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电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

80后基本都与镍氢电池有着不解之缘,小时候我们用过的索尼Walkman、收音机、四驱车,基本都靠镍氢电池驱动着。

为了写这篇文章,我买了两组全新的镍氢电池,分别是来自无锡产的松下爱乐普白皮(非FDK贴牌货)和GP超霸2000,装在松下冲牙器和D50/D100录音笔上用了数月。

不得不说,新型镍氢电池的放电表现比小时候用的那些强太多了。(因此,我是不是应该再买点四驱车?)

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

在此必须感谢索尼大法的研发部门,坚持使用AA电芯槽的可换电池设计,我那堆索尼MD机、CD机、录音笔居然随着时间转移,续航变得越来越长,而苹果们统统成了不插电就无法开机超过半小时的工业垃圾。

1600万的双擎HEV车型,其实没用锂电池

1年前(也就是上个月底)笔者在内蒙古试驾了一汽丰田的双擎系列,包括卡罗拉双擎亚洲龙双擎RAV4荣放双擎,对镍氢电池在-30℃下顺利充放电颇有感触。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

实际上,丰田这组镍氢电池最低在-40℃也能工作,而笔者单反中的锂离子电池在-25℃的气温中只拍了100张照片就罢工了。

为什么丰田在HEV车型上坚持使用古老的镍氢电池呢?

雪粉华 舞梨花 冬季试驾一汽丰田双擎系列

这时候我们得先从更多古老的电池配方聊起:

17世纪:荷兰莱顿大学(Leiden University)的彼得·范·穆森布罗克教授(Prof. Pieter van Musschenbroek)发明了莱顿瓶(Leyden jar),人类第一次捕捉到了电,这也是第一种储电设备(冬天的毛衣不算)。

18世纪:意大利物理学家亚历山德罗·伏打(Alessandro Volta)发明了世界上第一组正经的化学电源——“伏打电堆”。

电池研究院丨电池的昨天、今天与明天

19世纪:Dr. William Cruikshank设计了第一款便于批量制造的电池,法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸二次电池,电池与车辆在19世纪中页开始结合(如郭睿同事编撰的《电动车坎坷发展史》),爱迪生发明了可充电的铁镍电池,瑞典发明家Waldmar Jungner发明了镍镉电池,

电池研究院丨电池的昨天、今天与明天

20世纪:6V铅蓄电池从1918开始装车,统治汽车电气系统30多年之后被12V铅蓄电池替代;世纪末锂离子电池得到了技术性突破(索尼1991商用化)。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

21世纪:锂离子电池在消费电子、新能源汽车、电动飞行器、柴电潜艇、工业生产、智能穿戴等领域成就霸业。

毫无疑问,21世纪是锂离子电池创造历史的世纪,我们再也离不开锂离子电池了,目前锂离子电池行业主要有以下几种解决方案:

主流锂离子电池性能对比
电极材料能量密度成本稳定性安全性循环寿命
三元锂(正极)
磷酸铁锂(正极)
钴酸锂(正极)中低
锰酸锂(正极)中高中低
镍钴铝酸锂(正极)
钛酸锂(负极)最低最高

既然锂离子电池的种类如此繁多,生产成本逐年下降,为什么HEV非插电式混合动力车型都不喜欢用锂离子电池呢?

很简单:因为镍氢电池目前更便宜,循环寿命更长(爱乐普就有2000个循环可用),还不容易烧。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

更重要的是,镍氢电池无树枝状晶体产生,丰田1600万双擎家族车型在全球范围内都没有发生过电池包自燃事故。

“水素电池”是什么鬼?

第一次让便携式民用电子设备成为现实的是“大哥大”和镍镉电池(Ni-Cd)。

东西南北中,发财到广东。80年代末,一斤重的移动电话进入香港与广州市场,2万多一台的价格,充电10小时只能撑30分钟,镍镉电池记忆效应强,得配一个放电器放空了再充,最好每月进行一次深度充放电。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

上图这种巨型的电池就是镍镉电池,可循环1100次(实际用起来差远了)。

镍镉电池是第一代手机电池,第二代则是今日主角镍氢电池(Ni-MH),第三代是革命性的锂离子电池(Li-ion)。这条路走了30多年,每一步都非常不容易。

80年代出生的读者应该还记得小时候有一个词汇叫“水素电池”,我手头上刚好有三枚“水素电池”,中间那颗是索尼生产的,绿色两颗是国内的无牌副厂货,目前市场上只能买到后者。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

“水素”一词其实是日文,如下图翻译截屏和商品广告原图:

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

笔者找了一下镍氢电池的负极与正极的反应式,是下面这样的,这下子我才知道“水素”一词的来源:

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

作为镍镉电池的升级版,镍氢电池的能量密度更高,重量更轻,污染更少,循环寿命更长。

镍氢电池的研发开始于1967年,戴姆勒-奔驰和大众汽车当时参与了技术研发(研发地点在Battelle Geneva Research Center),将近20年的时间终于研发出能量密度只有50Wh/kg左右的镍氢电池。70年代,镍氢电池在人造卫星上有了应用(根据维基百科),但笔者并未找到具体的卫星型号。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

镍氢电池在1985年才终于商用化,随后各式镍氢电池成功占领了我们手里便携式电子设备的电池仓,后来被CD机打败的卡带机、后来被MD机打败的CD机、后来被MP3打败的MD机,中后期版本均改用了这种115×65×28mm的“香口胶式水素电池”,标定电压1.2V,容量1400mAh左右。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

索尼在1991年将锂离子电池投入商用化,但成本高到可怕,至今都没压到一个合理的价位(这也是各位觉得买电动车特别贵的原因)。

那么,大家就继续用镍氢电池作为主流的二次电池吧。可是前期的镍氢电池,自放电(漏电)特别厉害,放在四驱车上面用倒不是什么问题,因为充满电之后很快就被我玩光了。但若放在低电耗长续航的用电设备上,比如石英钟、遥控器,就很让人抓狂了。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

所以,笔者当时只会选用一次电池来给这些设备供电,最经典的配方就是下图的白皮三个五,红白蓝配色跟大白兔奶糖一模一样,不同的是大白兔是神物,白皮555是垃圾中的战斗机。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

后来日本三洋电机的eneloop镍氢电池很好地解决了这个自放电问题,2006年推出市场的第一代eneloop将1年的自放电比例缩减至20%,最低工作温度-10℃,循环次数1000次。

2009年松下收购了三洋电机50.19%的股份。2015年上市的第五代eneloop,10年的自放电比例才30%,这意味着镍氢电池最大的短板已被基本清除,拿来做低电耗长续航用电设备的供电也没有问题了。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

在电池界,eneloop“爱老婆”就代表着镍氢电池的最高水平。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

镍氢电池的电化学性能

镍氢电池(Ni-MH)的英文全称是Nickel-Metal Hydride,镍金属氢化物,这里的“金属”指的是金属互化物(intermetallic compound),其中分为两大类:

AB5:A = 稀土元素混合物(或)再加上钛(Ti);B = 镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)、(或者)加上铝(Al)。

AB2:A = 钛(Ti)或钒(V),B = 锆(Zr)或镍(Ni),再加铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和(或)锰(Mn)。

其中AB5类更常见,AB2类的容量更高。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

其化学原理是可逆地形成金属氢化物:充电时,氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)会释放出来,由以上化合物吸收并避免形成氢气(H2)以防电池结构被破坏;放电时,这些氢离子经由相反过程回到原来地方。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

与锂离子电池一样,镍氢电池不是一种配方而是一整个电池配方系列,可分为容量型、功率型、耐低温型、低自放型。

容量型镍氢电池:索尼5号镍氢电池可以达到1.2V*4600mAh,能正面对决14500锂离子电池。

功率型镍氢电池:放电比功率可以达到1300W/kg(持续放电),几乎是锂离子动力电池的两倍。

耐低温型镍氢电池:-40℃超低温工作,可用容量、内阻几乎没差别。低温是锂离子电池的死穴。

低自放镍氢电池:至于所以刚刚提到的eneloop低自放电镍氢电池,全称是LSD Ni-MH,Low Self-Discharge Nickel-Metal Hydride。自放电率是镍氢电池的死穴所在。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

镍氢电池有个优势,就是电压低,电控简单,可以完美替代普通的1.5V干电池,AA型(5号)和AAA型(7号)的镍氢电池的电压是1.2V,这是一个很关键的电压数字。

1.2V × 5 = 6V

1.2V × 10 = 12V

这意味着镍氢电池可以通过串并联组合轻松替代6V和12V电压平台的二次电池。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

太深奥的东西不说,我们直接来一点易懂易学的小结论吧,镍氢电池的优势有:

1、最大的优势是安全性高,即使制造工艺不良、受外力挤压变形、短路、大电流放电(伴随发热)也不会像锂离子电池那样自燃然后自爆。

2、技术成熟,适合大规模生产,成本较低。

3、配方很少污染,对环境基本没有影响。

4、低温性能好,秒杀锂离子电池。

5、循环寿命长,2000-5000个循环不是问题,HEV车型的镍氢电池基本都是终身免维护的。

6、记忆效应小。

7、电芯一致性比锂离子电池更高。

8、1.2V额定电压是个不错的数字,很容易凑整。(此外,最低放电电压是0.9V,满电1.4V,了解一下就行)

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

镍氢电池的劣势有:

1、能量密度太低,电芯单体能量密度只有60-120Wh/kg,成组之后更加惨不忍睹。

2、充电效率很低,只有66%左右,也即是34%的电量没被充进去,而锂离子电池充电效率可达95%。

3、自放电速度太高,三洋使用了新的阳阴极分隔层、新的阴极添加剂、新的超级晶体结构合金、更薄更坚固的外壳,完成了自放电的自我救赎。

4、放电倍率还不够强,虽然已经到了15C,但锂离子电池可以做到45C,所以给大众ID.R那种短跑爆发型的电动战车用镍氢电池的话就扑街了。

5、快速充电性能简直是渣渣,1C已经是镍氢的快充速度了……

6、高温情况下的充放电效率降低明显。

为何镍氢电池没能成为汽车动力电池主流?

汽车用的镍氢电池有两大流派,一派是美系的通用,一派是日系的松下&丰田。

我们先来说说通用,通用跟镍氢电池还是有段故事可以讲讲的。一开始Stanford R. Ovshinsky弄出了一种可供量产的镍氢电池并申请了专利,1982年成立了Ovonic电池公司,通用汽车1994年购买了Ovonics专利,随后用在了EV1后期版本上,就是下图这个。

通用EV1(纯电动):业界著名的纯电动工业垃圾,真正的电驱先锋之作。前期版本用的是16.5-18.7kWh的铅酸电池,后期版本用的是26.4kWh的镍铬电池,续航达到228km,在1999年这个年份算得上牛到不行不行的角色。

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不过,很快通用就发现自己彻底搞砸了,那批车子最终用通用自己收购回去集中销毁。

2000年10月,通用把专利卖给了德士古石油,一周后转手给雪佛龙。雪佛龙的子公司Cobasys一直生产着镍氢电池,后来又被SB LiMotive(三星SDI与博世合资)收购,2012年变成博世独资。

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另一个派系是松下与丰田合资成立的Panasonic EV Energy(PEVE)公司,他们在90那年代推出了适用于新能源车的高容量(28-95Ah)镍氢动力电池,用于1997年开始生产的丰田普锐斯,以及之后的本田Insight混动、本田思域混动、福特等车型。

本田Insight(混动):初代1999-2006(下图),二代2009-2014,三代2019至今。Insight是本田第一代IMA混动系统的试验田,薄片电机放在P1位置,飞轮之后、变速箱之前,镍氢电池使用D型。

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本田思域(一代混动):本田Insight IMA结构的“性能版”,电机也在P1位置,电池是120个串联的D型镍氢电池,6.0Ah容量比Insight更低,但充放电速度更高。

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本田EV Plus(纯电):本田给汽车工业带来的前锋之作,第一个大型汽车制造商抛弃弱炸天的铅酸电池,采用镍氢电池来驱动车轮,1997-199之间在日本枥木造了300台,续航129-169km,放在2012年左右的中国估计还有点竞争力。

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福特Escape混动,翼虎/锐际的前身):初代(2004-2008)与二代(2009-2011)福特Escape非插电式混动版用过镍氢电池,初代目还跟丰田THS(双擎)技术有专利抵触,这两家公司后来达成了专利共享协议,丰田允许福特用丰田的部分混动技术,福特允许丰田用福特的部分柴油机技术。

不过现在福特基本都落下功课了,比如蒙迪欧混动就改用了镍钴锰锂离子电池(MKZ当然是同款),好处是能量转换效率更高,我们测试蒙迪欧混动的时候也被它的超低油耗吓到了。耐用性和可靠性?暂时不太清楚,卖得太少了。

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福特Ranger EV(纯电):从Ranger单排皮卡改过来的,1998产的是铅酸电池版本,1999产的是镍氢电池版本,镍氢版本的能量密度提升至57.3Wh/kg,续航提升至185km(72km/h匀速)。这玩意一直生产到2002年,没人买的,都是以市场试验目的租了出去,2004年项目终止的时候全部给召回销毁了。

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丰田普锐斯(混动,1/2/3/4代)&丰田其他双擎混动车型:如今的第四代丰田普锐斯HEV双擎版本使用的是镍氢电池,这是一种超级长超级细的电芯(其实就是6个1.2V电芯串联起来),390×35mm,6500mAh,电压为7.2V。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

为了镍氢动力电池的专利,美系的Cobasys和日系的PEVE从2001年开始打了多年官司,2005-2014年间PEVE支付了大笔专利特许使用费给Cobasys,以获得PEVE在北美销售镍氢动力电池的权限。

实际上,Cobasys基本已是废的(2007年开始就转舵研究锂离子电池了),真正牛X大发的PEVE用镍氢电池盘活了整个丰田双擎系列,前文我们提到的数据是——全球范围内至今销售超过1600万辆,没有一台烧的。

关于丰田双擎镍氢电池的江湖传说还有更多数字,比如之前有一位来自美国硅谷洛斯加托斯(Los Gatos)小镇的普锐斯用户就宣称,他的2004款丰田普锐斯开到35.5万英里(57万公里)的时候才遇到了电池失效。

在美国,更换一套普锐斯镍氢动力电池的官方要价大概是4000美元(2.6万人民币),提供8-10年保修期。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

如今,丰田是全球HEV非插电式混合动力结构的技术和销量老大,坚持镍氢电池路线成为了“技术正确”的一个样本,之前使用松下丰田PEVE镍氢电池的本田和福特却纷纷离场。

能量密度如此低的镍氢电池还有未来吗?

镍氢电池已经是一种成熟的产品,目前国际市场年产量为12亿只左右,其中大型镍氢电池(车用镍氢动力电池)在2.5亿只左右,超过9成的大型镍氢电池是松下丰田PEVE生产的。

中国镍矿总储量290万吨,属于储量一般的国家,不过我国制造业成本较低,所以世界上很多镍氢电池生产商都在中国设立了生产基地,比如松下的无锡工厂,三洋的苏州工厂、汤浅的天津工厂。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

小型镍氢电池,中国的产量占全球74%左右,超霸(东莞)、豪鹏(深圳)、科力远(长沙)、三普(鞍山)、比亚迪(深圳)是大头;大型镍氢电池,日本的产量占全球95%左右,松下丰田PEVE在全球范围内一家独大。

镍氢电池的成本逐步下降,未来可能可以替代相当一部分的干电池,并利用其1000次以上的循环寿命提供更好的环保支持。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

消费类电器产品(小型)和HEV动力电池(大型)是镍氢电池的两大用户,此外还在安防和医疗等领域有着广泛应用,2019年国内行业规模是44亿元人民币,预计2020年在40亿元左右。根据中研普华产业研究院的研究报告,镍氢电池的市场规模会在2025年达到48.83亿元左右。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

在大型镍氢电池领域,HEV非插电式混合动力车型已是且将是镍氢电池的唯一大客户,安全性高、成本较低、污染少、低温性能好、循环寿命长是无可替代的优势。不过在当今的新能源补贴政策下,镍氢电池已经没希望进入补贴行列并打败部分锂离子电池成为BEV纯电动车型的动力电池,因为能量密度太低、充电效率太低、放电倍率太弱、快速充电太渣的特性,都是被锂离子电池吊打的。

电池研究院:为何双擎喜欢用镍氢电池?

玩砸了么?我怎么觉得好戏才刚刚开始啊。

虽然镍氢电池在BEV领域打不过锂离子电池,但HEV领域的占比是可以扩张的。《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》正在推动我国乘用车新车平均燃料消耗量水平在2025年下降至4.0L/100km,单凭ICE内燃机技术的提升是基本没有希望的,比如给ICE加上电动机组成HEV节能动力总成。

属于镍氢电池的节能车时代,正在默默到来。

(文:太平洋汽车网 黄恒乐)

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