眼前的桌子上擺放著幾個(gè)五彩斑斕的5號(hào)（AA型）電池。拿起一個(gè)放在手中掂量，除了感覺(jué)比市面上常見(jiàn)的普通5號(hào)干電池微微重了一些，似乎并沒(méi)有什么特別。
“這個(gè)就是我們自主研發(fā)的新型寬溫鎳氫電池！”中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所（簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)春應(yīng)化所）輕金屬&電池材料研究組組長(zhǎng)、王立民研究員介紹說(shuō)。
可別小看眼前這小小的電池，在它們的背后實(shí)則蘊(yùn)含著大大的智慧。為了攻克電池“遇冷則弱”的技術(shù)瓶頸，長(zhǎng)春應(yīng)化所研究團(tuán)隊(duì)在這條道路上足足探索了20多年。
如今，輕金屬&電池材料研究團(tuán)隊(duì)，不僅在電池負(fù)極材料設(shè)計(jì)制備、儲(chǔ)氫性能研究等方面取得了一系列成果，而且開(kāi)發(fā)出可在寬溫（-45℃~60℃）域應(yīng)用的新型鎳氫電池，更探索出了一條獨(dú)具特色的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展之路。
“遇冷則弱”成電池短板
你或許有過(guò)這樣的經(jīng)歷：冬季寒冷的室外，使用手機(jī)時(shí)常常會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)關(guān)機(jī)或者電量急速下降的情況。歸根結(jié)底，這都是手機(jī)電池“怕冷”惹的禍。
其實(shí)不止手機(jī)，就連電動(dòng)汽車(chē)也遭遇了類(lèi)似的尷尬。當(dāng)前，大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)的電池都是基于電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程制造的，因此其性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)。在低溫環(huán)境下，電池的放電能力及容量會(huì)劇減，因此“遇冷則弱”也就成為了電動(dòng)車(chē)在高寒環(huán)境下規(guī)模化應(yīng)用的掣肘。
一組數(shù)據(jù)或許能夠更好地幫助我們理解電池的“畏寒癥”：一般的石墨負(fù)極類(lèi)鋰離子動(dòng)力電池的工作溫度倘若從20℃降到0℃，電池容量就會(huì)減少約20%；溫度從0℃再降到-20℃，電池容量又會(huì)再減少約30%。
這就意味著，配備一般鋰離子電池的電動(dòng)客車(chē)在不加保溫措施的情況下很難入駐我國(guó)東北、內(nèi)蒙古、新疆、西藏等高寒地區(qū)，即便能夠行駛，其行駛里程與使用壽命也會(huì)大打折扣。另外，電池在高溫條件下工作，為了抑制電池副反應(yīng)發(fā)生，保障電池安全工作，需要對(duì)電池進(jìn)行冷卻，這也會(huì)在一定程度上增加成本。
什么是寬溫鎳氫電池？課題組吳耀明研究員給出了一個(gè)相對(duì)通俗的解釋?zhuān)?ldquo;寬溫鎳氫電池是指在-45℃～60℃溫區(qū)具有優(yōu)良性能的一類(lèi)鎳氫電池，該類(lèi)電池在寬溫條件下均可高效工作，尤其在低溫條件下仍可正常進(jìn)行充放電使用。”
治愈電池“畏寒癥”
鮮為人知的是，為了獲得這類(lèi)寬溫鎳氫電池，長(zhǎng)春應(yīng)化所人足足探索了20多年。
上世紀(jì)90年代初，長(zhǎng)春應(yīng)化所研究員王寶忱團(tuán)隊(duì)首次將目光聚焦于鎳氫電池負(fù)極材料——稀土儲(chǔ)氫合金，并試制了5號(hào)鎳氫電池。之后，單義斌研究員團(tuán)隊(duì)研制了疊型鎳氫電池并應(yīng)用于電動(dòng)自行車(chē)。
本世紀(jì)初，趙敏壽研究員團(tuán)隊(duì)又進(jìn)一步對(duì)寬溫區(qū)的低溫端（-40℃）儲(chǔ)氫合金發(fā)起攻關(guān)，研制出低溫儲(chǔ)氫合金以及多種型號(hào)的圓柱形低溫鎳氫電池。
2008~2010年，以王立民和吳耀明為代表的輕金屬&電池材料研究組在老一輩研究人員的研發(fā)積累上，針對(duì)寬溫鎳氫電池中的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題進(jìn)一步攻關(guān)，自主研制出非化學(xué)計(jì)量比高熵化寬溫（-50℃~65℃）性能優(yōu)良的儲(chǔ)氫合金，獲得多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利，為最終研制出圓柱形和方形的寬溫（-45℃~60℃）鎳氫電池奠定扎實(shí)的核心技術(shù)基礎(chǔ)。
傳統(tǒng)的鎳氫電池之所以在高寒環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)“水土不服”，主要原因在于負(fù)極儲(chǔ)氫合金的低溫性能差，而長(zhǎng)春應(yīng)化所團(tuán)隊(duì)通過(guò)添加具有超熵變性能金屬與化合物等，強(qiáng)化負(fù)極低溫放電中氫擴(kuò)散通道、改善正負(fù)極的低溫充放電動(dòng)力學(xué)、優(yōu)化電解質(zhì)組成以及提高低溫放電電壓等方式，徹底治愈了電池的“畏寒癥”。
“我們的寬溫鎳氫電池在-45℃及60℃的1倍率放電容量為額定容量的80%以上，且在-45℃的環(huán)境中也可實(shí)現(xiàn)1倍率充電！”課題組人員的這份自信絕非憑空而來(lái)，而是經(jīng)過(guò)了無(wú)數(shù)次實(shí)踐的打磨與驗(yàn)證。
2018年1月，課題組及其合作者團(tuán)隊(duì)帶著裝配寬溫鎳氫電池的12米純電動(dòng)大客車(chē)一路北上，來(lái)到了位于祖國(guó)東北邊陲的黑龍江省黑河市。在這里，純電動(dòng)大客車(chē)和其它純電動(dòng)車(chē)展開(kāi)了一場(chǎng)耐寒拉力賽。結(jié)果，在不采取任何保溫措施的情況下，大客車(chē)能夠正常發(fā)動(dòng)和行駛。寬溫鎳氫電池獲得本屆純電動(dòng)汽車(chē)?yán)愇ㄒ浑姵仡?lèi)“最佳耐低溫獎(jiǎng)”。
其實(shí)，鎳氫電池本身并非一個(gè)新鮮事物，日本、美國(guó)、法國(guó)、韓國(guó)等國(guó)的鎳氫動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)也一直聚焦于這一領(lǐng)域。比如，日本的Primearth EV能源公司的動(dòng)力鎳氫電池已經(jīng)成功應(yīng)用于豐田Prius等混合動(dòng)力汽車(chē)；美國(guó)Cobasys公司則專(zhuān)門(mén)為混合動(dòng)力汽車(chē)開(kāi)發(fā)了8.8Ah的鎳氫動(dòng)力電池模塊。不過(guò)，與長(zhǎng)春應(yīng)化所的寬溫鎳氫電池相比，這些電池的使用溫度范圍大多在-20℃~55℃之間，耐寒性方面仍稍顯遜色。
事實(shí)上，除了“不怕冷”與 “不怕熱”，長(zhǎng)春應(yīng)化所的寬溫鎳氫電池還兼具許多其他無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)：如高比能、大功率、快速充放電、安全性好、長(zhǎng)壽命以及電池回收利用價(jià)值高的特點(diǎn)。不僅可以應(yīng)用于電動(dòng)客車(chē)以及通信電子等領(lǐng)域電源系統(tǒng)，還可為大型高技術(shù)裝備、極地考察設(shè)備以及寒冷地區(qū)的太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電存儲(chǔ)提供新型電源系統(tǒng)。
闖出特色產(chǎn)業(yè)之路
基礎(chǔ)研究只有轉(zhuǎn)化為實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品，才能最終造福國(guó)家與人民。深諳這一道理的長(zhǎng)春應(yīng)化所始終堅(jiān)持寬溫鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化推廣，目前已與相關(guān)企業(yè)聯(lián)合建成多條、多類(lèi)型電池生產(chǎn)線。
2012年，在長(zhǎng)春應(yīng)化所大力推動(dòng)新能源材料研制及應(yīng)用的背景下，長(zhǎng)春應(yīng)化所所屬的常州儲(chǔ)能材料與器件研究院獨(dú)資成立常州盈華高科儲(chǔ)能材料科技有限公司，建成了生產(chǎn)能力達(dá)120萬(wàn)Wh/年的寬溫鎳氫電池中試生產(chǎn)線，對(duì)多種型號(hào)寬溫鎳氫電池進(jìn)行批量擴(kuò)試，并開(kāi)發(fā)了低溫充電器以及應(yīng)急啟動(dòng)電源等多種配套應(yīng)用產(chǎn)品，均取得了較好市場(chǎng)回饋，驗(yàn)證了寬溫鎳氫電池核心技術(shù)的普適性與實(shí)用性。
常州生產(chǎn)線負(fù)責(zé)人梁飛介紹：“這條中試生產(chǎn)線以開(kāi)展各種寬溫鎳氫電池試生產(chǎn)及評(píng)價(jià)為主，主要產(chǎn)品為圓柱形寬溫鎳氫電池。此外，開(kāi)展寬溫鎳氫電池在軍民兩方的試應(yīng)用也是一項(xiàng)重要內(nèi)容。”
對(duì)于寬溫鎳氫電池的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展而言，2013年是格外重要的一年。這一年，中科眾瑞（哈爾濱）清潔能源股份有限公司成立。目前，在已建成的方形寬溫鎳氫電池生產(chǎn)線基礎(chǔ)上，中科眾瑞正在進(jìn)行電池材料及新生產(chǎn)線的籌建。一旦建設(shè)完成，生產(chǎn)線的年生產(chǎn)能力預(yù)計(jì)可突破5000萬(wàn)Wh。
2015年，上海中盈志合科技股份有限公司聯(lián)合長(zhǎng)春應(yīng)化所，在長(zhǎng)春成立中盈志合吉林科技股份有限公司，以開(kāi)展新的寬溫鎳氫電池生產(chǎn)線建設(shè)及電池應(yīng)用開(kāi)發(fā)工作。迄今已建成年產(chǎn)能達(dá)到4000萬(wàn)Wh的生產(chǎn)線。
得益于對(duì)成果轉(zhuǎn)化的高度重視與積極推進(jìn)，目前，長(zhǎng)春應(yīng)化所的寬溫鎳氫電池已經(jīng)陸續(xù)應(yīng)用于高技術(shù)產(chǎn)品、各類(lèi)電動(dòng)車(chē)輛、儲(chǔ)能電站等多個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正在積極推進(jìn)。
其中，中科眾瑞和中盈志合吉林公司生產(chǎn)的24V-190Ah及24V-165Ah兩款電池組，就在北部戰(zhàn)區(qū)某部隊(duì)的裝甲車(chē)和特種裝備車(chē)輛上大顯身手。作為啟動(dòng)電源，上述電池在-30℃～5℃的低溫環(huán)境下成功連續(xù)工作6個(gè)月以上，凸顯出了電池組優(yōu)良的耐低溫工作特性。
在電動(dòng)車(chē)方面，寬溫鎳氫電池的發(fā)揮空間更加廣闊：中盈志合吉林公司與一汽客車(chē)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的12米純電動(dòng)客車(chē)，在-26℃環(huán)境下的續(xù)航里程達(dá)到170 km，且可以正常充放電，該車(chē)型已于2016年進(jìn)入國(guó)家《新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄》（第3批）；常州盈華高科開(kāi)發(fā)的不同容量的動(dòng)力鎳氫電池組也已應(yīng)用于電動(dòng)物流車(chē)，在-20℃的環(huán)境下運(yùn)行里程可達(dá)常溫行駛里程的90%以上。
不僅極端條件下需要寬溫電池來(lái)“救場(chǎng)”，很多空間場(chǎng)景也非寬溫電池不可。比如在大型冷庫(kù)里，密閉環(huán)境既對(duì)叉車(chē)的排放環(huán)保性提出了高要求，又強(qiáng)調(diào)電池要耐得住低溫，這恰恰是寬溫鎳氫電池最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。
比如，中盈志合吉林公司通過(guò)使用134只200Ah寬溫鎳氫電池組，自主開(kāi)發(fā)出了2.5噸的純電動(dòng)叉車(chē)。在滿(mǎn)電狀態(tài)下，叉車(chē)在實(shí)際工況中可使用10小時(shí)，比同規(guī)格鉛酸電池使用時(shí)間多出2小時(shí)以上。
雖然目前寬溫鎳氫電池更多地在交通工具上發(fā)揮作用，但這絕不意味著它的應(yīng)用僅僅限于某一領(lǐng)域。
2013年以來(lái)，中科眾瑞聯(lián)合黑龍江移動(dòng)通訊公司，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了48V-200Ah通訊基站用備用混合電源。經(jīng)黑龍江鶴崗和雙城兩地的實(shí)際通訊基站試驗(yàn)表明，該類(lèi)電源可以完全做到免維護(hù)，且冬天不需要進(jìn)行保溫，工作時(shí)間明顯延長(zhǎng)。
回首來(lái)路，長(zhǎng)春應(yīng)化所對(duì)寬溫稀土儲(chǔ)氫合金及鎳氫電池的研制及應(yīng)用已歷時(shí)20余年，取得了令人矚目的成就。這些成就的取得，離不開(kāi)幾代長(zhǎng)春應(yīng)化所人的傳承與創(chuàng)新。
未來(lái)，這種傳承與創(chuàng)新仍將延續(xù)下去。“寬溫鎳氫電池許多特色應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍處于初期階段，高技術(shù)裝備的更新?lián)Q代，使得對(duì)高性能寬溫鎳氫電池仍有大量的拓展空間。因此，寬溫鎳氫電池開(kāi)發(fā)應(yīng)用的潛在前景、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)作用都有很大發(fā)展空間。”談及寬溫鎳氫電池的將來(lái)，長(zhǎng)春應(yīng)化所團(tuán)隊(duì)躊躇滿(mǎn)志�！�