泡沫镍在汽车动力电池中的应用现状及发展趋势

D1 泡沫镍在汽车动力电池中的应用现状及发展趋势

摘要：在世界能源危机和环保问题的双重压力下，电动汽车得到了迅速发展，特别是以目前市场上技术最成熟的镍氢电池为动力的HEV 和EV 颇受关注。泡沫镍作为镍氢动力电池的核心骨架材料，国内外各专业研究机构和企业对其各项性能的研究也越来越深入。本文通过对泡沫镍材料在国内外HEV 和EV 动力电池中的发展现状进行描述，进一步提出未来HEV 和EV 镍氢动力电池用泡沫镍的技术发展方向与性能要求，以推动我国在新能源汽车核心部件的研发与应用。

关键词：混合动力汽车；纯电动汽车；镍氢动力电池；泡沫镍

Abstract ： Under the big background, in which the world energy crisis and people’s environmental awareness is stronger, the electric vehicles is gradually becoming a part of people’s life, especially on the present market, the EV and HEV with which the most matured technological Ni-MH battery as the power. Nickel foam was a core of reinforcing material in nickel-hydrogen batteries, domestic and foreign professional institutions and enterprises researched the performance of its more and more in-depth, especially for nickel-hydrogen batteries used specially on the HEV and EV —nickel foam material. The research described in the HEV and EV battery current the development of the nickel foam material at home and abroad, further pointed out the technology development direction and performance requirements of future nickel foam used on HEV and EV batteries, to promote development and application components of the core of new energy vehicles in China.

Keywords ：hybrid electric vehicles；pure electric vehicles；N i-MH power battery；Nickel foam.

0前言

随着石油供应的日趋紧缺、环境污染的日益加剧以及人们环保意识的逐步增强，电动车这种以电能为动力的交通工具凭借其节能、环保的优点日渐成为业界关注的焦点。特别是HEV 和EV，由于拥有其它动力汽车所不具备的诸多优势，如节约燃油，清洁环保等，越来越被得到重视。专家普遍认为，混合动力与纯动力技术将成为21世纪最重要的汽车技术，并将决定世界汽车产业发展的趋势。由于电池的成本占到了电动汽车整车成本的1/3以上，致使电池的性价比决定了动力汽车的性价比，动力电池也成为是混合与纯动力汽车发展的关键所在。在当今所有已产业化的200万辆电动汽车中，镍氢动力电池占据了其中的90%以上；镍氢电池被公认为技术最成熟、性价比最高的动力电池，毫无疑问的成为了当今汽车动力电池的生力军。国家工信部于6月25日对外公布的《新能源汽车生产企业及产品准入管理规则》也明确指出，以镍氢电池生产的HEV 和EV 被归类为成熟产品，允许在全国范围内销售使用。泡沫镍作为镍氢动力电池的核心骨架材料，对镍氢电池的性能起着决定性的作用，很大程度上指引着镍氢电池的发展方向。

本文在简要地介绍了泡沫镍影响镍氢电池性能的基本原理以及在国内外HEV 和EV 动力电池中的发展与应用现状，并进一步提出未来HEV 和EV 镍氢动力电池用泡沫镍的技术发展方向与性能要求。

1泡沫镍影响镍氢电池性能的原理

泡沫镍是用多孔的开孔泡沫塑料、海绵等作为基体材料，采用化学镀镍、真空溅射镀镍或浸导电胶三种方法制备导电层，经预镀后可在通用的硫酸盐或者氯化盐镀镍电解液中电沉积镍，后经焚烧、还原工序便可得到性能优良的泡沫镍材料。泡沫镍作为镍氢电池核心骨架材料，主要通过两个方面影响镍氢电池的性能。

1.1电池集流体

泡沫镍作为镍氢电池的正极或负极极板材料，为电极填充活性物质的载体。由于孔隙率大，一般在90%以上，能够填充的活性物质多，所制得电池的容量大，放电时间长，生命周期得到很好地提升。泡沫镍极大的比表面积促使活性物质反应的速度加快，提高电池的输出电压，减少电池的串联数量，可以大大节约成本

以及减少电池组的总体尺寸、重量。

1.2导电材料

作为镍氢电池核心骨架材料，泡沫镍产品的纯度非常高，一般都能够达到99%以上，而且镍在电池电解液中的溶解度较小，可以大大降低电池的自放电率，解决镍氢电池相对于其他种类电池具有的最大缺陷—自放电率最高的问题，从而提升电池的利用率，延长电池的使用寿命,极大提升镍氢电池的竞争力。镍拥有良好的导电性能，所获得的泡沫镍电阻非常小，一般保持在400欧以下，能够大大降低电池的内电阻，提高输出电压，从而达到降低成本的目的。

泡沫镍的各项性能参数对电池极板的机械特性和电学特性的影响并不是孤立的，而是相互影响和制约的。因此在电池极板的实际生产中可根据电池的性能要求，倾向性地优选[1]。

2泡沫镍的发展现状

2.1泡沫镍在国外镍氢动力电池中的发展现状

泡沫镍在MH/ Ni 电池中作为电极基板，主要起保持活性物质和导电的作用。各国进行泡沫镍的生产工艺各异，归纳起来主要有50年代兴起的烧结法、发泡法、真空气相沉积法、电沉积法和沉积法等[2]。传统的烧结法制得的基板的孔隙率在80 %左右, 比表面积较大, 但制造工艺复杂, 成本较高, 孔隙直径小(10～50μm ) , 活性物质的填充受到限制, 不能满足电池系统的小型化、轻量化、高性能化的要求。自20世纪80年代以来，日本、美国和法国就针对片式泡沫镍的不足，研究出了带状泡沫镍的生产。但至1997年，全世界也只有以上的三国能够生产，1997年，加拿大的INCO 公司羰基镍法生产连续带状泡沫镍获得成功； 1998年我国长沙力元在国内率先研制出连续化带状泡沫镍产品的制程工艺[3]。泡沫镍由于具有三维网状结构、孔隙率高(高于95 %) 、比表面积大、抗拉强度好、孔径适中( 2 0 0～6 0 0μm ) 、活性物质填充容易;并且与烧结式基板相比可大大节省金属镍, 且电池容量提高40 %以上。因此自其产生就倍受关注, 相关的研究、开发竟相开展, 并到20 世纪80 年代中后期, 逐步取代传统的烧结式基板, 在高比能量MH/ Ni 电池的开发、生产中获得成功的应用[4]。

不同的连续带状泡沫镍的生产工艺，获得了性能各异的泡沫镍产品。当今世界上主要连续带状泡沫镍生产企业有以高走速生产见称的美国ELTECH 和日本

住友电工，高浓度高电流生产的日本片山，高纯度、高力学强度产品著称的法国NITECH ，以及超强结合力扬名的湖南科力远等。

2.2泡沫镍在我国镍氢动力电池中的发展现状

近年来在世界能源危机和环境恶化的大背景下，以环保，节能为主要特性的混合动力汽车和纯动力汽车发展很快，受到了世界各国的重视。据相关人士预计，到2012 年，国内新能源汽车的年产量将达到100 万辆，将带动5.2 万吨正极材料、4.1 万吨负极材料、4 万吨电解液的需求，产值将达到700 亿元。随着技术进步和政府的大力扶持，未来几年HEV和EV将以几何级数增长，对先进电池材料的需求更加旺盛。我国自2008年全球金融危机以来，出台了一系列新能源规划，电动汽车产业是扶持的重点产业之一，国家鼓励个人购买电动汽车的财政补贴政策也即将出台。镍氢电池以电容大，放电平稳，安全和价格便宜等优势占据目前全球电动汽车市场的90%以上的市场份额。据相关专家估计，在未来三至五年，镍氢电池仍然独领风骚。而泡沫镍在镍氢电池中的关键作用，国家发改委因此将超强泡沫镍列入新材料重大专项予以支持[5]。

我国自从上世纪九十年代末，力元新材公司继日本，美国，法国和加拿大四国后成功推出带状连续泡沫镍的生产，它不仅填补了我国在镍氢电池材料领域的一项空白，打破了国外的垄断。因成长性显著，公司作为国家“863计划”新材料产业化的重点项目基地，力元新材的泡沫镍业务规模2002年一举超过多年的老龙头日本住友公司而成为全球业界的新霸主，更遥遥领先于国内同行。现产量达到每年500万平米，占国内产量的70%以上，产品市场占有率占全球的50%[3]。特别是以此公司的泡沫镍产品为原料的科力远镍氢动力电池的大功率充放电、高低温使用寿命等技术水平均达到国际先进水平5。 []

我国廉价的劳动力以及丰富的资源得以让我国成为了世界的“加工厂”，特别是在主要的发达国家严格的环保政策和将昂贵的劳动力的压力下，使得泡沫镍的生产中心逐渐向我国转移。我们不能简单地认为我们占据了主要的市场份额便固步自封，要清醒的认识到这个事实，必须增大科技投入，提升产品的科技含量，发展与之相关的下游产业，打造一条高水平的镍-泡沫镍-电池-电动汽车产业链。 3未来HEV 和EV 镍氢动力电池用泡沫镍的技术发展方向与性能要求

铅酸电池的应用时间最长，也最成熟，是成本售价最低廉的电池，但存在的

主要问题是一次充电的行程短，一般为30～40km ，且快速充电也要4～6h ，并且质量比能量也只有30wh/kg，在能源危机的和小型化趋势逐步增强的大背景下将逐渐退出历史舞台。尽管磷酸铁锂和燃料电池的发展速度很快，但镍氢电池作为技术成熟，放电稳定，安全等因素逐渐登上历史舞台，并在未来5-8年内仍将是电动汽车动力电池的主流，之后镍氢电池技术将逐步和磷酸铁锂、氢燃料电池三分天下 [6]。电池巨头松下和三洋也均认为，锂离子动力电池不可能在2～3年内取代镍氢动力电池，主要原因是镍氢动力电池便宜安全，已经达到规模化生产。锂电池还有课题需要继续攻关，如安全性，因此商业化尚需时日。

正是镍氢电池的地位在最近几年内还难以被动摇，核心材料泡沫镍的地位也就自然难以被取代。随着人们环保意识的逐渐加强和世界能源危机的加剧，HEV和EV 将引领汽车行业的发展方向，并逐步抢占市场份额，据有关人士透漏：目前全球范围内需求量缺口尚在400万m 2／年左右．而且每年需求量将以20 %的速度递增[5]。截至2020年，HEV 将占世界汽车总量的25%，约2500万辆。而镍氢电池由于技术成熟、性能可靠、安全性好等优良特性而在毫无疑问成为了汽车动力电池的主力军。若以每辆汽车6～12m 2来计算，则2020年2500万辆的电动汽车将需要泡沫镍1.5～3亿m 2 ，目前全球泡沫镍产能大约为1000万平米。而泡沫镍的高速发展，发过来又会大大提升电池性能，促进汽车行业的发展，进而形成一个良性循环，这也是行内人士与企业都十分看好带状泡沫镍产品市场需求前景的原因。

目前，泡沫镍在我国属于一种高新技术产品，国内连续生产的带状泡沫镍与国外产品质量相比仍有一定差距，尤其是HEV 用泡沫镍，目前国际市场几乎被日本住友电工所垄断，科力远公司是国内唯一能批量生产HEV 用泡沫镍的生产厂家。但受我国电动汽车市场仍在培育阶段的影响（2009年我国所有电动汽车、电动大巴的总销量也只有900多辆），目前量产较小。国内差距主要体现在其厚度均匀性和成品率等方面，有待于进一步改进

能如下[8]：

A．高能量：采用质量比能量为70W.h/kg的Ni/MH电池时，商品电动力的续航里程能达到200mile 。

B.高功率：采用质量比功率为220W/kg的Ni/MH电池时，商品电动车 [7] 。HEV 用Ni/MH电池的主要性

的加速性能可与ICE 驱动的车辆相当。

提高电池的质量比能量的途径体现在电池极板材料上时，主要以降低集流体的厚度和大的开孔率，以利于提高活性物质的填充量，因此大开孔率及超薄泡沫镍将会成为HEV 或EV 动力电池的应用方向。而低厚度泡沫镍的开发，必须牵涉到超低面密度的开发以及高抗拉强度等系列因素，同时必须配合电池厂商进行相关领域的合作，以高性能的材料配套相应的设备，以满足实际的工业生产。 4结语

对于镍氢电池的生产，我国有很好的政府与政策支持、丰富的自然资源以及高速发展的配套产业[9]，应该紧紧抓住这个契机，快速高质发展泡沫镍产业，特别是HEV用泡沫镍，推动国内HEV与EV的产业腾飞。尽管我国已是世界连续化带状泡沫镍的生产王国, 并且产能仍在不断提高, 但如何用清洁生产工艺制造高品质的汽车动力电池泡沫镍, 仍是今后连续泡沫镍制造技术的研究与发展方向

[10-13]。

同时，随着电动汽车产业的发展需要，将对泡沫镍材料提出更多更高的要求，主要表现在如何提高泡沫镍的高比表面积、高物理性能、高密度均一性、超薄低沉积密度以及高纯度低电阻等性能 [14-17]，以适应汽车动力电池的长寿命、高功率、大电流充放电、以及低成本等的性能要求。

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