新能源汽車電池與管理系統(tǒng)檢修2.4其他類型動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用2.4其他類型動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用知識目標(biāo)：1、了解鋅空氣電池的儲(chǔ)能原理及應(yīng)用特點(diǎn)；2、了解飛輪電池的儲(chǔ)能原理及應(yīng)用特點(diǎn)；3、了解超級電容的儲(chǔ)能原理及應(yīng)用特點(diǎn)；4、了解燃料電池的儲(chǔ)能原理及應(yīng)用特點(diǎn)能力目標(biāo)：能簡單闡述鋅空氣電池、飛輪電池、超級電容以及燃料電池的工作原理。教學(xué)重點(diǎn)：掌握其他新型動(dòng)力電池的應(yīng)用及發(fā)展教學(xué)難點(diǎn)：理解其他新型動(dòng)力電池的工作原理2.4其他類型動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用1.鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用；2.飛輪電池的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用；3.超級電容的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用；4.燃料電池的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用。主要內(nèi)容：2.4其他類型動(dòng)力電池的結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用1、鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)鋅空氣電池主要由空氣電極、電解質(zhì)溶液和鋅極板構(gòu)成；空氣中的氧為正極活性物質(zhì)，金屬鋅作為負(fù)極活性物質(zhì)；多孔活性炭位于正極，鉑或其他材料作為催化劑，使用堿性電解質(zhì)。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用2、鋅空氣電池的原理鋅空氣電池的工作原理：氧氣經(jīng)過擴(kuò)散層（多孔活性碳）擴(kuò)散到達(dá)催化層，在催化層表面處與水發(fā)生反應(yīng)，吸收電子，生成OH-，陽極的鋅與電解液中的OH-發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成ZnO和H2O，并釋放出電子，電子被集電層收集起來，在外電路中產(chǎn)生電流。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用3、鋅空氣電池的分類根據(jù)充電方式的不同以及在純電動(dòng)汽車應(yīng)用特點(diǎn)的不同可分為三類：（1）直接再充式鋅空氣電池是直接對鋅空氣電池的鋅電極充電，但由于鋅在堿性溶液中的電化學(xué)活性很大，產(chǎn)物在電解中易溶解，容易出現(xiàn)電極變形、枝晶生長、自腐蝕及鈍化等現(xiàn)象。因此，直接再充式鋅空氣電池的應(yīng)用受到了一定的限制。（2）機(jī)械充電式鋅空氣電池是指在電池完全放電后，將電池中用過的鋅電極取出，換入新的鋅電極，或者將整個(gè)電池組進(jìn)行完全更換，使用過的鋅電極或鋅空氣電池在專門鋅回收利用廠進(jìn)行回收再加工，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保無污染生產(chǎn)。（3）注入式鋅空氣電池是將配制好的鋅膏不斷地通過擠壓或壓力輸送送入電池內(nèi)，同時(shí)將反應(yīng)完畢的混合物抽取到電池外，純電動(dòng)汽車的電池系統(tǒng)只需攜帶足夠的鋅膏燃料就可實(shí)現(xiàn)車輛的連續(xù)行駛。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用4、鋅空氣電池的應(yīng)用1、鋅空電池主要用于航標(biāo)燈，也可用作鐵路信號、公路信號、地震測量儀、導(dǎo)航機(jī)、通信機(jī)、戰(zhàn)時(shí)醫(yī)療手術(shù)照明等，可取代普通的中性和堿性干電池；2、作備用電源代替笨重的鉛酸蓄電池。3、作軍用電源和電站調(diào)峰用。鋅空電池除可用于步兵隨身攜帶電源外，還可用作潛艇潛入水下的動(dòng)力電源，代替目前所使用的鉛蓄電池，以提高潛艇速度。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用5、鋅空氣電池的國內(nèi)應(yīng)用國內(nèi)在注入式鋅空氣電池方面開展了多年的研究工作，在部分電動(dòng)車輛上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性裝車測試。2010年，北京市安排5輛電動(dòng)大客車和環(huán)衛(wèi)車進(jìn)行運(yùn)行測試，另安排50輛電動(dòng)大客車和環(huán)衛(wèi)車電池，在北京市政府指定的線路進(jìn)行路試，投入市公交和環(huán)衛(wèi)系統(tǒng)的試驗(yàn)運(yùn)行，為市場化運(yùn)營提供可靠的依據(jù)。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用6、鋅空氣電池的優(yōu)點(diǎn)(1)容量大：空氣電極的活性物質(zhì)氧氣來自周圍的空氣，在相同體積、重量的情況下，鋅空氣電池就儲(chǔ)存了更多的反應(yīng)原料，因而容量相對較高。(2)能量密度高：目前已研制成功的鋅空氣電池比能量已經(jīng)可以達(dá)到200W·h／kg以上，是鉛酸電池的5倍。(3)價(jià)格低廉：陰極活性物質(zhì)氧氣來自空氣，不需要任何高成本組件；陽極活性物質(zhì)鋅來源充足，價(jià)格便宜，并且鋅可回收利用，價(jià)格可進(jìn)一步降低。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用6、鋅空氣電池的優(yōu)點(diǎn)(4)儲(chǔ)存壽命好:鋅空氣電池在儲(chǔ)存過程中均采用密封措施，將電池的空氣孔與外界隔絕，因而電池的容量損失極小，儲(chǔ)存壽命好。(5)鋅可回收利用、制造成本低:鋅來源豐富，生產(chǎn)成本低、回收再生方便且再生成本較低。(6)綠色環(huán)保:在使用完畢后，正負(fù)極物質(zhì)容易分離，便于集中回收，由于鋅空氣電池內(nèi)無有害物質(zhì)不會(huì)造成環(huán)境污染。一、鋅空氣電池的原理與應(yīng)用7、鋅空氣電池的缺點(diǎn)(1)自放電率高：鋅電極在堿性溶液中的是不穩(wěn)定的，鋅溶解后自放電會(huì)析放出氫氣，可在較短的時(shí)間內(nèi)消耗完存儲(chǔ)的電量；(2)無法充電：這是鋅空氣電池最致命的缺點(diǎn)，這種電池是一次性電池，不能充電循環(huán)使用；(3)電解液易滲漏：鋅空氣電池的表面有許多微小的孔隙，長時(shí)間使用容易發(fā)生滲漏，再加上電池內(nèi)的電解液具有較強(qiáng)的腐蝕性，一旦發(fā)生滲漏后果不堪設(shè)想。二、飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、飛輪電池的原理飛輪電池通過輸入/輸出電子裝置與外部大功率的電氣系統(tǒng)相連，外部系統(tǒng)所傳輸?shù)哪芰拷?jīng)由電動(dòng)機(jī)通過提升飛輪的轉(zhuǎn)速將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能儲(chǔ)存。當(dāng)需要向負(fù)載輸出功率時(shí)，飛輪通過發(fā)電機(jī)再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)飛輪轉(zhuǎn)速降低。飛輪電池儲(chǔ)能是基于飛輪以一定角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以存儲(chǔ)動(dòng)能:飛輪電池的飛輪是在真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)速可達(dá)200000r／min；電機(jī)和飛輪都使用磁軸承，使其懸浮，以減少機(jī)械摩擦，同時(shí)將飛輪和電機(jī)放置在真空容器中，以減少空氣摩擦。這樣飛輪電池的凈效率(輸入輸出)達(dá)95%左右。二、飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、典型飛輪電池的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)飛輪電池主要由以下幾部分組成：復(fù)合材料飛輪-核心部件、碳纖維、集成的發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)-減少系統(tǒng)的大小和重量、支撐磁懸浮軸承、電力電子變換器-決定飛輪輸入、輸出量的大小、真空腔、輔助磁懸浮軸承以及事故屏蔽容器。二、飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、飛輪電池的特性（1）能量密度高，儲(chǔ)能密度可達(dá)100～200W·h／kg，功率密度可達(dá)5000～10000W／kg。（2）能量轉(zhuǎn)換效率高，工作效率高達(dá)90%。（3）工作溫度范圍寬，對環(huán)境溫度沒有嚴(yán)格要求。（4）使用壽命長，不受重復(fù)深度放電影響，能夠循環(huán)幾百萬次運(yùn)行，預(yù)期使用壽命20年以上。（5）低損耗、低維護(hù)，磁懸浮軸承和真空環(huán)境使機(jī)械損耗可以被忽略，系統(tǒng)維護(hù)周期長。二、飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、飛輪電池的應(yīng)用(1)交通運(yùn)輸：由于成本和小型化的問題，僅在部分電動(dòng)汽車和火車上有示范性應(yīng)用，并且主要是混合動(dòng)力電動(dòng)車輛，車輛在正常行駛或制動(dòng)時(shí)，給飛輪電池充電，在加速或爬坡時(shí)，飛輪電池則給車輛提供動(dòng)力，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最優(yōu)狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。(2)航空航天：航空航天方面包括在人造衛(wèi)星、飛船、空間站上的應(yīng)用等。飛輪電池一次充電可以提供同重量化學(xué)電池兩倍的功率，同負(fù)載的使用時(shí)間為化學(xué)電池的3～l0倍。(3)不間斷電源：飛輪電池作為穩(wěn)定電源，可提供幾秒到幾分鐘的電能，這段時(shí)間足以保證工廠進(jìn)行電源切換。二、飛輪電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、飛輪電池的應(yīng)用案例1987年，德國開發(fā)了飛輪電池混合動(dòng)力汽車，利用飛輪電池吸收90%的制動(dòng)能量，并在需要短時(shí)加速等工況下輸出電能補(bǔ)充內(nèi)燃機(jī)功率的不足。1992年，美國飛輪系統(tǒng)公司(AFS)采用纖維復(fù)合材料制造飛輪，并開發(fā)了飛輪電池電動(dòng)汽車，該車一次充電續(xù)駛里程達(dá)到600km。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超級電容的工作原理電容器是由兩個(gè)彼此絕緣的平形金屬電容板（具有儲(chǔ)存電荷功能的裝置）組成，在兩塊電容板之間用絕緣材料隔開，電容器極板上所儲(chǔ)集的電量q與電壓成正比，電容的計(jì)量單位為“法拉”(F)。計(jì)算公式如下：

式中ε—電介質(zhì)的介電常數(shù)，A—電極表面積，d—電容器間隙的距離。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、超級電容的工作原理在電解液中同時(shí)插入兩個(gè)電極，并在其間施加一個(gè)小于電解質(zhì)溶液分析電壓的電壓，這時(shí)電解液中的正、負(fù)離子在電場的用途下會(huì)迅速向兩極運(yùn)動(dòng)，并分別在兩上電極的表面形成緊密的電荷層，即雙電層，它所形成的雙電層和傳統(tǒng)電容器中的電介質(zhì)在電場用途下萌生的極化電荷相近，從而萌生電容效應(yīng)，緊密的雙電層近似于平板電容器，但是，由于緊密的電荷層間距比一般電容器電荷層間的距離更小得多，因而具有比一般電容器更大的容量。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、超級電容的分類

（1）按工作原理分：雙電層型超級電容器；贗電容型超級電容器（2）按電解質(zhì)類型分：水性電解質(zhì)超級電容器；有機(jī)電解質(zhì)超級電容器①酸性電解質(zhì)，多采用36%H2SO4水溶液作為電解質(zhì)；②堿性電解質(zhì)，通常采用KOH、NaOH等強(qiáng)堿作為電解質(zhì)；③中性電解質(zhì)，通常采用KCl、NaCl等鹽作為電解質(zhì)。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、超級電容的工作特性（1）極高的充放電倍率超級電容具備較高的功率密度，可在短時(shí)間內(nèi)放出幾百到幾千安培的電流，充電速度快，可在幾十秒到幾分鐘內(nèi)完成充電過程。(2)循環(huán)壽命長超級電容的充放電過程損耗極小，因此在理論上其循環(huán)壽命為無窮，實(shí)際可達(dá)100000次以上，比電池高10~100倍。(3)低溫性能較好超級電容充放電過程中發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移大部分都在電極活性物質(zhì)表面進(jìn)行，所以容量隨溫度衰減非常小。（5）比能量低：制約了超級電容的應(yīng)用。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、超級電容在汽車上的應(yīng)用本田的FCX燃料電池-超級電容混合動(dòng)力汽車是世界上最早商品化的超級電容電池車；日產(chǎn)公司生產(chǎn)了安裝有柴油機(jī)、電動(dòng)機(jī)和超級電容的并聯(lián)混合動(dòng)力卡車，此外還推出了天然氣超級電容混合動(dòng)力客車，該車的經(jīng)濟(jì)性是原來傳統(tǒng)天然氣汽車的2～4倍；日本富士重工推出的電動(dòng)汽車已經(jīng)使用了日立機(jī)電制作的鋰離子蓄電池和松下電器制作的儲(chǔ)能電容器的聯(lián)用裝置。三、超級電容器的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用4、超級電容在汽車上的應(yīng)用2004年7月，我國首部“電容蓄能變頻驅(qū)動(dòng)式無軌電車”在上海投入試運(yùn)行，當(dāng)電車?？空緯r(shí)在30s內(nèi)快速充電，充電后就可持續(xù)提供電能，時(shí)速可達(dá)44km/h；2015年全球首條超級電容儲(chǔ)能式無軌電車運(yùn)營示范線在寧波正式開通。四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、燃料電池的工作原理燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。燃料電池基本原理相當(dāng)于電解反應(yīng)的可逆反應(yīng)。燃料及氧化劑在電池的陰極和陽極上借助催化劑的作用，電離成離子，離子能通過兩電極間的電解質(zhì)在電極間遷移，在陰極、陽極間形成電壓。四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用1、燃料電池的工作原理以氫-氧型燃料電池為例，其基本原理是氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的能量直接轉(zhuǎn)化為電能。其化學(xué)反應(yīng)原理為：1)氫氣通入陽極，在催化劑作用下，一個(gè)氫分子分解為兩個(gè)氫離子，并釋放出兩個(gè)電子，反應(yīng)為：2)在電池另一端，氧氣或空氣到達(dá)陰極，同時(shí)，氫離子穿過電解質(zhì)到達(dá)陰極，電子通過外電路到達(dá)陰極。3)在陰極催化劑的作用下，氧氣和氫離子與電子發(fā)生反應(yīng)生成水，陰極反應(yīng)為：4)總的化學(xué)反應(yīng)為：四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用2、燃料電池的分類四、燃料電池的結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用3、燃料電池