄电池（NiCd）有相同的工作电压（1.2V），但由于采用稀土合金或TiNi合金贮氢材料作为负极活性物质，取代了致癌物质镉，不仅使这种新型电池成为一种绿色环保电池，而且使电池的比能量提高了近40％，达到60-80Wh/kg和210-240Wh/L。这种电池是90年代初逐步实现产业化，并且首先使用于手机电池。目前虽然它在手机上的主导地位逐步被锂离子电池取代，但是在欧美手机应用中，其市场占有率仍在50％左右。

　　锂离子蓄电池（Li-ion）系由可使锂离子嵌入及脱嵌的碳作负极，可逆嵌锂的金属氧化物作正极（LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4）和有机电解质构成，其工作电压为3.6V，因此一个锂离子电池相当于三个镉镍或金属氢化物镍电池。由此这种电池的比能量是可以超过100Wh/kg和280Wh/L，又大大超过了金属氢化物镍蓄电池的比能量。鉴于以上优点，自1993-2000年短短的几年中，其生产量和使用量以极高的速度增长。

　　碱性锌锰干电池（alkaline）较同尺寸普通干电池具有更高的容量，并具有大电流放电的能力。近年来已应用了无汞锌粉，因此使这种电池成为一种绿色电池，并成为原电池中的主流产品，目前碱性锌锰干电池仍然是BP机使用最多的电源。同时，世界各国也关注这种电池的可充性，美国一家公司已推出可充碱锰电池，产品应用缓慢增长中。这种电池保持了原电池的放电特性，而且能再充电使用几十次至几百次（深充放电循环寿命约25次）。

　　锂塑料蓄电池（LIP）是金属锂为负极，导电聚合物作电解质的新型电池，其比能量已达到170Wh/kg和350Wh/L。锂离子塑料蓄电池则是将目前锂离子蓄电池中的有机电解液贮存于一种聚合物膜中，或是使用导电聚合物为电解质，使电池中无游离电解液。这种电池可以用铝塑料复合膜实现热压封装，具有重量轻、形状可任意改变，安全性更好的特点。

　　燃料电池（FC）则是一种利用燃料（如氢气或含燃料）和氧化剂（如纯氧或空气中的氧）直接连续发电的装置，由于避开了卡诺循环的限制，这种发电装置不仅效率高（电化学反应转换效率可高达40％以上），且无污染气体排出，因此是未来的高效和清洁发电方式。国内外许多公司都在致力于发展适合手机、笔记本计算机的PEM燃料电池，一旦投入应用，其经济效益极大。

　　密封铅酸蓄电池是铅酸蓄电池的一种。

　　世界新型绿色电池发展及应用市场和前景

　　2001年日本野村株式会社公布了一份详细的调查报告，表明由1999年4月至2000年3月，世界原电池和蓄电池市场总额已达285亿美元，其中原电池市场总额为101亿美元，铅酸蓄电池市场总额为118亿美元，而小型蓄电池市场总额也达65亿美元。同时明确指出，在小型电池市场中，新型金属氢化物镍电池、锂离子电池和聚合物锂离子电池自90年代以来的10年中，增长额达到了3倍，而且小型电池中锂离子电池和聚合物锂离子电池市场需求将成继续上升热头，这也正是与它们在手机中的应用比例继续增加相关联的。

　　新型金属氢化物镍蓄电池是1988年刚进入实用阶段的，1990年在日本即投入了大规模生产。1998-1999年，三洋、松下和东芝形成了三足鼎立的局面，它们分别占有市场份额40％，30％和20％，而生产能力都已达到1500万只/月。最近报道，三洋购置了东芝的生产工厂，从而使其生产能力大大增加，成为世界第一位。此外，日本日立，汤浅和新神户等也已逐步形成规模生产能力。

　　当前，大规模生产的产品已包括圆柱形AAA系列（AAA和LAAA）；AA系列（AA和4/5AA），A系列（4/3A和4/5A）和方形电池系列（F5和F6等），其中AAA系列、AA系列和方形电池系列产品主要用于手机等，而A系列产品主要用于笔记本计算机等。

　　实际上，目前日本各厂生产的金属氢化物镍蓄电池的性能仍在不断提高，AA电池容量已达1500mAh，其中三洋公司的AA电池的标称容量已达1500-1600mAh；最适用于大哥大的AAA电池，容量已从500mAh提高至700-750mAh。而4/3A电池的容量为4000mAh-5000mAh，这种电池的体积比能量达300Wh/L以上，一度曾超过锂离子蓄电池的水平。

　　当今日本是锂离子蓄电不也的最大生产国，自1990年锂离子电池由日本SONY公司研制成功后，日本几家大电池公司都相继走向产业化。1999年，Sony公司的月产能力已达1000万只，三洋和东芝的合资公司（AT）紧追其后，为500万只/月，松下为400万只/月，其它还有日立、富士、日本Moli等也已有相当生产规模。但到2000年，三洋的生产能力已超过其他公司，成为世界最大的锂离子电池生产公司，其市场份额已达30％左右。

　　除去加速扩大小型电池生产规模之外，各国对这一新体系的研究工作方兴未艾，在小型电池领域主要集中于两个方面：

　　（1）继续寻找新材料，进一步提高电池性能和降低电池成本。

　　现在在多数电池产品中作用LiCoO2o也已有小部分产品（日本Moli方形电池）开始使用LiNio.8Coo.2O2及LiMn2O4替代，前者可以提高电池的比能量，而后者可以降低电池的成本。负极材料碳是多种多样的，最近发现天然石墨不仅价格适宜，而且可以达到很高的比容量和低的容量损失（由原6％降至4％以下）。另外，对电解质材料和隔膜材料的研究也在继续进行中。

　　（2）产品性能不断提高，产品规格品种不断增加，应用领域不断拓宽。

　　

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