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鐵電�
閱讀�3953�(shí)間:2017-10-25 09:45:38

  目前國內(nèi)外研究的�電池有高鐵和鋰鐵兩種,還沒有廠家宣稱其產(chǎn)品可以大�(guī)模實(shí)用化� 高鐵電池是以合成�(wěn)定的高鐵酸鹽(K2FeO4、BaFeO4等),可作為高鐵電池的正極材料來制作能量密度�、體積小、重量輕、壽命長、無污染的新�化學(xué)電池鐵電��

安全問題

  單純的鐵電池,安全性相�(duì)�(qiáng)一�;但也不如另一� 形式� �(chǔ)存電能的裝置 -- 超級(jí)電容� ,又叫法拉電�。因?yàn)槌潆婋姵厥腔瘜W(xué)電池,充電過程就是一�(gè)可逆的過程,都有危�(xiǎn)性�
  而鋰鐵電�,因?yàn)橛袖囯x�,電壓過高容易產(chǎn)生鋰枝晶,也即是生成了單�(zhì)�,容易發(fā)生短�,造成危險(xiǎn)�
  所�,大家在使用鋰鐵電池�(shí)候,尤其是充電的�(shí)�,要注意安全,不要超過許可電��

�(fā)展歷�

  早期�(yīng)�
  鎳鐵電池由愛迪生�1901年發(fā)明,�(dāng)�(shí)被用作電�(dòng)汽車的能�,比如底特律電動(dòng)�(Detroit Electric�。鎳鐵電池與鎳鎘電池相比,的�(yōu)�(shì)是價(jià)格低�,但由于這類電池充電效率�,以及后來制氫技�(shù)的大�(fā)�,鎳鐵電池技�(shù)逐漸衰落�
  后期�(yīng)�
  愛迪生在1903�1940年間制造這些電池,為公司帶來了可觀的利�。使愛迪生失望的是,沒有人接受用他的電池來啟�(dòng)�(nèi)燃機(jī),而上述的電動(dòng)汽車在引�(jìn)這些電池的幾年后就停�(chǎn)了�,這種電池只是在鐵路信�(hào)�(fā)送及備用電源方面得到廣泛的應(yīng)��

�(yōu)�(diǎn)

  高能高容�
  市場(chǎng)上的民用電池比功率只�60- 135w,而高鐵電池可以達(dá)�1000w以上,放電電流是普通電池的3�10倍。特別適合需要大功率、大電流的場(chǎng)合�
  高鐵電池性價(jià)比高�
  高鐵電池放電曲線平坦� 如Zn-K2FeO4 � 70%以上的放電時(shí)間在1.2-1.5V�
  原料豐富
  地殼中最為豐富的金屬元素為鋁和鐵,鐵在地殼中的含量為4.75%,錳的含量�0.088%。同�(shí)每mol+6�(jià)鐵能�(chǎn)�3mol電子,而每mol+ 4�(jià)錳僅能產(chǎn)�1mol電子,鐵的用量在自身非常豐富的情況下,僅是錳�1/3,大大節(jié)約了社會(huì)資源,降低了原料的成本。市面上MnO2大約9000�/ 每噸,F(xiàn)e(NO3)3大約7500�/每噸�
  綠色無污染。高鐵酸鹽放電后的產(chǎn)物為FeOOH或Fe2O3-H2O,無毒無污染,對(duì)�(huán)境友�。不需要回��

原理

  鐵電池應(yīng)�
  �(jìn)一步降低汽車尾氣對(duì)�(huán)境帶來的污染,采取著不同措施,一些新能源不斷被利用到�(xiàn)代的汽車�,比如天然氣,氫能源,電�(dòng)能源,燃料電池等,而燃料電池就是各�(gè)汽車廠家和科研機(jī)�(gòu)著力研究的一�(gè)方向�
  國內(nèi)外研究狀�
  目前國內(nèi)外研討的鐵電池有高鐵電池和鋰鐵池兩種。高鐵電池是一種以合成�(wěn)定的高鐵酸鹽(K2FeO4、BaFeO4等)作為高鐵電池的正極材料制作的,具有能量密度大、體積小、重量輕、壽命長、無污染等特�(diǎn)的新型化�(xué)電池;另一種是鋰鐵電池,主要是磷酸鐵電�,開路電壓在3.0~3.6v,工作電壓在2.5V-3.3V,而且放電平穩(wěn)、無污染、安�、性能�(yōu)��

特點(diǎn)

  鋰鐵電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池,由于其性能特別適合于動(dòng)力方面的�(yīng)�,因而也有人叫它“鋰鐵動(dòng)力電池”。(以下簡稱“鋰鐵電池”)
  鋰鐵電池的工作原理(LiFePO4�
  LiFePO4電池的內(nèi)部結(jié)�(gòu)如圖1所�。左邊是橄欖石結(jié)�(gòu)的LiFePO4作為電池的正�,由鋁箔與電池正極連接,中間是聚合物的隔膜,它把正極與�(fù)極隔�,但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(石墨)組成的電池負(fù)�,由銅箔與電池的�(fù)極連接。電池的上下端之間是電池的電解質(zhì),電池由金屬外殼密閉封裝�
  LiFePO4電池在充電時(shí),正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向�(fù)極遷�;在放電過程中,�(fù)極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷�。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電�(shí)來回遷移而命名的�
  LiFePO4電池主要性能
  LiFePO4電池的標(biāo)稱電壓是3.2 V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓�2.0V。由于各�(gè)生產(chǎn)廠家采用的正、負(fù)極材�、電解質(zhì)材料的質(zhì)量及工藝不同,其性能上會(huì)有些差異。例如同一種型�(hào)(同一種封裝的�(biāo)�(zhǔn)電池),其電池的容量有較大差別(10%�20%��
  磷酸鐵鋰電池的特�(diǎn)
  效率輸出
  �(biāo)�(zhǔn)放電�2�5C、連續(xù)高電流放電可�(dá)10C,瞬間脈沖放電(10S)可�(dá)20C�
  溫時(shí)性能良好
  外部溫度65℃時(shí)�(nèi)部溫度則高達(dá)95�,電池放電結(jié)束時(shí)溫度可達(dá)160�,電池的�(jié)�(gòu)安全、完��
  安全�
  使電池內(nèi)部或外部受到傷害,電池不燃燒、不爆炸、安全��
  使用壽命
  好的循環(huán)壽命,經(jīng)500次循�(huán),其放電容量仍大�95%�
  放電情況
  放電到零伏也無損��
  充電情況
  可正常充�、快速充��
  成本
  材料可循�(huán)利用,故成本不高�
  �(huán)�
  �(huán)境無污染�

�(yōu)缺點(diǎn)

  �(yōu)�(diǎn):壽命長、充放電倍率�、安全性好、高溫性好、元�?zé)o�、成本低�
  缺點(diǎn):能量密度低、振�(shí)密度低(體積密度��
  未來的電�(dòng)汽車�(yīng)該以小里�、快充電的電�(dòng)汽車為主。而目前家用車需要長�(xù)航的�?;旌�?dòng)�,以及公交市�(chǎng)的大�(xù)航純電汽�。那么這樣的車需要什么樣的電池?
  一、安�
  首先安全是汽車必備的前提。汽車不同于手機(jī)和電�,汽車在高速行駛中有可能遇到眾多不可預(yù)知因素,比如車禍造成的電�?cái)D壓和撞擊。而任何一�(gè)不利的因�,都有可能造車車毀人亡。我們可以看到一些老年代步車使用劣�(zhì)的鉛酸電�,完全沒有安全保�,電池自�、受撞擊燃燒的案例比比皆�。再比如特斯拉近一年的連續(xù)著火事件,雖然得利于特斯拉的安全�(shè)�(jì)并沒有出�(xiàn)人員傷亡。但同時(shí)也要看到,這幾次事件都是非常輕微的碰撞事故,碰撞本身對(duì)車和人并無傷�,而電池卻著火�,那么如果是更嚴(yán)重的事故��
  �、高倍率放電壽命
  普通汽車使用壽命長�(dá)�(shù)十年,一輛電�(dòng)汽車的電��10年至少需�3000次的循環(huán)壽命。電池作為比較貴的部件,壽命能否與車等同是非常重要的,既要保證車輛的性能又要保證車主的利�,這樣才能利于市場(chǎng)的推�(dòng)。目前世界各車企的電�(dòng)汽車,只有去年上市的比亞迪“秦”做到了電芯終生�(zhì)��
  �、溫度適�(yīng)�
  極寒�(duì)電池的影�,主要表�(xiàn)在充放電倍率低和電容量減�;極熱對(duì)電池的影響,主要表現(xiàn)為壽命減�、高溫安全性以及充放電能力下降�
  極寒�(duì)于電池的影響相對(duì)較輕,因?yàn)橐话沅囯姵囟伎梢栽诹�?0度以下使�,而且在電池的放電過程中本身就�(huì)�(chǎn)生熱�,但能耗的增加以及電量的減少不可避��
  �、能量密�
  能量密度,顧名思義就是單位重量的電池所能容納的能量。能量密度通常是判斷電池優(yōu)略的重要指標(biāo),但是在筆者的分析體系�,能量密度在電池性能指標(biāo)中不是很重要�
  �、成�
  成本非常好理�,要廣泛普及必須要有成本�(yōu)�(shì),這在本系列篇也已�(jīng)�(jì)算過。小里程純電或者混�(dòng)電動(dòng)車,一方面需要減少車載電池量節(jié)約電芯成�,另一方面需要降低電池包+保護(hù)�(shè)備的成本。因此我們發(fā)�(xiàn),特斯拉的電芯成本雖然較�,但是整體成本依然居高不��

特性壽�

  磷酸鐵鋰�(dòng)力電池(以下簡稱鋰鐵電池)作為鐵電池的一種,一直受到業(yè)界朋友的廣泛�(guān)注(也有人說鋰鐵電池其實(shí)就是鋰離子電池的一種)。就鐵電池而言,它可以分為高鐵電池和鋰鐵電�,今天我們以型號(hào)為STL18650的鋰鐵電池為�,來具體說明一下鋰鐵的電池的放電特性及壽命�
  STL18650的鋰鐵電池(容量�1100mAh)在不同的放電率�(shí)其放電特性如�2所示。最小的放電率為0.5C,的放電率為10C,五種不同的放電率形成一組放電曲�。由�1中可看出,不管哪一種放電率,其放電過程中電壓是很平坦的(即放電電壓平穩(wěn),基本保持不變),只有快到終止放電電壓時(shí),曲線才向下彎曲(放電量�(dá)�800mAh以后才出�(xiàn)向下彎曲�。在0.5�10C的放電率范圍�(nèi),輸出電
  壓大部分�2.7�3.2V范圍�(nèi)變化。這說明該電池有很好的放電特��
  容量�1000mAh的STL18650在不同的溫度條件下(�-20�+40℃)的放電曲線如�2所示。如果在23℃時(shí)放電容量�100%,則�0℃時(shí)的放電容量降�78%,而在-20℃時(shí)降到65%,在+40℃放電時(shí)其放電容量略大于100%�
  從圖3中可看出,STL18650鋰鐵電池可以�-20℃下工作,但輸出能量要降�35%左右�
  STL18650的充放電循環(huán)壽命曲線如圖4所�。其充放電循�(huán)的條件是:以1C充電率充�,以2C放電率放�,歷�(jīng)570次充放電循環(huán)。從�3的特性曲線可看出,在�(jīng)�570次充放電循環(huán),其放電容量未變,說明該電池有很高的壽命�
  過放電到零電壓試�(yàn)
  采用STL18650�1100mAh)的鋰鐵�(dòng)力電池做過放電到零電壓試�(yàn)。試�(yàn)條件:用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿,然后用1.0C放電率放電到電池電壓�0C。再將放�0V的電池分兩組:一組存�7�,另一組存�30天;存放到期后再�0.5C充電率充�,然后用1.0C放電。比較兩種零電壓存放期不同的差別�
  試驗(yàn)的結(jié)果是,零電壓存放7天后電池?zé)o泄漏,性能良好,容量為100%;存�30天后,無泄漏、性能良好,容量為98%;存�30天后的電池再�3次充放電循環(huán),容量又恢復(fù)�100%�
  這試�(yàn)說明該電池即使出�(xiàn)過放電(甚至�0V),并存放一定時(shí)�,電池也不泄漏、損�。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性�

 

前景

  鐵電池是在鋰電池基礎(chǔ)上的�(yōu)�、更新。從成本上講,鐵比鋰更低。而且,鐵是地球上含量第二豐富的金屬元素,到處可以取得,所以具有先天的�(yōu)�(shì)。相�(duì)比原來的鋰電池造價(jià)更低的成本優(yōu)�(shì),由于鐵電池的定�(jià)跟原材料選用有直接關(guān)�,因而造價(jià)自然�(huì)低很多�
  鋰鐵電池具有眾多的優(yōu)�(diǎn),從材料的原理上�,磷酸鐵鋰也是一種嵌�/脫嵌過程,這一原理與鈷酸鋰,錳酸鋰完全相同。磷酸鐵鋰電池的�(yōu)�(diǎn)在于,安�、價(jià)格便宜、環(huán)��
  首先,磷酸鐵鋰的安全性能是目前所有的材料中的。它和其他磷酸鹽的安全性能也基本一�,用磷酸鐵鋰做電�,不用擔(dān)心爆炸問題�
  其次,穩(wěn)定性高,高溫充電的容量�(wěn)定性好,儲(chǔ)存性能�。這點(diǎn)是的�(yōu)�(diǎn),在所有知道的材料中也是的�
  此外,整�(gè)生產(chǎn)過程清潔無毒。所有原料都無毒。并且磷酸鹽采用磷酸源和鋰源以及鐵源為材料,這些材料都十分便��

研發(fā)�(xiàn)狀

  根據(jù)鋰鐵電池的眾多優(yōu)�(diǎn),并且伴隨著磷酸鐵鋰做電池技�(shù)的成�,該技�(shù)正在被企�(yè)推向市場(chǎng)�
  07�3�,北京大�(xué)與北大先行科技�(chǎn)�(yè)有限公司�(lián)合申�(bào)的“磷酸鐵鋰產(chǎn)�(yè)化技�(shù)”經(jīng)北京市政府批�(zhǔn)�(jìn)入“北京新材料工程中心”首批入選項(xiàng)��10�25�,北京趙鳳桐副市長親自為“磷酸鐵鋰產(chǎn)�(yè)化基地”授牌。項(xiàng)目由政府資助金額180萬元,將形成具自主知�(shí)�(chǎn)�(quán)的“能量型”和“功率型”兩大產(chǎn)品規(guī)格系列及300�/年的生產(chǎn)線,建設(shè)周期�2007�1月至2008�12��
  事實(shí)�,幾年前美國Valence(威能)公司和A123(高博)公司,就已在國內(nèi)(江蘇)有材料生�(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)磷酸鐵鋰正極材料,然后采用委托其他電池公司代工生�(chǎn)電池出口�
  而高鐵電池作為電池中的一種新興技�(shù),但是,作為能量密度�、體積小、重量輕、壽命長、無污染的新型化�(xué)電池,將來一定會(huì)有更好的�(yīng)用前��

�(yīng)用前�

  雖然要想完全市場(chǎng)化仍存在一些現(xiàn)�(shí)問題,如政府的支持力度、消�(fèi)者的�(rèn)�、充電設(shè)備的建設(shè)�,但是隨著技�(shù)的成�,鋰鐵電池將�(huì)有更好的�(fā)��
  在國�,有很多生產(chǎn)廠家都在研究�(dòng)力電池,而在國內(nèi),但這畢竟是大膽地嘗試了將技�(shù)�(zhuǎn)化為�(chǎn)品,這種商業(yè)化運(yùn)作模式為其他致力于生�(chǎn)電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車的企業(yè)帶來了很大的啟示,也為電池制造企�(yè)指了條明路。相�,隨著燃料電池技�(shù)在汽車上的應(yīng)用的不斷成熟,“鐵電池”技�(shù)將會(huì)擁有更大的用武之��
  缺點(diǎn):“鐵電池”生�(chǎn)過程中對(duì)工藝要求非常�,如果把握不好,電池肯定�(huì)出現(xiàn)很多小問�。并且鐵電池的價(jià)格也不菲,國�(nèi)生產(chǎn)�40Ah容量磷酸鐵鋰電池組成本在3萬元�4萬元之間,如果是120Ah的磷酸鐵鋰電池組,市�(chǎng)�(jià)大約�12萬元。而比亞迪在早些時(shí)候發(fā)布的資料顯示F3DM所用鐵電池組容量為60Ah,這顯然會(huì)造成生產(chǎn)成本居高不下。另外關(guān)于比亞迪的雙模技�(shù),電池是其企�(yè)的優(yōu)�(shì)所�,無疑多年的�(jīng)�(yàn)讓其在“鐵電池”應(yīng)用上占有一定的�(yōu)�(shì),但比亞迪在油電切換這一塊的技�(shù),比豐田通用等等落后很多,根本達(dá)不到像豐田普銳斯那樣地切換自�,相信在這一塊的技�(shù),比亞迪至少還要研究三五�。這些都是制約F3DM銷售的原��
  �(guān)于應(yīng)用前景,充電站是�(guān)�。在全國范圍�(nèi),電�(dòng)車的充電站少得可�,這也是導(dǎo)致包括亞迪F3DM在內(nèi)的電�(dòng)車沒有零售的直接原因。雖然比亞迪曾經(jīng)在F3DM上市�(shí)表示,快速充電站正在建設(shè)�(dāng)中,但卻未給出充電站建設(shè)的具體時(shí)間表。筆者去過比亞迪工廠幾次,在其廠房門口看到了F3DM專用充電�,發(fā)�(xiàn)這種充電站并不是很容易建成的。要建造一�(gè)電動(dòng)車的充電�,成本投入是非常巨大的。而在一�(gè)城市�,至少需要幾百�(gè)充電站才能滿足需求。充電站建設(shè)地址、占地面積都很成問題,并且還有一�(gè)�(guān)鍵的問題是充電時(shí)間的問題,如果一輛車�(dòng)輒要充上幾�(gè)小時(shí),那么一�(gè)與加油站同等面積的充電站,每天才能充幾十輛車而已。號(hào)稱純電動(dòng)可以�(xù)�400KM的比亞迪E6,實(shí)際應(yīng)用中,只能到200多KM,充電時(shí)間需�8小時(shí)以上(甚至更長),如果沒有私人車庫,如何在晚上充電時(shí)保障車輛和充電器的安��

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