种新型汽车动力电池设计方案-钠空气储能电池

1、一种新型汽车动力电池的发明设计钠空气储能电池设 计 者: 张满云 合作意向:希望得到新能源汽车企业的帮助，让一个设计蓝图变成改变汽车世界的创新成果，共创共赢联系电话:联系邮箱:zhangmanyun2008163.con 一、汽车动力电池发展现状电池是电动汽车的动力源泉，也是一直制约电动汽车发展的关键因素。虽然世界各国大力开发和推广许多种类的电动汽车电池。但到目前为止，动力蓄电池的比能量远远低于汽油机，较长的充电时间，较短续驶里程成为电动车发展致命的弱点。二、制约电动汽车发展的因素1、电池比能量低目前市场上使用的铅酸电池比能量约35-44wh/Kg，锂离子电池约80-90wh/Kg，锂聚合物电

2、池约120-140wh/Kg。相比汽油高达12000wh/Kg比能量，现有电动汽车所使用的电池都不能在储存足够能量的前提下保持合理的尺寸和质量。目前电动汽车一次充电后的续驶里程一般为100-500km，并且这个数字通常还需要保持适当的行驶速度及具有良好的电池调节系统才能得到保证。2、电池使用寿命太短，安全性差普通蓄电池充放电次数仅为300-400次，即使性能良好的蓄电池充放电次数也不过700-900次，按每年充放电200次计算，一个蓄电池的寿命最多为4年，与燃油汽车的寿命相比太短。另外，不同类型的电池在性能方面都有各自的优势和不足。例如，铅酸电池成本低，原材料丰富且易于回收，但续驶里程短、加速

3、动力差且寿命短。钠硫电池的比能量较高，能够提供较长的续驶里程，但它要求的工作环境较苛刻，且其活性物质具有强腐化性并易爆炸。就整体来看，成熟电池的寿命都相对较短。3、电池充电时间长，充电站数量少常规蓄电池的充电方法都采用小电流的恒压或恒流充电，一般充电时间为5-8，甚至长达10-20。这种充电方式是利用车载充电器，接220交流电即可。常规充电模式充电时间过长，当车辆有紧急运行需求时难以满足。快速充电电池特别是磷酸铁锂电池的出现，为纯电动汽车的商业化提供了技术支持。快速充电是充电站以较大电流短时间在电动汽车停车的20min-2内，为其提供短时间充电服务，一般充电电流为150-400。快速充电也存在

4、缺点即“快充”并不快，相对汽油车，乘客充一次电也得等待20min以上时间，而且降低电池使用寿命；充电站成本较高，数量稀少，一旦电量耗尽而不能到达充电站，汽车失去动力而无法行驶。4、氢燃料电池(PEMFC)电动车发展困境氢燃料电池(PEMFC)能将燃料的化学能直接转变为电能，能量转变效率高，比能量和比功率都高，并且可以控制反应过程，能量转化过程可以连续进行，因此是理想的汽车用电池。目前影响燃料电池商业化的有三大障碍。电池价格高昂（是燃油机的100倍），燃料电池（PEMFC）需要贵金属铂作为催化剂，它不仅价格昂贵，而且产量小，而廉价高效新型催化剂还未开发处出来。氢气储存困难，对安全性要求很高，即使

5、用传统油箱三倍以上的体积储存氢气，也只能保证汽油动力汽车一半的续驶里程。其次，氢气的售价并不廉价，因此燃料电池车的运行成本并不令人乐观。加氢站等基础网络设施建设几乎为零，目前全球范围内投入使用的加氢站仅有100家，并且大部分是用于实验用途的。三、解决电动汽车发展的关键由于环境问题日益严重，各国政府不得不加大对电动汽车的研究开发。世界各大汽车公司争相研究各种新型的电动汽车。各种类型的电动汽车相继研发成功，并小批量投放市场。但是由于以上因素的制约，电动汽车只占现有汽车数量很少的一部分。从目前国外电动汽车发展水平来看，制约电动车发展的关键因素是动力电池不理想。因此研发出一种克服上述困难的理想的新型电

6、池，是汽车行业或科技工作者梦寐以求的梦想。笔者出于对新能源汽车的热爱，长期追踪电动车最新的前沿技术。经数年的探索和研究，在比较现有电池优劣的基础上，构想出能够满足未来需求的一种新型汽车动力电池钠空气储能电池。四、钠空气储能电池基本原理和设计思路1、放电过程钠空气储能电池在放电过程中像燃料电池一样，以液态金属钠作为燃料，从空气中的吸收氧气为氧化剂。这两者在电池内部进过电化学反应生成钠氧化物，化学能转化为电能。而钠氧化物被储存起来。当储存的金属钠被消耗尽后，可以从外部添加金属钠继续运行可添加金属钠钠氧化物可排出纳氧化物空气4V燃料电池液态金属钠金属钠储存器纳氧化物储存器2、充电过程在充电过程中，钠

7、氧化物被送入电解池进行电解，产生的金属钠储存起来再次当做燃料，而氧气释放回空气中，电能转化为化学能。液态金属钠4-5V电解池金属钠储存器纳氧化物储存器纳氧化物O23、电池整体运行原理钠空气储能电池可无需充电，只添加燃料金属钠就能持续运行，因此具有蓄电池和燃料电池二者的优点。在时间充裕，旅途较短的情况下，如上下班。白天可在停车场充电，晚上可用家用电源充电。如果需要紧急运行，或进行长途旅行，可像燃油车一样快速添加燃料液态金属钠就能持续行驶，乘客无需等待充电，拥有燃油车一样的便利。纯电动汽车电能耗尽时需要一定的时间进行充电，这是纯电动汽车不可克服也是制约纯电动汽车发展的关键因素。而钠空气储能电池上述

8、设计克服了纯电动汽车这一瓶颈。钠氧化物可排出钠循环路线线纳氧化物液态金属钠4-5V电解池燃料电池空气4V液态金属钠金属钠储存器纳氧化物储存器纳氧化物O2可添加金属钠五、金属钠作为负极的优势1、钠资源丰富，成本低廉在动力电池方面，锂离子电池具有高比能、高电压、高效率、无自放电、无记忆效应等优点而成为首选。但是金属锂在地球上丰度仅为1720g/g，随着数码、交通等产业对锂离子电池依赖加剧，有限的锂资源必将面临短缺问题。金属钠作为仅次于锂的第二轻的金属元素，丰度高达2.3%2.8%，比锂高45个数量级。钠盐的价格通常为锂盐1/10，资源用之不竭，环境更加友好。2、金属钠储存方便，运输成本低。根据前面

9、对氢燃料电池车的分析，除了燃料电池本身价格昂贵，氢气的储存和运输也是其应用和发展的关键的难点。氢气储存困难，有泄漏和气化的问题。目前储氢材料的研究大多仍处于实验室的探索阶段，主要集中在新材料的发现方面，对材料的规模化或工业化制备还未于考虑。金属钠的物理和化学性质使决定了其储存和运输的方便性。金属钠常温下为金属固体，容易与氧气化合，熔点只有97.81。因此在常温下，金属钠只需储存在铁制密闭容器中，并且保持固体状态，没有氢气存在的泄漏和气化问题。需要在容器之间转移或向电动汽车加注时，可以加热熔化为液态使其流动，像燃油一样方便。由于熔点只有97.81，加热熔化过程容易实现，只用少量热量和时间。使用金

10、属钠作为燃料，可以避免氢燃料电池车遇到的瓶颈-氢气储存困难和运输成本高的问题。3、金属钠作为负极使得电池具有很高的比能量 钠空气储能电池基本结构和燃料电池一样，无需正极材料，因此燃料金属钠可以在电池中占有很大比重。氢燃料电池由于氢气储存的问题需要比氢本身中重的多的储氢材料，导致氢所占比重较小。金属钠不存在这一问题，金属钠可以保守估计占钠空气储能电池50%以上的质量。钠电池的半电池电势较锂离子电势高0.30.4V，能利用分解电势更低的电解质溶剂及电解质盐。钠空气储能电池放电过程是金属钠和空气中的氧气在熔盐电解质电化学反应，因此电池放电电压能达到4V。金属钠理论比容量为1165Ah/Kg，根据放电

11、电压4V计算，理论比能量为4660Wh/Kg。按照金属钠在钠空气储能电池50%以上的比重，钠空气储能电池实际比能量达到2330W h/Kg以上。这大大超越了目前所有电动汽车蓄电池和燃料电池。各种车用电池的性能比较电池类型铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池氢燃料电池钠空气储能电池比能量(Wh/kg)3555801205002330比功率(W/kg)13017022530060150循环寿命(次)400600500以上1000以上1200200020004、钠氧化物（Na2O,NaOH）本身能促进空气极氧的还原，不需要贵金属催化剂 燃料电池根据工作温度可分为低温型、中温型和高温型。在低温和中温条件

12、下，氧气在正极的还原非常缓慢，从而产生非常大的过电压。为降低正极充放电反应过程的电化学极化，必须采用高效的促进氧还原和氧化物分解的双效催化剂。在低温下工作的电池，如氢燃料电池、甲醇和乙醇燃料电池，在中温下工作的如磷酸燃料电池（200），都需要贵金属铂作为催化剂才能获取电池的高性能。这导致电池成本高昂，系统复杂化。熔融碳酸盐燃料工作温度可达650，在这样高的温度下贵金属铂可用廉价的一类镍金属代替。 钠氧化物（Na2O,NaOH）既是放电反应产物，也能促进正极反应氧还原。因为氧在碱性介质中的还原反应效率比其他酸性介质高，而钠氧化物是强碱，所以可以采用镍板做正极极板。在钠空气储能电池300以上工作温

13、度下，在强碱介质中，镍板作为正极极板，也能代替贵金属铂作为催化剂，就能使氧的还原反应高效地进行。5、燃料电池部分基本设计钠氧化物液态金属钠N2,空气液态金属钠熔融盐电解质空气 由于篇幅有限，关于钠空气储能电池燃料电池部分的详细运行性原理和设计方案在此不再介绍。如有疑问，期待见面以后可详细解释。六、电解池 1、另设电解池确保钠空气储能电池能够大电流快速安全的进行充电 钠空气储能电池燃料电池部分的设计能够保证放电过程顺利进行，但不能进行逆向充电，因为逆向反应会产生氢气以及电池短路等问题。而且电池的工作温度在300以上，因此电池启动有一个升温过称。为了减少等待时间，燃料电池部分设计有自我升温功能，能

14、在30s内达急剧升温到工作温度。 为了保证钠空气储能电池能够大电流快速安全的进行充电，钠空气储能电池另设一个电解池实现充电过程，并用Na-氧化铝陶瓷作为固体电解质。Na-氧化铝陶瓷抗热冲击性差，为了避免放电过程的频繁热冲击，所以这也是将放、充电场所的分开的原因。2、采用Na-氧化铝陶瓷作为固体电解质 钠Na-氧化铝陶瓷作为固体电解质已成功应用于钠硫电池和钠-氯化镍电池（ZEBRA电池）。钠硫电池理论容量达到760 Wh/Kg，是铅酸电池的十倍，已经大规模地应用于城市电网的储能电站。ZEBRA电池有优异的安全性，在纯电动和混合动力汽车上有良好的应用前景。目前在欧美有超过1万辆ZEBRA电池电动车

15、在运行中，这些电动车包括微型轿车、卡车、货车及大客车等。这些电池没有自放电现象，充电效率几乎可达100%,充电时间较短，电池在工作中没用气体反应产生，预期有较长的使用寿命，并且材料来源丰富，价格低廉，结构简单，便与制造。 用Na-氧化铝陶瓷作为电解池的固体电解质，可将电解产生的液态金属钠与氧气、水汽隔离，具有很强的耐过充电能力。3、电解池的基本设计 电解池采用平板设计，最大利用陶瓷电解质面积，利于提高功率密度。平板设计也便于将多个电解池叠加起来组成电解池组，满足大电流快速充电 NaO2H2O+-多孔镍，钠氧化物-氧化铝陶瓷电解质金属钠电解池组七、钠空气储能电池的充电和加钠1、充电过程 钠空气储

16、能电池有4-8个电解池组成的电解池组。在只有小电流情况下，如家、工作地、农村等可用家用电源充电，只需运行一个电解池。在充电站，电解池全部运行起来，以满足大电流快速充电。采用多个电解池的设计，即使有电解池损坏，其它电解池仍能照常工作，不影响充电实现。2、钠空气储能电池车无需充电加钠即可 钠空气储能电池无需充电，只加金属钠就能持续运行。在加钠站，向钠空气电池车加注液态金属钠，并排出钠氧化物。这个过程和燃油车一样快速便利，也使得钠空气储能电池车非常适合长途旅行。2、加钠站的运行原理和成本 加钠站可以从钠制备厂获得钠源，金属钠的工业化生产已相当成熟，在此不再累述。二，可以自己设立电解池生产金属钠，原料

17、为钠空气储能电池车时卸载的钠氧化物。三，可以设立充电桩为钠空气储能电池车和其它纯电动充电。加钠站电力金属钠钠制备厂回收钠氧化物加钠可充电钠空气储能电池车钠空气储能电池车普通纯电动车钠储存器变压器电厂电解池组前面介绍过，金属钠储存方便，运输成本低。因此加钠站的建设和运营费用和加油站相当，远远低于加氢站。八、钠空气储能电池车的性能分析和比较1、钠空气储能电池车的续航能力远远超过现有电动车和一般燃油车 钠空气储能电池除去金属钠和储存容器质量大概只有100Kg左右，还有不断改进的余地。金属钠的储存容器为薄不锈钢容器，通过调整钠储存容器的大小，可以调整金属钠的携带量。目前纯电动汽车大多采用磷酸铁锂电池，

18、电池重量从200-600Kg不等。按一中等重量纯电动车携带电池重量300Kg计算，300Kg的钠空气储能电池能携带150Kg以上金属钠，产生699 KWh以上电能。目前现有电动车1KWh电能有4-7Km的续驶里程，取中间值5Km计算，拥有300Kg钠空气储能电池的电动车续航里程达到3495Km以上。以上数据都是在保守情况下计算出的，通过优化设计，减轻结构重量，提高载钠量，钠空气储能电池性能还有很大的提升空间。 钠空气储能电池车（电池总质量300Kg）与现有电动车比较生产企业车型名称电池整车质量Kg续驶里程Km类型能量KWh众泰2008磷酸铁锂201200150奇瑞S18磷酸铁锂20110012

19、0-150一汽海马福仕达e磷酸铁锂241549100哈飞赛豹3磷酸铁锂331475200郑州日产奥丁聚合物锂382140160比亚迪比亚迪e6磷酸铁锂602295300特斯拉Model S镍钴铝电池852108500钠空气储能电池车钠空气储能电池699180034952、钠空气储能电池成本低廉，便于维护，安全性高 现有电动车普及缓慢的一个重要原因是电池成本较高导致整车售价昂贵。电动车的各项功能远不如燃油车，虽有政府大力补贴，价格却仍比燃油车贵。随着锂离子电池电动车上的推广普及，有限的锂资源俞匮乏，价格俞贵。锂离子电池构造复杂，工艺要求高，相应的制造成本也高。钠资源比锂资源丰富的多，资源用之不竭

20、。钠空气储能电池拥有有利氧还原的高温强碱坏境，无需像氢燃料电池那样需贵金属铂做催化剂。另外，钠空气储能电池构造简单，无燃油机那样精密复杂的制造过程，制造成本仅为为燃油机的十几之一。构造简单也使得电池便于维护，即使元件损坏也能更换。 现有锂离子电池的多层设计结构本身抗外力冲击性脆弱，耐过充电弱，无论怎么改进隔膜或结构都无法克服这个与生俱来的致命弱点。其他蓄电池的正负极材料都处于同一容器中，若电解质隔膜破裂，或外力冲击使正负极材料接触或短路，电池就有爆炸燃烧的危险。钠空气储能电池中的金属钠储存在密封容器中，无内压。只有少量的金属钠进入燃料电池参与反应，电池不存在爆炸，自燃的危险。除非撞击力强大到使得不锈钢容器破裂，导致钠在空气中燃烧。3、钠空气储能电池车只需少数加钠站就能全国长途旅行，极其有利于普及 前面计算过，拥有300Kg钠空气储能电池的电动车续航里程达