眼前的桌子上擺放著幾個五彩斑斕的5號（AA型）電池。拿起一個放在手中掂量，除了感覺比市面上常見的普通5號干電池微微重了一些，似乎并沒有什么特別。
“這個就是我們自主研發(fā)的新型寬溫鎳氫電池！”中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所（簡稱長春應(yīng)化所）輕金屬&電池材料研究組組長、王立民研究員介紹說。
可別小看眼前這小小的電池，在它們的背后實則蘊含著大大的智慧。為了攻克電池“遇冷則弱”的技術(shù)瓶頸，長春應(yīng)化所研究團隊在這條道路上足足探索了20多年。
如今，輕金屬&電池材料研究團隊，不僅在電池負極材料設(shè)計制備、儲氫性能研究等方面取得了一系列成果，而且開發(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
你或許有過這樣的經(jīng)歷：冬季寒冷的室外，使用手機時常常會出現(xiàn)自動關(guān)機或者電量急速下降的情況。歸根結(jié)底，這都是手機電池“怕冷”惹的禍。
其實不止手機，就連電動汽車也遭遇了類似的尷尬。當(dāng)前，大多數(shù)電動汽車的電池都是基于電化學(xué)反應(yīng)過程制造的，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劇減，因此“遇冷則弱”也就成為了電動車在高寒環(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”：一般的石墨負極類鋰離子動力電池的工作溫度倘若從20℃降到0℃，電池容量就會減少約20%；溫度從0℃再降到-20℃，電池容量又會再減少約30%。
這就意味著，配備一般鋰離子電池的電動客車在不加保溫措施的情況下很難入駐我國東北、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，需要對電池進行冷卻，這也會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相對通俗的解釋：“寬溫鎳氫電池是指在-45℃～60℃溫區(qū)具有優(yōu)良性能的一類鎳氫電池，該類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，為了獲得這類寬溫鎳氫電池，長春應(yīng)化所人足足探索了20多年。
上世紀(jì)90年代初，長春應(yīng)化所研究員王寶忱團隊首次將目光聚焦于鎳氫電池負極材料——稀土儲氫合金，并試制了5號鎳氫電池。之后，單義斌研究員團隊研制了疊型鎳氫電池并應(yīng)用于電動自行車。
本世紀(jì)初，趙敏壽研究員團隊又進一步對寬溫區(qū)的低溫端（-40℃）儲氫合金發(fā)起攻關(guān)，研制出低溫儲氫合金以及多種型號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，針對寬溫鎳氫電池中的科學(xué)和技術(shù)問題進一步攻關(guān)，自主研制出非化學(xué)計量比高熵化寬溫（-50℃~65℃）性能優(yōu)良的儲氫合金，獲得多項國家發(fā)明專利，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)境下會出現(xiàn)“水土不服”，主要原因在于負極儲氫合金的低溫性能差，而長春應(yīng)化所團隊通過添加具有超熵變性能金屬與化合物等，強化負極低溫放電中氫擴散通道、改善正負極的低溫充放電動力學(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)境中也可實現(xiàn)1倍率充電！”課題組人員的這份自信絕非憑空而來，而是經(jīng)過了無數(shù)次實踐的打磨與驗證。
2018年1月，課題組及其合作者團隊帶著裝配寬溫鎳氫電池的12米純電動大客車一路北上，來到了位于祖國東北邊陲的黑龍江省黑河市。在這里，純電動大客車和其它純電動車展開了一場耐寒拉力賽。結(jié)果，在不采取任何保溫措施的情況下，大客車能夠正常發(fā)動和行駛。寬溫鎳氫電池獲得本屆純電動汽車?yán)愇ㄒ浑姵仡?ldquo;最佳耐低溫獎”。
其實，鎳氫電池本身并非一個新鮮事物，日本、美國、法國、韓國等國的鎳氫動力電池生產(chǎn)企業(yè)也一直聚焦于這一領(lǐng)域。比如，日本的Primearth EV能源公司的動力鎳氫電池已經(jīng)成功應(yīng)用于豐田Prius等混合動力汽車；美國Cobasys公司則專門為混合動力汽車開發(fā)了8.8Ah的鎳氫動力電池模塊。不過，與長春應(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。
事實上，除了“不怕冷”與 “不怕熱”，長春應(yīng)化所的寬溫鎳氫電池還兼具許多其他無可比擬的優(yōu)勢：如高比能、大功率、快速充放電、安全性好、長壽命以及電池回收利用價值高的特點。不僅可以應(yīng)用于電動客車以及通信電子等領(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)的太陽能和風(fēng)能發(fā)電存儲提供新型電源系統(tǒng)。
闖出特色產(chǎn)業(yè)之路
基礎(chǔ)研究只有轉(zhuǎn)化為實實在在的產(chǎn)品，才能最終造福國家與人民。深諳這一道理的長春應(yīng)化所始終堅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、多類型電池生產(chǎn)線。
2012年，在長春應(yīng)化所大力推動新能源材料研制及應(yīng)用的背景下，長春應(yīng)化所所屬的常州儲能材料與器件研究院獨資成立常州盈華高科儲能材料科技有限公司，建成了生產(chǎn)能力達120萬Wh/年的寬溫鎳氫電池中試生產(chǎn)線，對多種型號寬溫鎳氫電池進行批量擴試，并開發(fā)了低溫充電器以及應(yīng)急啟動電源等多種配套應(yīng)用產(chǎn)品，均取得了較好市場回饋，驗證了寬溫鎳氫電池核心技術(shù)的普適性與實用性。
常州生產(chǎn)線負責(zé)人梁飛介紹：“這條中試生產(chǎn)線以開展各種寬溫鎳氫電池試生產(chǎn)及評價為主，主要產(chǎn)品為圓柱形寬溫鎳氫電池。此外，開展寬溫鎳氫電池在軍民兩方的試應(yīng)用也是一項重要內(nèi)容。”
對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)計可突破5000萬Wh。
2015年，上海中盈志合科技股份有限公司聯(lián)合長春應(yīng)化所，在長春成立中盈志合吉林科技股份有限公司，以開展新的寬溫鎳氫電池生產(chǎn)線建設(shè)及電池應(yīng)用開發(fā)工作。迄今已建成年產(chǎn)能達到4000萬Wh的生產(chǎn)線。
得益于對成果轉(zhuǎn)化的高度重視與積極推進，目前，長春應(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、各類電動車輛、儲能電站等多個領(lǐng)域，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正在積極推進。
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)某部隊的裝甲車和特種裝備車輛上大顯身手。作為啟動電源，上述電池在-30℃～5℃的低溫環(huán)境下成功連續(xù)工作6個月以上，凸顯出了電池組優(yōu)良的耐低溫工作特性。
在電動車方面，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聯(lián)合開發(fā)的12米純電動客車，在-26℃環(huán)境下的續(xù)航里程達到170 km，且可以正常充放電，該車型已于2016年進入國家《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》（第3批）；常州盈華高科開發(fā)的不同容量的動力鎳氫電池組也已應(yīng)用于電動物流車，在-20℃的環(huán)境下運行里程可達常溫行駛里程的90%以上。
不僅極端條件下需要寬溫電池來“救場”，很多空間場景也非寬溫電池不可。比如在大型冷庫里，密閉環(huán)境既對叉車的排放環(huán)保性提出了高要求，又強調(diào)電池要耐得住低溫，這恰恰是寬溫鎳氫電池最擅長的領(lǐng)域。
比如，中盈志合吉林公司通過使用134只200Ah寬溫鎳氫電池組，自主開發(fā)出了2.5噸的純電動叉車。在滿電狀態(tài)下，叉車在實際工況中可使用10小時，比同規(guī)格鉛酸電池使用時間多出2小時以上。
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，中科眾瑞聯(lián)合黑龍江移動通訊公司，聯(lián)合開發(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際通訊基站試驗表明，該類電源可以完全做到免維護，且冬天不需要進行保溫，工作時間明顯延長。
回首來路，長春應(yīng)化所對寬溫稀土儲氫合金及鎳氫電池的研制及應(yīng)用已歷時20余年，取得了令人矚目的成就。這些成就的取得，離不開幾代長春應(yīng)化所人的傳承與創(chuàng)新。
未來，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)用開發(fā)仍處于初期階段，高技術(shù)裝備的更新?lián)Q代，使得對高性能寬溫鎳氫電池仍有大量的拓展空間。因此，寬溫鎳氫電池開發(fā)應(yīng)用的潛在前景、經(jīng)濟效益和社會作用都有很大發(fā)展空間。”談及寬溫鎳氫電池的將來，長春應(yīng)化所團隊躊躇滿志。■