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最新电池科技深度解析

作者:佚名    微机原理来源:本站原创    点击数:    更新时间:2008-2-20

无论是开源还是节流,电池技术都扮演重要的角色,而所谓的电池又有两种意涵,一是发电性的电池(Cell),另一是蓄电性的电池(Battery),今日常言的太阳电池、燃料电池指的是发电性电池,即Solar Cell、Fuel Cell;而镍氢电池、锂离子电池则为蓄电性电池,即NiMH Battery、Li-lon Battery。

 

在发电性电池方面,现在正积极提升发电转换效率、降低成本、缩小体积;在蓄电性电池方面则努力增加蓄电量、可充电次数、安全性等等。以下本文将针对近年来较受瞩目的发电、蓄电技术发展进行说明。

 

磷酸锂铁电池

 

磷酸锂铁电池(Lithium Iron Phosphate Battery)是以磷酸锂铁(LiFePO4)为正极材料的电池,是目前认为深具未来潜力性的电池。

 

磷酸锂铁电池具有高使用寿命(充电次数达2,000次以上)、放电功率大(约为铅酸电池的6.6倍、镍氢电池的2.5倍)、充电时间快(不到2小时,为铅酸的4分之1时间、镍氢的2分之1时间)、转换效率高(达95%,铅酸约60%,镍氢约70%)。

 

更重要的是,磷酸锂铁电池的安全性高,其充放电时的热度低于锂电池,且没有其它锂电池(磷酸锂铁电池本身也属锂电池的一种)的安全性问题,近年来锂电池(在此指「锂钴电池」)经常因起火、燃烧、爆炸等问题而大量回收。另外磷酸锂铁电池的原料成本也低于锂钴电池,倘若磷酸锂铁电池与锂电池两者的技术都趋成熟,则生产成本方面前者较占优势。

 

不过,即便磷酸锂铁电池的用料成本,稍贵于锂电池也无妨,因为磷酸锂铁电池安全性顾虑相对更低,所以不需像锂电池般增设保护电路,可省去保护电路额外成本。

 

磷酸锂铁电池有诸多优点,但也有缺点,由于是新技术所以成本仍高,且技术专利掌握在少数业者之手(如:加拿大Phostech公司)。另外在相同体积、相同重量下其电容量虽比铅酸电池、镍氢电池高,但却不如其它锂电池,仅有一般锂电池的6~7成电容量。

 

由于电容量的因素,所以磷酸锂铁电池目前不倾向用于笔记型计算机、掌上型装置等高度讲究电池体积、电池电容量的产品内,这方面依然是传统锂电池的天下,磷酸锂铁电池反而比较积极用在中大型的应用产品上,取代过往属于铅酸电池、镍氢电池的应用,此方面包括电钻、电动轮椅、电动自行车,另外也包括车用电瓶、油电混合动力车(HEV)等,例如知名的Segway电动车,其后续车款的研发就将磷酸锂铁电池列入考虑。

 

虽然磷酸锂铁电池以中大型电池应用为主,但情况也逐渐在转变,知名的OLPC XO-1新兴国家用的学童计算机,在设计上除了可用镍氢电池外,也可使用磷酸锂铁电池,且相同容积下磷酸锂铁电池比镍氢电池轻(1.45kg与1.58kg),可减少同学的发育负荷。相对的,具更高电容量性的锂钴电池则不在考虑内,很有可能是以学童安全为考虑而不使用。

 

当然,OLPC XO-1可能是个特例,毕竟XO-1具有手摇/手拉发电设计,在电量不足时可让使用者自行发电,现阶段还没有完全只以蓄电池运作的笔记型计算机、掌上型装置是使用磷酸锂铁电池,未来则有待观察。

 

手摇发电

 

手摇发电是再原始不过的发电技术,但却也是最能立即取得的能源,比起太阳能、风力都更可立即取得。手摇发电过去一直不受重视,长时间被当成玩具看待,即便OLPC XO-1计算机使用手拉发电,多数业者也都将其视为特例(因应供电不稳的市场而设计),不认为会普及到一般电子产品上。

 

然而手摇/手拉发电仍会被持续小看吗?此有必要持续观察,现在愈来愈多的手摇式手电筒出现,另外Sony也在2006年发表手摇式收音机,不仅能收听广播,收音机上也具有LED,可充当手电筒照明。因此,与防灾相关的手电筒、收音机较先拥抱手摇发电,毕竟灾变不知会持续多久,与其倚靠仅有数小时电力的电池,手摇发电反而可靠。

 

此外Sony也于2007年12月发表了手摇式的数位相机:Twirl N' Take,这款数字相机强调环保,机身及配件等材料皆使用再生塑料,搭配上手摇发电则不需要使用电池。较可惜的是Twirl N' Take只是概念性产品,Sony尚未有量产打算,然由此也可看出手摇发电的运用机会,正逐渐增加。

 

生物电池

2007年8月23日Sony示范了被动式生物电池(Bio Battery)技术,生物电池主要是运用生物体内活性有机体的能量产生法,用酵素(酶、分解酶)为催化剂,从碳水化合物(糖、葡萄糖)中产生电力,过程中还需要吸收氧气,并将糖分解,以产生电能离子,而电能产生后的副产品为水(此比燃料电池更环保,燃料电池反应后的副产品为二氧化碳,过多的二氧化碳会加速温室效应)。

 

生物电池的好处在于整个发电系统都使用天然物质,所有物质都是人体可分解的,包括电池外壳都使用植物塑料(聚乳酸),相当环保。生物电池除了用糖之外,也可使用蛋白酶、氨基酸、脂肪等做为能源。

 

在实际示范上,Sony串接了4个立方体(每边边长3.9公分)的生物电池,产生了50mW(毫瓦)的电能,并用电能驱动Sony的Walkman数字随身听(NW-E407)。很明显的,生物电池的体积过大、发电力过小,离商品化尚远,但Sony将持续精进提升,以期达实用水平。

 

超级锂电池

 

最后锂电池也有新进展,过去日本Toshiba(东芝)于2005年发表过超级锂电池(Super Charge Battery),宣称只要充电60秒就可达到满充时80%的电量,并可充电1,000次。

 

而2007年12月Toshiba再次发表超级锂电池(Super Charge ion Battery ;SCiB),在特性表现上又再次提升,宣称5分钟内可充达90%的电量,充电次数增至5,000次,且在低温下的电容量衰退性也远低于一般电池,一般电池低于摄氏负10度电容量就会低于80%,SCiB则是到了负30度都依然有80%以上的电容量。Toshiba预计2008年3月正式量产SCiB,并以大动力应用为主要市场。

 

风力发电也有突破

 

除了中小型的发电、储电技术外,大型的发电技术也有新进展,过去一直被人认为发电力低、发电量时多时少的风力发电,因MagLev公司提出的新技术而改观,MagLev的超大型风力发电机,将大幅提升风力发电的发电效率与稳定性。

 

MagLev是在2007年11月26日,于北京举行的亚洲风力发电展示会(Wind Power Asia exhibition)中,揭露这项新技术,该技术与传统风力发电有诸多的不同点,传统风力发电是使用类似家用电风扇叶片设计,MagLev则改采垂直方式来排置叶片;另外传统风力发电使用滚珠轴承(Ball Bearing)来固定转轴,而MagLev则用磁浮效应来取代轴承,也因此这个超大型的新式风力发电机称为「Super-powered Magnetic Wind Turbine」。

 

若针对磁浮部分进一步了解,MagLev公司用的是永久磁铁(full-permanent magnet)而非电磁铁(electromagnet),所以磁浮不需要任何额外的用电,不过磁性部分用的材料为钕(neodymium),钕在地球上属稀土元素。

 

用磁浮取代轴承的好处是,能够大幅减少摩擦力,进而大幅提升风力发电效率,同时摩擦的减少也有助降低风力发电机故障率、延长使用年限,进而降低维护成本。

 

更具体地说,以往过低的风速,是无法推动传统风力发电叶片,因而无法发电,而新的磁浮风力机,则连轻微的风力都可以推动叶片、并从中发电,即便风速低于每秒1.5公尺都能推动叶片,另外叶片也可承受每秒40公尺以上的高风速。

 

再进一步比较,传统风力发电厂需要设置1,000座叶片机(发电机组),1,000座需要极大的占地,估计约要6万4,000英亩的土地,而发电量却只有500万瓦,500万瓦(5 megawatts)电力只能供应50万户家庭的用电。相对的,新式的磁浮风力发电只要1座超大型叶片机,占地仅100英亩,发电力最高可达10亿瓦(1 gigawatt),可供75万户家庭的用电。

 

所以,新式的磁浮风力发电将比传统风力发电多出20%的发电能耐,但维护成本却只有过往的50%,因为只要维护1组叶片机,以及磁浮的高耐用性,关于此MagLev方面宣称磁浮风力发电机能有500年的使用寿命。

 

磁浮风力发电听来具有技术创新性,但不表示此项技术还相当遥远,事实上已有2处地方决议布建此种新式风力发电系统,一是大陆的中科恒顺能源科技(Zhongke Hengyuan Energy Technology)公司已投入4亿人民币,决定开始建造发电力达400至5,000瓦的系统。另一处则将位在美国亚利桑纳州。

 

更重要的是,MagLev期望运用这项新技术能大幅降低发电成本,目标是让每千瓦小时(俗称:1度电)的电力成本能低于1美分。附带一提的是,每座MagLev的磁浮风力发电机,其建造花费估计要5,300万美元。

 


图说:OLPC XO-1新兴国家学童用笔记型计算机不使用锂电池,而是使用镍氢电池或磷酸锂铁电池,在相同容积中镍氢电池与磷酸锂铁电池的电容量不如锂电池。相对的,镍氢电池与磷酸锂铁电池的安全性也都高过锂电池。(刘家任摄)

 


图说:台湾新普科技(Simplo)已与美国Segway公司及美国A123公司技术合作,预计在新一型的Segway电动车上使用磷酸锂铁电池。图中为一名警官正骑乘Segway PT系列x-2(越野型)巡逻森林的画面。(www.Segway.com

 


图说:Sony推出的手摇发电式FM/AM收音机:ICF-B01。ICF-B01除了收听广播外也可充当手电筒,手摇1分钟(约120转)可收听40分钟FM广播或60分钟AM广播,或手电筒照明15分钟,另外ICF-B01也可使用AAA电池运作。(www.sonystyle.com

 


图说:图中偏左位置的4颗串接立方体是Sony研发的4颗生物电池(Bio Battery),偏右位置则是电池内的葡萄糖溶液,每个立方体电池内可放入40cc(毫升)的溶液,图下方则是用生物电池驱动的Sony数字随身听。(www.Sony.com

 


图说:一般充电电池在摄氏25度下,以1C充电率、1C放电率使用的话,仅500次左右的充电就会让电容量低于80%。相对的,SCiB也在摄氏25度下,但充放电率更急快,如此即便充电3,000次,其电容量都不会低于80%。(www.babelfish.altavista.com

 


图说:MagLev提出的超大型直立涡轮式风力发电机,运用永久磁铁的磁浮性,即便微弱的风力都可以推动涡叶、产生电力,同时因机械摩擦力的减少而提高机组的耐用性,从而降低运作、维护成本。(www.inhabitat.com
 

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