世界NiMH蓄电池现状与发展

　　摘要：该文分析了nimh蓄电池在全球市场中的地位及其面临的现实问题，探讨了其工作机理、工作特点、新技术与新应用，并审视了其战略意义。

　　关键词：nimh蓄电池　市场　新技术　新应用　战略意义

　　自上个世纪九十年代初nimh蓄电池问世以来发展迅速。据日本野村综合技术研究所统计分析，早在1997年时，全球小型蓄电池市场规模已突破5000亿日元大关，锂离子蓄电池lib拥有2000亿日元以上的市场（居第1位），古老的nicd蓄电池约占1800亿日元（已由统治地位跌落到第2位），nimh蓄电池维持1200亿日元左右（居第3位）。

　　随着移动通信、计算和便携消费产品逐渐开始融为一体，迫切急需小型、轻便和高效的蓄电池。于是，具备高能量密度（wh/kg），小型且轻薄化的锂离子蓄电池lib和锂聚合物（lithium polymer）蓄电池，在最近几年获得长足发展。在这种情况下，人们不禁要问，那么对环境无污染的nimh蓄电池会如何发展呢？笔者试图以采集的事实资料为依据，说明nimh蓄电池正以技术革新开拓新市场，新技术和新产品的不断涌现预示着它具有光辉前景。

　　一、nimh蓄电池开拓新市场势在必行

　　nimh蓄电池自问世以来一直定位于移动通信和移动计算市场，随着锂离子蓄电池和锂聚合物蓄电池大量投放市场，市场竞争日益激烈。日本许多电池厂家都生产锂离子蓄电池和nimh蓄电池，而且产量相当大，他们首先看到是本厂的锂离子蓄电池产品和nimh蓄电池产品在市场上的销售冲突，已预感到有开拓nimh蓄电池新市场的必要。例如，1997年度全球生产的锂离子蓄电池、nimh和nicd蓄电池总产值超过5000亿日元，其中仅由日本厂家生产的产值已超过4000亿日元（占80％以上）；日本5大厂家（松下电池、三洋电机、东芝、日立maxell和古河电池公司）1997年生产的nimh蓄电池产值为1068亿日元，占全球nimh蓄电池总产值（1200亿日元）的89％。日本产业界在当时分析预测指出，在移动通信和移动计算应用领域里，锂离子蓄电池和锂聚合物蓄电池将要成为主流产品；nimh蓄电池在21世纪的头10年间，向电动机械的后备电源方向发展，它将成为电动车辆和混合引擎电动车辆领域里应用的主流产品。

　　我国nimh蓄电池用材料资源丰富，早在863计划中已把nimh蓄电池列入开发项目，日前召开的863高技术成果展览会上已成功地展出nimh蓄电池成果。众所周知，我国中央电视台曾播放ev试运行情况。这些事实说明，电动车辆将是nimh蓄电池的新应用领域，大有用武之地。

　　最近，美国molyech power system公司利用烧结电极技术可使nimh蓄电池以大电流充放电，从而开拓出更广阔的应用领域。特别是要求在宽温度变化范围，耐受剧烈振动和高排流能力的大电力应用领域里，将广泛地应用以新技术装备的nimh蓄电池。nimh蓄电池将来的应用领域已远不是局限在移动通信和移动计算应用领域，而是涉及五光十色的应用领域，如专业的和消费类电动工具、视频设备、无绳化真空设备以及个人便携设备领域等。这些应用领域覆盖各种各样的具体应用，大到远程通信设备的ups系统和电动车辆，小到电动自行车的电源、照明设备乃至美容工具等的电源，不一而足。

　　据日本产业界最近公布的统计分析数据表时，上世纪末对nimh蓄电池市场的预测分析是正确的。在移动通信市场上，nimh蓄电池销售量逐年递减，lib蓄电池的销售量渐渐增多：1998年，锂离子蓄电池和nimh蓄电池销售量持平各占28％强些，nicd蓄电池等其它蓄电池销售量占43.4％；1999年，lib占34.1％，nimh跌到25.5％，nicd下跌到40.4％；2000年，lib上升到38.8％，nimh下降到22.9％，nicd等下降到38.3％。按照这一趋势分析，今年lib上升将到42.6％，nimh下降到21.6％，nicd等下降到35.8％。预计，2005年时lib将占绝对统治地位55％，nimh仅占13.2％，nicd等下降到31.9％。因此，开拓nimh蓄电池新市场已迫在眉捷，日美nimh厂家都在加紧开发nimh蓄电池新技术。

　　二、nimh蓄电池新技术与新应用

　　开拓nimh蓄电池市场的关键在于技术，而技术只有不断推陈出新才能适应市场的新需求。nicd蓄电池是百年以上的老蓄电池产品，由于其技术不断革新，已形成产品容量和性能各异的丰富系列产品。

　　充放电是依靠koh电解液中的oh离子快速移动；基本结晶结构不因充放电过程而变化。因此，充电和放电可反复进行，充放电次数可超过500次以上。放电容量也不因高效率放电而降低，可用于大电流放电应用环境。为提高正极性的物质niooh利用率，通过利用泡沫状或纤维状镍片装填更多的niooh活性物质，从而提高nicd蓄电池的能量密度。可惜的是，镉金属是污染环境的有毒物质，欧美都不愿意使用nicd蓄电池。日本也是在严密回收nicd蓄电池废弃物情况下，生产和使用nicd蓄电池。

　　1.nimh蓄电池工作机理

　　美国和荷兰开发出可大量吸藏氢气的复杂合金（简称m），用于取代nicd蓄电池中的有毒金属cd，构成nimh蓄电池。

　　nimh蓄电池的电化学反应机制与nicd蓄电池基本是类似的，充放电也是依靠oh离子快速移动（合金m吸收koh电解液中的水里的h变成氢化金属mh并产生oh离子；mh放出h变成金属m，放出的h与oh生成水），同样在充放电过程中不损害基本结晶结构。

　　2.nimh蓄电池工作特点

　　nimh蓄电池出自于nicd蓄电池，而nimh蓄电池远胜过古老的nicd蓄电池。现将nimh蓄电池特点概括如下：

　　（1）nimh蓄电池的能量密度远高于nicd蓄电池，而且具有继续提高的潜力；

　　（2）nimh蓄电池输出端电压和nicd的一样也是1.2v，保持良好的兼容性；

　　（3）因为，以合金m取代剧毒的重金属cd，符合环保规范要求，大受欧美用户欢迎；

　　（4）nimh蓄电池成本比nicd略高，但远低于lib蓄电池成本，充放电电流也远高于lib。

　　3.新工艺技术及应用

　　为开拓nimh蓄电池市场，世界各个电池厂家不断的开发技术，努力提高nimh蓄电池性能。例如，moltech power systems公司开发出烧结镍电极，它是用打有很多孔的金属薄片，在其表面上涂有多细孔状的烧结镍粉末基质，再浸渍上氢氧化镍（niooh）和其它的活性配料，构成正极；利用这种高金属成分的烧结电极，使nimh蓄电池成为高电力蓄电池，可以同大电流进行快速充放电。也就是说，这种烧结电极的nimh蓄电池具备高功率密度（w/kg），适用于作为专业电动工具的供电电源。

　　这种烧结电极的nimh蓄电池也有不足之外，烧结的基质虽然细孔很多，但不能填充更多的活性物质（niooh）；结果是这种蓄电池在普通放电情况下应用时，显得总容量偏低。为此，该公司还开发一种泡沫状ni基质电极，它是利用镍网状基质（nickel web matrix）粘附上氢氧化镍（niooh）、钴化合物和镍粉导体和其它添加物的混合糊状构成的。这种泡沫基质具有较大的孔隙和低的总体金属成分，允许电池保持更多的活性物质。虽然泡沫电极的nimh蓄电池在正常放电情况下具有较高的容量，但是，由于它的金属成分含量低，限制其容量在大电流下放电。

　　自从1997年开发出烧结电极nimh蓄电池，它已成为发展某些重要技术的基础。1999年10月，利用moltech的烧结nimh蓄电池驱动电动车辆达到254mph（miles per hour）时速，打破电动汽车的世界时速记录。此次是利用6040个烧结nimh c尺寸（c-sized）电池，提供出200kw电能，打破了以往由nicd蓄电池保持的时速记录。

　　moltech也已开发了用于混合引擎电动车的烧结电极nimh蓄电池，封装尺寸大约为航空随身携带的行李包大小。

　　日本产业界为开拓nimh蓄电池新市场，致力于可行性和能量密度方面的研究与开发。例如，从工艺上改进正极活性材料加工，把niooh粉末颗粒表面涂上氢氧化钴，然后放到naoh等碱性水溶液中加热处理，形成高导电性过氧氢气化钴膜，于是制造的新nimh蓄电池不怕高温存储和深度放电；对于吸藏的合金m粉末，在80℃的高浓度碱溶液中浸泡搅拌，消除其表面上的不导电氧化层，这样使nimh蓄电池在低温下的放电效率提高。在提高能量密度方面，从阴极的吸藏氢合金m入手，进行冶金学系统的基础研究，试图探索出高效且更轻的吸藏氢的新合金材料作为nimh蓄电池的阴极材料。通过努力、现已探索出很有希望的合金新材料，将对提高nimh蓄电池的能量密度大有好处。

　　三、发展nimh蓄电池的战略意义

　　蓄电池是持续100多年的研究开发课题，至今仍在马不停蹄的进行着新的探索。如果认为nimh蓄电池只不过是小小的能量转换器件，是新市场需求下产生的一种新产品而已，则是不全面的也是不尽正确的。实际上，nimh蓄电池和其它新蓄电池一样是关系国家安全的具有战略意义的能量转换器件，它是日美国家主持的长远战略研究计划的重要组成部分；开发nimh蓄电池产品是日美政府资助的研究开发任务，它的各项技术指标（wh/kg＝80、w/kg＝250、充放电周期数＝1000次，长寿命，低成本和耐高温）都是必须完成的。同时，也应该看到实现零排放车辆zev（zero emission vehicle）是美国的法律条款、具有强制执行。