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概述

調(diào)研大綱

在當(dāng)今能源需求持續(xù)增長和環(huán)保意識(shí)日益增強(qiáng)的背景下，電池技術(shù)作為關(guān)鍵的能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換方式，受到了廣泛關(guān)注。鎳鋅電池作為一種具有獨(dú)特性能優(yōu)勢的電池類型，在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

一、鎳鋅電池定義與分類?

鎳鋅電池是一種可充電的堿性電池，它以鎳（Ni）作為正極活性物質(zhì)，鋅（Zn）作為負(fù)極活性物質(zhì)，通過氫氧化鉀（KOH）或氫氧化鈉（NaOH）等堿性溶液作為電解液來實(shí)現(xiàn)離子的傳導(dǎo)，從而完成電池的充放電過程。這種電池憑借其獨(dú)特的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，具備將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能的能力，在各類電子設(shè)備和能源存儲(chǔ)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。?

根據(jù)市場調(diào)研的數(shù)據(jù)分析，鎳鋅電池可以依據(jù)多種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行細(xì)致分類。從形狀角度來看，主要有圓柱形、方形和軟包形這三大類。圓柱形鎳鋅電池常見的型號(hào)有 5 號(hào)（AA）和 7 號(hào)（AAA），這類電池結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造，成本相對(duì)較低，廣泛應(yīng)用于小型電子設(shè)備，如電動(dòng)剃須刀、遙控器、小型手電筒等，能夠?yàn)檫@些設(shè)備提供穩(wěn)定的電力支持。方形鎳鋅電池通常具有較大的尺寸和容量，能量密度較高，穩(wěn)定性也較好，因此多應(yīng)用于較大型的電子設(shè)備，像電動(dòng)工具、應(yīng)急照明設(shè)備以及一些對(duì)續(xù)航能力和功率要求較高的便攜式設(shè)備等，在這些設(shè)備中，方形鎳鋅電池能夠滿足其高功率和長時(shí)間使用的需求。軟包鎳鋅電池采用了鋁塑膜作為包裝材料，具有良好的安全性能，在受到擠壓或穿刺時(shí)不易發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)情況；同時(shí)，它還具備高度的靈活性，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場景和設(shè)備需求，制成各種形狀和尺寸，逐漸在移動(dòng)電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及一些對(duì)電池形狀有特殊要求的電子產(chǎn)品中得到應(yīng)用，為這些領(lǐng)域帶來了更具創(chuàng)新性的電源解決方案。?

按照性能特點(diǎn)來劃分，鎳鋅電池又可分為普通型和高性能型。普通型鎳鋅電池成本相對(duì)較低，能夠滿足一些對(duì)電池性能要求不高的常規(guī)應(yīng)用場景，如普通的遙控器、簡單的玩具等設(shè)備。而高性能型鎳鋅電池則在能量密度、循環(huán)壽命、充放電倍率等方面表現(xiàn)更為出色，能夠適應(yīng)高功率、高能量需求以及對(duì)電池性能穩(wěn)定性要求較高的復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境，例如在電動(dòng)汽車、航空航天、軍事裝備等高端領(lǐng)域，高性能型鎳鋅電池憑借其卓越的性能，為這些設(shè)備提供可靠的動(dòng)力和能源保障。?

從應(yīng)用領(lǐng)域出發(fā)，鎳鋅電池可分為消費(fèi)電子類、動(dòng)力類和儲(chǔ)能類。消費(fèi)電子類鎳鋅電池主要用于各類消費(fèi)電子產(chǎn)品，如數(shù)碼相機(jī)、MP3 播放器、便攜式游戲機(jī)等，為這些產(chǎn)品提供便捷的電源，滿足消費(fèi)者在日常生活中的娛樂和使用需求。動(dòng)力類鎳鋅電池則主要應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車等電動(dòng)交通工具，作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)車輛行駛，其性能的優(yōu)劣直接影響著車輛的續(xù)航里程、動(dòng)力性能和行駛安全性。儲(chǔ)能類鎳鋅電池主要用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（如太陽能、風(fēng)能發(fā)電）的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，以及智能電網(wǎng)的調(diào)峰填谷等場景，能夠?qū)⒍嘤嗟碾娔軆?chǔ)存起來，在需要時(shí)釋放，起到平衡電力供需、穩(wěn)定電網(wǎng)運(yùn)行的重要作用。?

二、工作原理與性能特點(diǎn)?

鎳鋅電池的工作原理基于電化學(xué)反應(yīng)，在充放電過程中，正負(fù)極材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)能與電能的相互轉(zhuǎn)化。在充電過程中，外部電源提供電能，電流通過電池內(nèi)部，使負(fù)極的鋅發(fā)生氧化反應(yīng)，鋅原子失去電子變成鋅離子（Zn²?），并與電解液中的氫氧根離子（OH?）結(jié)合，生成氫氧化鋅（Zn (OH)?）；同時(shí)，正極的氫氧化鎳（Ni (OH)?）得到電子，被還原為羥基氧化鎳（NiOOH）。其化學(xué)反應(yīng)方程式為：2Ni (OH)? + Zn (OH)?→ 2NiOOH + Zn + 2H?O。當(dāng)電池放電時(shí)，反應(yīng)逆向進(jìn)行，負(fù)極的氫氧化鋅失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，重新生成鋅離子和氫氧根離子，釋放出的電子通過外電路流向正極；正極的羥基氧化鎳得到電子，被還原為氫氧化鎳，電解液中的離子在正負(fù)極之間進(jìn)行傳導(dǎo)，形成完整的電流回路。放電反應(yīng)方程式為：2NiOOH + Zn + 2H?O → 2Ni (OH)? + Zn (OH)?。?

鎳鋅電池具有一系列突出的性能特點(diǎn)。首先，其能量密度較高，通常在 150 - 250 Wh/kg 之間，相比傳統(tǒng)的鉛酸電池，在相同重量或體積下，能夠儲(chǔ)存更多的電能，這使得鎳鋅電池在對(duì)能量密度要求較高的應(yīng)用場景中具有明顯優(yōu)勢，如電動(dòng)汽車、移動(dòng)電源等領(lǐng)域，可以有效延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。其次，鎳鋅電池具備快速充電的能力，一般情況下，可在 1 小時(shí)內(nèi)完成充電，滿足了人們對(duì)設(shè)備快速補(bǔ)充電量的需求，尤其適用于需要頻繁充電的電動(dòng)工具、智能手機(jī)等設(shè)備，大大提高了設(shè)備的使用便利性。再者，鎳鋅電池的環(huán)保性能良好，鎳和鋅都是相對(duì)豐富且易于回收的金屬，在電池的生產(chǎn)和使用過程中，對(duì)環(huán)境的污染較小，符合當(dāng)前全球?qū)Νh(huán)保的嚴(yán)格要求，是一種可持續(xù)發(fā)展的電池技術(shù)。此外，鎳鋅電池還具有較好的大電流放電性能，能夠在短時(shí)間內(nèi)提供較大的電流輸出，適用于一些需要瞬間高功率的應(yīng)用場景，如電動(dòng)汽車的啟動(dòng)、加速以及電動(dòng)工具的高負(fù)荷工作等。?

然而，鎳鋅電池也存在一些不足之處。例如，其循環(huán)壽命相對(duì)有限，雖然隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)代鎳鋅電池的循環(huán)壽命已經(jīng)能夠達(dá)到 500 次以上，但與部分先進(jìn)的鋰離子電池相比，仍有一定的提升空間。在長期使用過程中，電池的容量會(huì)逐漸衰減，影響其使用性能和使用壽命。同時(shí)，鎳鋅電池的高溫性能相對(duì)較差，在高溫環(huán)境下，電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度加快，可能導(dǎo)致電池的自放電率增加、容量下降，甚至出現(xiàn)安全隱患，限制了其在一些高溫環(huán)境應(yīng)用場景中的使用。?

三、鎳鋅電池的發(fā)展歷程?

鎳鋅電池的發(fā)展歷程源遠(yuǎn)流長，可追溯到 19 世紀(jì)末。1899 年，俄羅斯科學(xué)家 MICHAELOWSKI 率先從理論上完成了對(duì)鎳鋅電池的研究，并據(jù)此申請(qǐng)了專利，為鎳系電池的研究發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，打開了鎳鋅電池研究領(lǐng)域的大門。此后，大發(fā)明家托馬斯?愛迪生對(duì)鎳鋅電池產(chǎn)生了濃厚興趣，致力于將其從實(shí)驗(yàn)室推向?qū)嶋H應(yīng)用。盡管受限于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平，他最終未能成功開發(fā)出實(shí)用的鎳鋅電池，但他的研究為后來者提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和啟示。?

研究報(bào)告指出，20 世紀(jì)初，鎳鋅電池作為最早的堿性電池之一，開始在電子設(shè)備中嶄露頭角，不過，由于技術(shù)瓶頸的限制，其性能和穩(wěn)定性未能滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。在接下來的幾十年里，科學(xué)家們不斷努力，試圖突破鋅電極在充放電循環(huán)過程中的枝晶和變形問題，但始終未能取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。直到 1948 年，美國人紐曼發(fā)明出鎳鎘電池，在一定程度上解決了電池的一些性能問題，但人們很快發(fā)現(xiàn)鎳鎘電池對(duì)環(huán)境十分有害，這使得對(duì)鎳鋅電池的研發(fā)需求變得更加迫切。?

20 世紀(jì) 70 年代，第一次全球石油危機(jī)爆發(fā)，能源問題成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。這一事件激發(fā)并堅(jiān)定了人們對(duì)新能源技術(shù)的探索和發(fā)展，鎳鋅電池的研發(fā)再度興起。眾多跨國公司和科研機(jī)構(gòu)紛紛投入大量資源，加入到鎳鋅電池的研發(fā)行列中。美國 ERC 麾下的 EVERCEL 公司投入巨資，集中科技力量進(jìn)行攻關(guān)；總部設(shè)于美國圣地亞哥的 POWERGENIX 公司也不遺余力地加大研發(fā)力度，并取得了一定的突破，改進(jìn)了電解液和電極配方，推出了新一代 NiZn 鎳鋅充電電池，使鎳鋅電池的性能得到了顯著提升。然而，這些早期的研究成果仍然存在一些問題，如為抑制鋅負(fù)極枝晶產(chǎn)生，部分負(fù)極材料中使用的添加劑含有致污染的氟，且循環(huán)壽命較短；還有一些研究在隔膜技術(shù)上有所創(chuàng)新，但因結(jié)片厚度導(dǎo)致導(dǎo)電率低下、成本過高、容量有限等，使得鎳鋅電池在當(dāng)時(shí)仍未能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。?

進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著科技的飛速發(fā)展和新能源產(chǎn)業(yè)的興起，鎳鋅電池迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。材料科學(xué)、納米技術(shù)、電化學(xué)等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，為鎳鋅電池技術(shù)的突破提供了有力支持。研究人員在電極材料、電解液、隔膜等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了一系列重要成果，有效改善了鎳鋅電池的性能。例如，采用新型的納米結(jié)構(gòu)電極材料，提高了電極的活性和穩(wěn)定性；優(yōu)化電解液配方，降低了電池的內(nèi)阻，提高了充放電效率；研發(fā)出高性能的隔膜材料，增強(qiáng)了電池的安全性和循環(huán)壽命。同時(shí)，環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)使得電池的安全性、環(huán)保性成為行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素，鎳鋅電池因其相對(duì)環(huán)保的特性，受到了更多的關(guān)注和重視。?

近年來，隨著我國政府對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的扶持力度不斷加大，鎳鋅電池行業(yè)得到了政策層面的大力支持。行業(yè)內(nèi)部企業(yè)之間的競爭愈發(fā)激烈，這促使企業(yè)不斷加大研發(fā)投入，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升技術(shù)水平。同時(shí)，國際市場的拓展也為鎳鋅電池行業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，全球范圍內(nèi)對(duì)鎳鋅電池的需求呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的趨勢。如今，鎳鋅電池已經(jīng)在消費(fèi)電子、電動(dòng)工具、電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并且隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善，其應(yīng)用前景將更加廣闊。