電池研究院:為何雙擎喜歡用鎳氫電池?

2021-01-04 11:37:50 作者:黃恒樂

  【太平洋汽車網 技術頻道】80后基本都與鎳氫電池有著不解之緣,小時候我們用過的索尼Walkman、收音機、四驅車,基本都靠鎳氫電池驅動著。

  為了寫這篇文章,我買了兩組全新的鎳氫電池,分別是來自無錫產的松下愛樂普白皮(非FDK貼牌貨)和GP超霸2000,裝在松下沖牙器和D50/D100錄音筆上用了數月。

  不得不說,新型鎳氫電池的放電表現比小時候用的那些強太多了。(因此,我是不是應該再買點四驅車?)

電池研究院:為何雙擎喜歡用鎳氫電池?

  在此必須感謝索尼大法的研發部門,堅持使用AA電芯槽的可換電池設計,我那堆索尼MD機、CD機、錄音筆居然隨著時間轉移,續航變得越來越長,而蘋果們統統成了不插電就無法開機超過半小時的工業垃圾。

 
1600萬的雙擎HEV車型,其實沒用鋰電池

  1年前(也就是上個月底)筆者在內蒙古試駕了一汽豐田的雙擎系列,包括卡羅拉雙擎、亞洲龍雙擎、RAV4榮放雙擎,對鎳氫電池在-30℃下順利充放電頗有感觸。

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  實際上,豐田這組鎳氫電池最低在-40℃也能工作,而筆者單反中的鋰離子電池在-25℃的氣溫中只拍了100張照片就罷工了。

  為什么豐田在HEV車型上堅持使用古老的鎳氫電池呢?

雪粉華 舞梨花 冬季試駕一汽豐田雙擎系列

  這時候我們得先從更多古老的電池配方聊起:

  17世紀:荷蘭萊頓大學(Leiden University)的彼得·范·穆森布羅克教授(Prof. Pieter van Musschenbroek)發明了萊頓瓶(Leyden jar),人類第一次捕捉到了電,這也是第一種儲電設備(冬天的毛衣不算)。

  18世紀:意大利物理學家亞歷山德羅·伏打(Alessandro Volta)發明了世界上第一組正經的化學電源——“伏打電堆”。

電池研究院丨電池的昨天、今天與明天

  19世紀:Dr. William Cruikshank設計了第一款便于批量制造的電池,法國物理學家Gaston Planté發明了鉛酸二次電池,電池與車輛在19世紀中頁開始結合(如郭睿同事編撰的《電動車坎坷發展史》),愛迪生發明了可充電的鐵鎳電池,瑞典發明家Waldmar Jungner發明了鎳鎘電池,

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  20世紀:6V鉛蓄電池從1918開始裝車,統治汽車電氣系統30多年之后被12V鉛蓄電池替代;世紀末鋰離子電池得到了技術性突破(索尼1991商用化)。

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  21世紀:鋰離子電池在消費電子、新能源汽車、電動飛行器、柴電潛艇、工業生產、智能穿戴等領域成就霸業。

  毫無疑問,21世紀是鋰離子電池創造歷史的世紀,我們再也離不開鋰離子電池了,目前鋰離子電池行業主要有以下幾種解決方案:

主流鋰離子電池性能對比
電極材料能量密度成本穩定性安全性循環壽命
三元鋰(正極)
磷酸鐵鋰(正極)
鈷酸鋰(正極)中低
錳酸鋰(正極)中高中低
鎳鈷鋁酸鋰(正極)
鈦酸鋰(負極)最低最高

  既然鋰離子電池的種類如此繁多,生產成本逐年下降,為什么HEV非插電式混合動力車型都不喜歡用鋰離子電池呢?

  很簡單:因為鎳氫電池目前更便宜,循環壽命更長(愛樂普就有2000個循環可用),還不容易燒。

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  更重要的是,鎳氫電池無樹枝狀晶體產生,豐田1600萬雙擎家族車型在全球范圍內都沒有發生過電池包自燃事故。

 
“水素電池”是什么鬼?

  第一次讓便攜式民用電子設備成為現實的是“大哥大”和鎳鎘電池(Ni-Cd)。

  東西南北中,發財到廣東。80年代末,一斤重的移動電話進入香港與廣州市場,2萬多一臺的價格,充電10小時只能撐30分鐘,鎳鎘電池記憶效應強,得配一個放電器放空了再充,最好每月進行一次深度充放電。

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  上圖這種巨型的電池就是鎳鎘電池,可循環1100次(實際用起來差遠了)。

  鎳鎘電池是第一代手機電池,第二代則是今日主角鎳氫電池(Ni-MH),第三代是革命性的鋰離子電池(Li-ion)。這條路走了30多年,每一步都非常不容易。

  80年代出生的讀者應該還記得小時候有一個詞匯叫“水素電池”,我手頭上剛好有三枚“水素電池”,中間那顆是索尼生產的,綠色兩顆是國內的無牌副廠貨,目前市場上只能買到后者。

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  “水素”一詞其實是日文,如下圖翻譯截屏和商品廣告原圖:

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  筆者找了一下鎳氫電池的負極與正極的反應式,是下面這樣的,這下子我才知道“水素”一詞的來源:

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  作為鎳鎘電池的升級版,鎳氫電池的能量密度更高,重量更輕,污染更少,循環壽命更長。

  鎳氫電池的研發開始于1967年,戴姆勒-奔馳和大眾汽車當時參與了技術研發(研發地點在Battelle Geneva Research Center),將近20年的時間終于研發出能量密度只有50Wh/kg左右的鎳氫電池。70年代,鎳氫電池在人造衛星上有了應用(根據維基百科),但筆者并未找到具體的衛星型號。

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  鎳氫電池在1985年才終于商用化,隨后各式鎳氫電池成功占領了我們手里便攜式電子設備的電池倉,后來被CD機打敗的卡帶機、后來被MD機打敗的CD機、后來被MP3打敗的MD機,中后期版本均改用了這種115×65×28mm的“香口膠式水素電池”,標定電壓1.2V,容量1400mAh左右。

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  索尼在1991年將鋰離子電池投入商用化,但成本高到可怕,至今都沒壓到一個合理的價位(這也是各位覺得買電動車特別貴的原因)。

  那么,大家就繼續用鎳氫電池作為主流的二次電池吧??墒乔捌诘逆嚉潆姵?,自放電(漏電)特別厲害,放在四驅車上面用倒不是什么問題,因為充滿電之后很快就被我玩光了。但若放在低電耗長續航的用電設備上,比如石英鐘、遙控器,就很讓人抓狂了。

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  所以,筆者當時只會選用一次電池來給這些設備供電,最經典的配方就是下圖的白皮三個五,紅白藍配色跟大白兔奶糖一模一樣,不同的是大白兔是神物,白皮555是垃圾中的戰斗機。

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  后來日本三洋電機的eneloop鎳氫電池很好地解決了這個自放電問題,2006年推出市場的第一代eneloop將1年的自放電比例縮減至20%,最低工作溫度-10℃,循環次數1000次。

  2009年松下收購了三洋電機50.19%的股份。2015年上市的第五代eneloop,10年的自放電比例才30%,這意味著鎳氫電池最大的短板已被基本清除,拿來做低電耗長續航用電設備的供電也沒有問題了。

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  在電池界,eneloop“愛老婆”就代表著鎳氫電池的最高水平。

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鎳氫電池的電化學性能

  鎳氫電池(Ni-MH)的英文全稱是Nickel-Metal Hydride,鎳金屬氫化物,這里的“金屬”指的是金屬互化物(intermetallic compound),其中分為兩大類:

AB5:A = 稀土元素混合物(或)再加上鈦(Ti);B = 鎳(Ni)、鈷(Co)、錳(Mn)、(或者)加上鋁(Al)。

AB2:A = 鈦(Ti)或釩(V),B = 鋯(Zr)或鎳(Ni),再加鉻(Cr)、鈷(Co)、鐵(Fe)和(或)錳(Mn)。

  其中AB5類更常見,AB2類的容量更高。

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  其化學原理是可逆地形成金屬氫化物:充電時,氫氧化鉀(KOH)電解液中的氫離子(H+)會釋放出來,由以上化合物吸收并避免形成氫氣(H2)以防電池結構被破壞;放電時,這些氫離子經由相反過程回到原來地方。

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  與鋰離子電池一樣,鎳氫電池不是一種配方而是一整個電池配方系列,可分為容量型、功率型、耐低溫型、低自放型。

  容量型鎳氫電池:索尼5號鎳氫電池可以達到1.2V*4600mAh,能正面對決14500鋰離子電池。

  功率型鎳氫電池:放電比功率可以達到1300W/kg(持續放電),幾乎是鋰離子動力電池的兩倍。

  耐低溫型鎳氫電池:-40℃超低溫工作,可用容量、內阻幾乎沒差別。低溫是鋰離子電池的死穴。

  低自放鎳氫電池:至于所以剛剛提到的eneloop低自放電鎳氫電池,全稱是LSD Ni-MH,Low Self-Discharge Nickel-Metal Hydride。自放電率是鎳氫電池的死穴所在。

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  鎳氫電池有個優勢,就是電壓低,電控簡單,可以完美替代普通的1.5V干電池,AA型(5號)和AAA型(7號)的鎳氫電池的電壓是1.2V,這是一個很關鍵的電壓數字。

  1.2V × 5 = 6V

  1.2V × 10 = 12V

  這意味著鎳氫電池可以通過串并聯組合輕松替代6V和12V電壓平臺的二次電池。

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  太深奧的東西不說,我們直接來一點易懂易學的小結論吧,鎳氫電池的優勢有:

  1、最大的優勢是安全性高,即使制造工藝不良、受外力擠壓變形、短路、大電流放電(伴隨發熱)也不會像鋰離子電池那樣自燃然后自爆。

  2、技術成熟,適合大規模生產,成本較低。

  3、配方很少污染,對環境基本沒有影響。

  4、低溫性能好,秒殺鋰離子電池。

  5、循環壽命長,2000-5000個循環不是問題,HEV車型的鎳氫電池基本都是終身免維護的。

  6、記憶效應小。

  7、電芯一致性比鋰離子電池更高。

  8、1.2V額定電壓是個不錯的數字,很容易湊整。(此外,最低放電電壓是0.9V,滿電1.4V,了解一下就行)

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  鎳氫電池的劣勢有:

  1、能量密度太低,電芯單體能量密度只有60-120Wh/kg,成組之后更加慘不忍睹。

  2、充電效率很低,只有66%左右,也即是34%的電量沒被充進去,而鋰離子電池充電效率可達95%。

  3、自放電速度太高,三洋使用了新的陽陰極分隔層、新的陰極添加劑、新的超級晶體結構合金、更薄更堅固的外殼,完成了自放電的自我救贖。

  4、放電倍率還不夠強,雖然已經到了15C,但鋰離子電池可以做到45C,所以給大眾ID.R那種短跑爆發型的電動戰車用鎳氫電池的話就撲街了。

  5、快速充電性能簡直是渣渣,1C已經是鎳氫的快充速度了……

  6、高溫情況下的充放電效率降低明顯。

 
為何鎳氫電池沒能成為汽車動力電池主流?

  汽車用的鎳氫電池有兩大流派,一派是美系的通用,一派是日系的松下&豐田。

  我們先來說說通用,通用跟鎳氫電池還是有段故事可以講講的。一開始Stanford R. Ovshinsky弄出了一種可供量產的鎳氫電池并申請了專利,1982年成立了Ovonic電池公司,通用汽車1994年購買了Ovonics專利,隨后用在了EV1后期版本上,就是下圖這個。

  通用EV1(純電動):業界著名的純電動工業垃圾,真正的電驅先鋒之作。前期版本用的是16.5-18.7kWh的鉛酸電池,后期版本用的是26.4kWh的鎳鉻電池,續航達到228km,在1999年這個年份算得上牛到不行不行的角色。

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  不過,很快通用就發現自己徹底搞砸了,那批車子最終用通用自己收購回去集中銷毀。

  2000年10月,通用把專利賣給了德士古石油,一周后轉手給雪佛龍。雪佛龍的子公司Cobasys一直生產著鎳氫電池,后來又被SB LiMotive(三星SDI與博世合資)收購,2012年變成博世獨資。

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  另一個派系是松下與豐田合資成立的Panasonic EV Energy(PEVE)公司,他們在90那年代推出了適用于新能源車的高容量(28-95Ah)鎳氫動力電池,用于1997年開始生產的豐田普銳斯,以及之后的本田Insight混動、本田思域混動、福特等車型。

  本田Insight(混動):初代1999-2006(下圖),二代2009-2014,三代2019至今。Insight是本田第一代IMA混動系統的試驗田,薄片電機放在P1位置,飛輪之后、變速箱之前,鎳氫電池使用D型。

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  本田思域(一代混動):本田Insight IMA結構的“性能版”,電機也在P1位置,電池是120個串聯的D型鎳氫電池,6.0Ah容量比Insight更低,但充放電速度更高。

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  本田EV Plus(純電):本田給汽車工業帶來的前鋒之作,第一個大型汽車制造商拋棄弱炸天的鉛酸電池,采用鎳氫電池來驅動車輪,1997-199之間在日本櫪木造了300臺,續航129-169km,放在2012年左右的中國估計還有點競爭力。

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  福特Escape混動,翼虎/銳際的前身):初代(2004-2008)與二代(2009-2011)福特Escape非插電式混動版用過鎳氫電池,初代目還跟豐田THS(雙擎)技術有專利抵觸,這兩家公司后來達成了專利共享協議,豐田允許福特用豐田的部分混動技術,福特允許豐田用福特的部分柴油機技術。

  不過現在福特基本都落下功課了,比如蒙迪歐混動就改用了鎳鈷錳鋰離子電池(MKZ當然是同款),好處是能量轉換效率更高,我們測試蒙迪歐混動的時候也被它的超低油耗嚇到了。耐用性和可靠性?暫時不太清楚,賣得太少了。

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  福特Ranger EV(純電):從Ranger單排皮卡改過來的,1998產的是鉛酸電池版本,1999產的是鎳氫電池版本,鎳氫版本的能量密度提升至57.3Wh/kg,續航提升至185km(72km/h勻速)。這玩意一直生產到2002年,沒人買的,都是以市場試驗目的租了出去,2004年項目終止的時候全部給召回銷毀了。

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  豐田普銳斯(混動,1/2/3/4代)&豐田其他雙擎混動車型:如今的第四代豐田普銳斯HEV雙擎版本使用的是鎳氫電池,這是一種超級長超級細的電芯(其實就是6個1.2V電芯串聯起來),390×35mm,6500mAh,電壓為7.2V。

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  為了鎳氫動力電池的專利,美系的Cobasys和日系的PEVE從2001年開始打了多年官司,2005-2014年間PEVE支付了大筆專利特許使用費給Cobasys,以獲得PEVE在北美銷售鎳氫動力電池的權限。

  實際上,Cobasys基本已是廢的(2007年開始就轉舵研究鋰離子電池了),真正牛X大發的PEVE用鎳氫電池盤活了整個豐田雙擎系列,前文我們提到的數據是——全球范圍內至今銷售超過1600萬輛,沒有一臺燒的。

雪粉華 舞梨花 冬季試駕一汽豐田雙擎系列

  關于豐田雙擎鎳氫電池的江湖傳說還有更多數字,比如之前有一位來自美國硅谷洛斯加托斯(Los Gatos)小鎮的普銳斯用戶就宣稱,他的2004款豐田普銳斯開到35.5萬英里(57萬公里)的時候才遇到了電池失效。

  在美國,更換一套普銳斯鎳氫動力電池的官方要價大概是4000美元(2.6萬人民幣),提供8-10年保修期。

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  如今,豐田是全球HEV非插電式混合動力結構的技術和銷量老大,堅持鎳氫電池路線成為了“技術正確”的一個樣本,之前使用松下豐田PEVE鎳氫電池的本田和福特卻紛紛離場。

 
能量密度如此低的鎳氫電池還有未來嗎?

  鎳氫電池已經是一種成熟的產品,目前國際市場年產量為12億只左右,其中大型鎳氫電池(車用鎳氫動力電池)在2.5億只左右,超過9成的大型鎳氫電池是松下豐田PEVE生產的。

  中國鎳礦總儲量290萬噸,屬于儲量一般的國家,不過我國制造業成本較低,所以世界上很多鎳氫電池生產商都在中國設立了生產基地,比如松下的無錫工廠,三洋的蘇州工廠、湯淺的天津工廠。

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  小型鎳氫電池,中國的產量占全球74%左右,超霸(東莞)、豪鵬(深圳)、科力遠(長沙)、三普(鞍山)、比亞迪(深圳)是大頭;大型鎳氫電池,日本的產量占全球95%左右,松下豐田PEVE在全球范圍內一家獨大。

  鎳氫電池的成本逐步下降,未來可能可以替代相當一部分的干電池,并利用其1000次以上的循環壽命提供更好的環保支持。

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  消費類電器產品(小型)和HEV動力電池(大型)是鎳氫電池的兩大用戶,此外還在安防和醫療等領域有著廣泛應用,2019年國內行業規模是44億元人民幣,預計2020年在40億元左右。根據中研普華產業研究院的研究報告,鎳氫電池的市場規模會在2025年達到48.83億元左右。

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  在大型鎳氫電池領域,HEV非插電式混合動力車型已是且將是鎳氫電池的唯一大客戶,安全性高、成本較低、污染少、低溫性能好、循環壽命長是無可替代的優勢。不過在當今的新能源補貼政策下,鎳氫電池已經沒希望進入補貼行列并打敗部分鋰離子電池成為BEV純電動車型的動力電池,因為能量密度太低、充電效率太低、放電倍率太弱、快速充電太渣的特性,都是被鋰離子電池吊打的。

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  玩砸了么?我怎么覺得好戲才剛剛開始啊。

  雖然鎳氫電池在BEV領域打不過鋰離子電池,但HEV領域的占比是可以擴張的?!冻擞密嚾剂舷牧肯拗怠泛汀冻擞密嚾剂舷牧吭u價方法及指標》正在推動我國乘用車新車平均燃料消耗量水平在2025年下降至4.0L/100km,單憑ICE內燃機技術的提升是基本沒有希望的,比如給ICE加上電動機組成HEV節能動力總成。

  屬于鎳氫電池的節能車時代,正在默默到來。

(文:太平洋汽車網 黃恒樂)

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