我国的电动自行车发展始于上个世纪90年代末, 1997年开始商业化, 年销量不足1万辆, 1998年为5.4万辆。从2000年开始得到快速发展, 据中国自行车协会统计, 2003年全国销量已突破400万辆, 历年累计的销量达到1 200万辆, 自行车走向电动化已经成为一个不争的事实。电动自行车是一种高科技产品, 是适合我国国情的新一代交通工具, 发展电动自行车这个“绿色交通工具”有望成为经济发展的新亮点
目前我国电动自行车绝大部分采用铅酸电池, 其最大的弊端是不利于环境保护和资源的可持续发展。电动车用铅酸电池, 3节电池重量在13 kg左右, 容量仅10 Ah, 充一次电只能行驶50 km以内, 使用一年后, 大约只能行驶30 km, 而且在2年内即须更换电池。每年产生大量废旧电池, 会形成严重的污染隐患。正因为铅酸电池作为电动车电源的种种不足, 人们对电性能更加优越、使用方便、经济又环保的新型电动车电源的应用的呼声更加高涨。
锌空气电池用于电动自行车电源, 能源特性优越, 有如下诸多特点:锌空气电池质量小、容量大、系统结构简单, 每单位质量所能产生的实际能量超过目前普遍使用的铅酸电池, 且还有很大的发展空间;自放电率低, 若置于密闭空间中, 放电率几乎为零。另外, 锌空气电池也具有良好的环保性, 其产生电能后, 没有二次污染, 产物主要是氧化锌, 这些物质可以通过电解回收, 重复利用, 既有利于节约资源又有利于环境保护。锌空气电池所需的反应物主要是锌和氧气, 成本较低, 因此锌空气电池具有明显的经济性。锌空气电池的零污染、充足的燃料来源、高续电力及价格低廉等特性使其在广大的电池市场中有绝对优越的竞争力。
1 容量是主要的制约因素
大多数电动自行车用户对铅酸电池的续行里程短不满意, 研究锌空气电池以期作为铅酸电池的替代能源就必须解决续行里程的问题, 反映在电池特性上就是要解决电池的容量问题。铅酸电池的额定容量是10 Ah, 平路行驶电流平均为5 A, 按照时速25 km, 只能骑行50 km。作者研制的锌空动力电池电压为36 V, 容量可达40 Ah, 按照这个标准, 可以一次行驶200 km。这将明显地增大用户的活动范围。
2 提高体积比能量是技术难点
锌空气电池作为动力电池, 在保障容量的前提下应尽可能缩小体积, 这是一个技术难点。锌空气电池的阴极是空气参与反应, 只要不密封, 空气是取之不尽的, 因此, 决定电池放电多少的主要因素是锌载量。理论上说锌的装载量多, 电量就大, 但是体积就必然大, 且锌的利用率并不一定高。因此, 电量大小也并不是与锌的装载量呈正比, 提高锌的利用率才是解决体积问题的有效途径。从电化学角度说, 锌电极在放电过程中容易形成枝晶, 还存在自放电的现象, 这些都会影响锌的利用率。作者通过优化锌膏配方以及设计合理的锌电极结构大大缩小了单体电池的体积, 锌极的利用率可以达到60%～70%, 单体电池体积仅0.15 L。
3 技术突破
《3.1气体多孔电极》
3.1气体多孔电极
采用呼吸式气体电极
《图2 双空气阴极锌空气电池结构图》
图2 双空气阴极锌空气电池结构图
Fig.2 Scheme of zinc-air battery with double cathodes
《3.2锌电极》
3.2锌电极
作者设计的锌电极不同于普通的锌空气电池锌极。目前, 对于双空气极结构的锌空气动力电池, 其锌电极通常由集流体与锌粒制作成的平板状的锌板组成, 垂直置于两片空气极之间, 浸没在电解液中。电池机械充电的方式是从两片空气极中间取出旧的锌电极, 换上新的锌电极。更换锌电极的取出口仅仅是两片空气极之间的约1 cm宽的狭缝, 而且由于电池在放电反应过程中锌电极会发生电极增厚、特别是电极面不均匀增厚导致的扭曲变形, 使锌电极往往被卡住在双空气阴极中间, 导致更换操作不便, 还容易损伤空气极。空气极是电池壳体的一个组成部分, 承担侧向的液体压力, 若在更换过程中造成即使微小的损伤, 电池也会出现渗漏爬碱现象, 影响使用。作者提出的锌电极由内装锌膏和KOH溶液的敞口铜槽或白铁槽组成, 锌膏的配方不含汞等重金属污染物, 且有一定的黏性, 可以平铺在集流槽上, 而且锌膏和KOH溶液的混合物是通过一定比例配制的, 特点是电解液不易干燥, 放电容量大, 而且也不会出现漏液、爬碱等问题。这种结构的锌电极有利于机械式充电, 它的充电方式是采取更换锌膏和KOH溶液混合物的方式, 即将反应完全的锌膏和KOH溶液的混合物取出, 并在铜槽或白铁槽上重新平铺未反应的锌膏和KOH溶液的混合物, 这种更换负极反应物质的充电方式快捷方便, 而且避免了机械插块式充电方式的弊端
《3.3电池结构》
3.3电池结构
作者在电池结构的设计上避开了外氧式设计这种常规结构, 采用单体水平式。具体是在铜皮制成的长方形的托盘上, 平铺配制好的锌膏, 高度与托盘内的不导电塑料台阶平齐, 然后在锌膏上铺一层隔膜纸, 之后平铺空气电极, 该空气电极可覆盖住锌膏和周围塑料条的宽度。为了保障电极反应充分, 要将空气电极、锌电极与隔膜纸紧密结合。为此, 在实验中采用了矩阵式积压器。矩阵式积压器的制作是采用网格结构的塑料条构成合乎托盘尺寸的透气压板, 覆盖在空气电极上, 在靠近空气电极的一侧塑料条上贴若干个长2 mm, 宽1 mm的小塑料条, 形成矩阵式的结构。如图1a所示, 点接触的方式保障空气供应通道的畅通, 同时密集的点结构有利于两电极通过隔膜接触的紧密。这种矩阵式积压器在电极上的作用效果如图1b所示, 实际反应中, 空气极在压板的作用下, 隔膜和锌电极的接触变形没有那么明显, 图示是放大了这种效果以便说明压板的作用方式。将矩阵式透气压板水平放置在空气电极上, 通过两个夹板将电池壳、锌膏、隔膜、空气电极、矩阵式透气压板固定在一起, 成为一个单电池。12节单电池组成一组电池组, 三组电池组可以作为电动自行车用动力电池。采用这种设计的电池结构可靠、耐久、装配工艺简单完全可实现自动化生产。
4 放电实验
作者主要考察了该电池的大电流放电性能, 设定在5 A的状况下恒流放电, 终止电压设定为0.75V。该电池平均可连放电7～8 h。因此, 电池的额定容量设定为35 Ah。单节电池可以放电35 Ah以上, 可以用作动力电池。图4是典型的放电曲线, 该电池在配方上用锌粉64 g, KOH溶液35 g、聚丙烯酸钠1 g配制成100 g锌膏, 平铺在铜槽内。空气电极的制作如前述, 平铺在锌膏上, 中间夹一层隔膜纸, 空气极上放置矩阵式积压器, 以夹板固定。
《图4 锌空气动力电池放电图》
图4 锌空气动力电池放电图
Fig.4 Discharge curve of zinc-air battery
由图4可知, 电池的放电电压平稳, 放电时间为7.5 h, 容量达37 Ah。
电池容量 (Ah) 是衡量电池能量大小的关键参数, 容量的参考值是1.22 g锌可放电1 Ah。通常加大锌的使用量可以提高电池的容量, 但会导致电池体积、质量增大, 给设计带来负担, 因此, 电池的锌用量要综合考虑, 反复实验验证。作者设计的电池系统中, 锌的利用率达到了60%～70%。
5 技术指标
比能量和能量密度是衡量电池性能的重要参数。比能量以W·h/kg表示, 代表每公斤质量的电池能够提供多少能量;能量密度, 又称为体积比能量, 用W·h/L表示, 代表着每公升容积的电池能够提供多少能量;作者研制的锌空气电池的比能量和能量密度分别是185 W·h/kg, 240 W·h/L。超过了美国先进电池联合会 (USABC) 制定的电池商业化阶段的比能量和能量密度标准 (150 W·h/kg, 230 W·h/L)
6 结论
锌空气电池应用于电动自行车, 无论是从节约能源还是从环境保护的角度都有极大的优越性, 相对于商品化的铅酸电池来说具有足够的竞争力, 锌空气电池自身的优越性及在技术上的突破可以促进该电池的市场占有率。推广电动自行车用锌空气电池将大大方便用户, 并有利于环境保护。
参考文献
[1] 仇兆华, 殷业鸿.发展电动自行车利于节能和环保[J].中国能源, 2001, (12) :16
[2] 徐献芝.气液驱替法提高燃料电池输出功率初探[J].自然杂志, 2002, 23 (4) :214~217
[3] 电动汽车重大专项办公室.锌空气电池简介[EB/OL].http://www.chinaev.org
[5] 张煜, 张春润, 资新运, 等.电动汽车核心技术及其发展趋势[J].汽车电器, 2004, (9) :1~4
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