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作者：记者 唐琳 来源： 发布时间：2018-9-4 11:6:37
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眼前的桌子上摆放着几个五彩斑斓的5号（AA型）电池。拿起一个放在手中掂量，除了感觉比市面上常见的普通5号干电池微微重了一些，似乎并没有什么特别。
“这个就是我们自主研发的新型宽温镍氢电池！”188体育app:长春应用化学研究所（简称长春应化所）轻金属&电池材料研究组组长、王立民研究员介绍说。
可别小看眼前这小小的电池，在它们的背后实则蕴含着大大的智慧。为了攻克电池“遇冷则弱”的技术瓶颈，长春应化所研究团队在这条道路上足足探索了20多年。
如今，轻金属&电池材料研究团队，不仅在电池负极材料设计制备、储氢性能研究等方面取得了一系列成果，而且开发出可在宽温（-45℃~60℃）域应用的新型镍氢电池，更探索出了一条独具特色的产业化发展之路。
“遇冷则弱”成电池短板
你或许有过这样的经历：冬季寒冷的室外，使用手机时常常会出现自动关机或者电量急速下降的情况。归根结底，这都是手机电池“怕冷”惹的祸。
其实不止手机，就连电动汽车也遭遇了类似的尴尬。当前，大多数电动汽车的电池都是基于电化学反应过程制造的，因此其性能与环境温度密切相关。在低温环境下，电池的放电能力及容量会剧减，因此“遇冷则弱”也就成为了电动车在高寒环境下规模化应用的掣肘。
一组数据或许能够更好地帮助我们理解电池的“畏寒症”：一般的石墨负极类锂离子动力电池的工作温度倘若从20℃降到0℃，电池容量就会减少约20%；温度从0℃再降到-20℃，电池容量又会再减少约30%。
这就意味着，配备一般锂离子电池的电动客车在不加保温措施的情况下很难入驻我国东北、内蒙古、新疆、西藏等高寒地区，即便能够行驶，其行驶里程与使用寿命也会大打折扣。另外，电池在高温条件下工作，为了抑制电池副反应发生，保障电池安全工作，需要对电池进行冷却，这也会在一定程度上增加成本。
什么是宽温镍氢电池？课题组吴耀明研究员给出了一个相对通俗的解释：“宽温镍氢电池是指在-45℃～60℃温区具有优良性能的一类镍氢电池，该类电池在宽温条件下均可高效工作，尤其在低温条件下仍可正常进行充放电使用。”
治愈电池“畏寒症”
鲜为人知的是，为了获得这类宽温镍氢电池，长春应化所人足足探索了20多年。
上世纪90年代初，长春应化所研究员王宝忱团队首次将目光聚焦于镍氢电池负极材料——稀土储氢合金，并试制了5号镍氢电池。之后，单义斌研究员团队研制了叠型镍氢电池并应用于电动自行车。
本世纪初，赵敏寿研究员团队又进一步对宽温区的低温端（-40℃）储氢合金发起攻关，研制出低温储氢合金以及多种型号的圆柱形低温镍氢电池。
2008~2010年，以王立民和吴耀明为代表的轻金属&电池材料研究组在老一辈研究人员的研发积累上，针对宽温镍氢电池中的科学和技术问题进一步攻关，自主研制出非化学计量比高熵化宽温（-50℃~65℃）性能优良的储氢合金，获得多项国家发明专利，为最终研制出圆柱形和方形的宽温（-45℃~60℃）镍氢电池奠定扎实的核心技术基础。
传统的镍氢电池之所以在高寒环境下会出现“水土不服”，主要原因在于负极储氢合金的低温性能差，而长春应化所团队通过添加具有超熵变性能金属与化合物等，强化负极低温放电中氢扩散通道、改善正负极的低温充放电动力学、优化电解质组成以及提高低温放电电压等方式，彻底治愈了电池的“畏寒症”。
“我们的宽温镍氢电池在-45℃及60℃的1倍率放电容量为额定容量的80%以上，且在-45℃的环境中也可实现1倍率充电！”课题组人员的这份自信绝非凭空而来，而是经过了无数次实践的打磨与验证。
2018年1月，课题组及其合作者团队带着装配宽温镍氢电池的12米纯电动大客车一路北上，来到了位于祖国东北边陲的黑龙江省黑河市。在这里，纯电动大客车和其它纯电动车展开了一场耐寒拉力赛。结果，在不采取任何保温措施的情况下，大客车能够正常发动和行驶。宽温镍氢电池获得本届纯电动汽车拉力赛唯一电池类“最佳耐低温奖”。
其实，镍氢电池本身并非一个新鲜事物，日本、美国、法国、韩国等国的镍氢动力电池生产企业也一直聚焦于这一领域。比如，日本的Primearth EV能源公司的动力镍氢电池已经成功应用于丰田Prius等混合动力汽车；美国Cobasys公司则专门为混合动力汽车开发了8.8Ah的镍氢动力电池模块。不过，与长春应化所的宽温镍氢电池相比，这些电池的使用温度范围大多在-20℃~55℃之间，耐寒性方面仍稍显逊色。
事实上，除了“不怕冷”与 “不怕热”，长春应化所的宽温镍氢电池还兼具许多其他无可比拟的优势：如高比能、大功率、快速充放电、安全性好、长寿命以及电池回收利用价值高的特点。不仅可以应用于电动客车以及通信电子等领域电源系统，还可为大型高技术装备、极地考察设备以及寒冷地区的太阳能和风能发电存储提供新型电源系统。
闯出特色产业之路
基础研究只有转化为实实在在的产品，才能最终造福国家与人民。深谙这一道理的长春应化所始终坚持宽温镍氢电池的产业化推广，目前已与相关企业联合建成多条、多类型电池生产线。
2012年，在长春应化所大力推动新能源材料研制及应用的背景下，长春应化所所属的常州储能材料与器件研究院独资成立常州盈华高科储能材料科技有限公司，建成了生产能力达120万Wh/年的宽温镍氢电池中试生产线，对多种型号宽温镍氢电池进行批量扩试，并开发了低温充电器以及应急启动电源等多种配套应用产品，均取得了较好市场回馈，验证了宽温镍氢电池核心技术的普适性与实用性。
常州生产线负责人梁飞介绍：“这条中试生产线以开展各种宽温镍氢电池试生产及评价为主，主要产品为圆柱形宽温镍氢电池。此外，开展宽温镍氢电池在军民两方的试应用也是一项重要内容。”
对于宽温镍氢电池的产业化发展而言，2013年是格外重要的一年。这一年，中科众瑞（哈尔滨）清洁能源股份有限公司成立。目前，在已建成的方形宽温镍氢电池生产线基础上，中科众瑞正在进行电池材料及新生产线的筹建。一旦建设完成，生产线的年生产能力预计可突破5000万Wh。
2015年，上海中盈志合科技股份有限公司联合长春应化所，在长春成立中盈志合吉林科技股份有限公司，以开展新的宽温镍氢电池生产线建设及电池应用开发工作。迄今已建成年产能达到4000万Wh的生产线。
得益于对成果转化的高度重视与积极推进，目前，长春应化所的宽温镍氢电池已经陆续应用于高技术产品、各类电动车辆、储能电站等多个领域，产业化应用正在积极推进。
其中，中科众瑞和中盈志合吉林公司生产的24V-190Ah及24V-165Ah两款电池组，就在北部战区某部队的装甲车和特种装备车辆上大显身手。作为启动电源，上述电池在-30℃～5℃的低温环境下成功连续工作6个月以上，凸显出了电池组优良的耐低温工作特性。
在电动车方面，宽温镍氢电池的发挥空间更加广阔：中盈志合吉林公司与一汽客车联合开发的12米纯电动客车，在-26℃环境下的续航里程达到170 km，且可以正常充放电，该车型已于2016年进入国家《新能源汽车推广应用推荐车型目录》（第3批）；常州盈华高科开发的不同容量的动力镍氢电池组也已应用于电动物流车，在-20℃的环境下运行里程可达常温行驶里程的90%以上。
不仅极端条件下需要宽温电池来“救场”，很多空间场景也非宽温电池不可。比如在大型冷库里，密闭环境既对叉车的排放环保性提出了高要求，又强调电池要耐得住低温，这恰恰是宽温镍氢电池最擅长的领域。
比如，中盈志合吉林公司通过使用134只200Ah宽温镍氢电池组，自主开发出了2.5吨的纯电动叉车。在满电状态下，叉车在实际工况中可使用10小时，比同规格铅酸电池使用时间多出2小时以上。
虽然目前宽温镍氢电池更多地在交通工具上发挥作用，但这绝不意味着它的应用仅仅限于某一领域。
2013年以来，中科众瑞联合黑龙江移动通讯公司，联合开发了48V-200Ah通讯基站用备用混合电源。经黑龙江鹤岗和双城两地的实际通讯基站试验表明，该类电源可以完全做到免维护，且冬天不需要进行保温，工作时间明显延长。
回首来路，长春应化所对宽温稀土储氢合金及镍氢电池的研制及应用已历时20余年，取得了令人瞩目的成就。这些成就的取得，离不开几代长春应化所人的传承与创新。
未来，这种传承与创新仍将延续下去。“宽温镍氢电池许多特色应用开发仍处于初期阶段，高技术装备的更新换代，使得对高性能宽温镍氢电池仍有大量的拓展空间。因此，宽温镍氢电池开发应用的潜在前景、经济效益和社会作用都有很大发展空间。”谈及宽温镍氢电池的将来，长春应化所团队踌躇满志。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年8月刊 硕果)
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