绿色化学与物理电源标准体系的构建探讨

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1、2002009 9年年1010月月绿色化学与物理电源标准体系的构建绿色化学与物理电源标准体系的构建探讨探讨Discussions on the Building of the Clean Electrochemical and Physical Power Sources Standard System工业和信息化部中国电子技术标准化研究所工业和信息化部中国电子技术标准化研究所曹曹 林林汇报内容汇报内容一、标准体系的构建模式一、标准体系的构建模式 二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 三、绿色化学与物理电源三、绿色化学与物理电源四、现有电池标准体系分析四、现有电池标准体系分析五、绿色化

2、学与物理电源标准体系的构建五、绿色化学与物理电源标准体系的构建 六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 产品标准体系的构建产品标准体系的构建一、标准体系的构建模式一、标准体系的构建模式 二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 化学电源的化学电源的存储方式存储方式 间接方式p间接间接p需要感应电流需要感应电流p活性物质减少活性物质减少p种类多种类多直接方式p直接直接p无感应电流无感应电流p静电学方式静电学方式p种类少种类少法拉第形式“电容”形式电池是化学与物理电源的通称电池是化学与物理电源的通称 化学电源最为显著的特点化学电源最为显著的特点 二、化学与物理电源概述二、化学与物

3、理电源概述 电化学系统电化学系统可逆过程可逆过程化学能转换成自由能化学能转换成自由能化学电源存储化学电源存储电能的效率通电能的效率通常比燃料燃烧常比燃料燃烧系统高很多系统高很多燃料燃烧系统燃料燃烧系统遵循热力学卡诺循环遵循热力学卡诺循环降低效率降低效率物理电源是指把物理过程的能量转换成电能的装置物理电源是指把物理过程的能量转换成电能的装置 最为典型的物理电源是太阳电池最为典型的物理电源是太阳电池物理电源的种类相对较少物理电源的种类相对较少关于物理电源关于物理电源二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 电极电极u在电池内部正负极之间起电荷传递的物质，在电池内部正负极之间起电荷传递的物质，其

4、导电作用区别于普通的导体是通过离子导其导电作用区别于普通的导体是通过离子导电而不是电子导电，对电解质的要求通常是电而不是电子导电，对电解质的要求通常是比导电高，而等效电阻较小。比导电高，而等效电阻较小。 此外，电解质此外，电解质还必须具有化学稳定性，化学稳定性的高低还必须具有化学稳定性，化学稳定性的高低是电池自放电率和高循环性能的重要保证。是电池自放电率和高循环性能的重要保证。 u电极是最为核心的部分，它由活性物质电极是最为核心的部分，它由活性物质和导电支撑结构组成，当然，这里所指的和导电支撑结构组成，当然，这里所指的活性是指电活性，能够进行电化学反应，活性是指电活性，能够进行电化学反应，它的

5、特性通常决定了化学电源的基本性。它的特性通常决定了化学电源的基本性。 电电解解质质隔膜隔膜外外壳壳u隔膜是防止正负极活性材料直接接触隔膜是防止正负极活性材料直接接触从而防止电池内部短路的薄膜。隔膜从而防止电池内部短路的薄膜。隔膜尽可能要求化学稳定、机械强度高，尽可能要求化学稳定、机械强度高，对电解质离子运动的阻力小，呈现良对电解质离子运动的阻力小，呈现良好的电导绝缘性能等。好的电导绝缘性能等。 u外壳是电池的容器，在化学电源外壳是电池的容器，在化学电源中，只有锌猛干电池是锌电极兼作中，只有锌猛干电池是锌电极兼作外壳。外壳。 化学电源的组成二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 一次电源锌

6、锰干电池、碱性锌锰电池、锌-汞电池、镉-汞电池、锌-银电池、碱性锌-空气电池、固体电解质电池（钠-硫电池）、锂电池 二次电源铅酸电池、镉镍电池、氢-镍电池、金属氢化物-镍（MH-Ni）电池、固体电解质电池（钠-硫电池）、锂离子电池、液流电池、电化学电容器。燃料电池 碱性燃料电池、固体氧化物燃料电池、直接醇类燃料电池、聚合物 膜燃料电池、磷酸燃料电池、溶化碳酸盐燃料电池。电池分类二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 太阳能电池硅太阳电池、化合物半导体太阳电池、敏化太阳能电池。 热电池热电池是纯军事应用电池。早期民用市场也有扣式锌银原电池，现已基本淘汰，因此锌银原电池主要是军事应用的锌银贮

7、备电池。锌空气电池主要用于航标灯等，市场应用量很少。锂电池锂电池主要包括锂二氧化锰电池、锂亚硫酰氯电池和锂二氧化硫电池。前两者军、民两个领域均有应用，民用以锂二氧化锰电池为多，锂二氧化硫电池则主要为军用。锌锰电池锌锰电池是应用最广泛的原电池，分为普通锌锰电池和碱性锌锰电池，由于具有更为优良的性能，碱性锌锰电池正在逐步取代普通锌锰电池，无汞碱性锌锰电池是产品发展趋势。铅酸蓄电池铅酸蓄电池是应用最广泛的蓄电池，主要分为普通铅酸蓄电池和阀控密封铅酸蓄电池（VRLA），按其用途可分为起动用、牵引用和固定应用等。化学与物理电源的主要用途 二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 太阳电池太阳电池基本

8、可分为硅太阳电池、化合物半导体太阳电池及敏化太阳电池。太阳电池分为空间和地面两大应用方向，地面应用以晶体硅（单晶硅、多晶硅）太阳电池为主，非晶硅太阳电池和铜铟硒（CIS）等化合物半导体太阳电池有少量应用；空间应用基本为单晶硅太阳电池和砷化镓太阳电池，目前仍以单晶硅电池为主，但砷化镓电池具有良好的应用前景。燃料电池燃料电池因种种条件所限，目前多为研制或工程示范，距商业化应用尚有距离。锌银蓄电池锌银蓄电池因其自身特性目前也主要应用于飞机、鱼雷等军事装备中。碱性二次电池密封式的镉镍蓄电池、金属氢化物镍蓄电池及锂离子蓄电池（包括聚合物锂离子蓄电池）主要应用于便携式移动设备，开口式镉镍蓄电池多为工业应用

9、，全密封式的镉镍、氢镍和锂离子蓄电池则为空间飞行器使用。产品向大容量及功率化方向发展，是这几类电池的一大发展趋势。化学与物理电源的主要用途 二、化学与物理电源概述二、化学与物理电源概述 循环经济也称为绿色文明，它在经济形态上的表现循环经济也称为绿色文明，它在经济形态上的表现本质上要求运用生态学的规律来指导人类社会从事经济本质上要求运用生态学的规律来指导人类社会从事经济活动，按照自然生态系统物质循环和能量流动规律重构活动，按照自然生态系统物质循环和能量流动规律重构人类的经济活动和能量利用系统，使人类的活动和谐地人类的经济活动和能量利用系统，使人类的活动和谐地纳入自然生态系统的物质循环过程中，建立

10、起一种新形纳入自然生态系统的物质循环过程中，建立起一种新形态的国家经济，这种新形态的经济是一种可持续发展的态的国家经济，这种新形态的经济是一种可持续发展的经济。经济。 三、三、绿色化学与物理电源绿色化学与物理电源绿色电池倡导绿色文明绿色电池倡导绿色文明 推动循环经济推动循环经济绿色电池的特点与优势绿色电池的特点与优势 三、三、绿色化学与物理电源绿色化学与物理电源Comparison between different types of energy storage mechanisms. The variation of the potential with the amount of cha

11、rge extracted is shown above, and the amount of energy available is shown below by the areas under the curves.绿色化学电源的应绿色化学电源的应用及发展用及发展 三、三、绿色化学与物理电源绿色化学与物理电源R. A. Huggins绿色化学电源的应绿色化学电源的应用及发展用及发展 静电电容器、双电层电容器静电电容器、双电层电容器赝电容超级电容器赝电容超级电容器电压功率特性高操作电压、高操作功率受电活性物质化学性质及电解质分解电压的影响，操作电压较低。相角90相角相位角是频率的函数，但具有

12、传输线行为。等效电阻静电电容器和电解电容器具有低的或零ESR和有限的ESR与相位的频率依赖性充放电速率受动力学限制，因而也受限于动力学。可逆性无限可逆高度可逆电容电压特性电容不随电压而变电容与电压有关自放电性能可自我指示充放电程度可自我指示充放电程度器件类型性能三、三、绿色化学与物理电源绿色化学与物理电源电池及超级电容器的特性电池及超级电容器的特性 绿色化学电源的应绿色化学电源的应用及发展用及发展 电池电池超级电容器超级电容器自由能参数有固定的自由能自由能随材料的转化而连续变化电压若放电过程中不发生热力学改变，电动势始终保持不变。电位已连续方式与热力学状态有关，相关因子是logx/(1-x)容

13、量属性若不是从非常广义的角度看，其行为并非是电容式的。其行为并是电容式的。可逆性通常是不可逆的。具有高度可逆性（RuO2可循环104-106次）电流电压关系电位非线性变化能保持恒电流电位线性变化能保持恒电流输出电流特性能够在一定的电位下保持恒电流放电。能保持恒电流放电。器件类型性能三、三、绿色化学与物理电源绿色化学与物理电源What about the futureThomas Edison once said that making predictions can be rather precarious, especially when it has to do with the futu

14、re. Three-dimensional insertion of atomic species into the bulk electrode structure can be used to store much more energy. Number and volume of applications that require pulsed electrical power is growing rapidly, and the range of time requirements is quite wide. 三、三、绿色化学与物理电源绿色化学与物理电源R. A. Huggins

15、四、现有电池标准体系分析四、现有电池标准体系分析 标 准 体 系 标准是产品技术成果的固化与体现，是产品性标准是产品技术成果的固化与体现，是产品性能与可靠性的保障与证明，目前判别产品水平的高能与可靠性的保障与证明，目前判别产品水平的高低及能否满足实际应用的需要，主要通过依据相关低及能否满足实际应用的需要，主要通过依据相关标准实施检验或开展认证工作，这里所依据标准的标准实施检验或开展认证工作，这里所依据标准的主体为产品规范。产品规范与支撑其内容的基础标主体为产品规范。产品规范与支撑其内容的基础标准以及相关协调配套的其它产品规范，共同形成一准以及相关协调配套的其它产品规范，共同形成一个个“一定范围

16、内按其内在联系形成的科学的有机的一定范围内按其内在联系形成的科学的有机的标准整体标准整体”，也即标准体系。，也即标准体系。电池标准体系具有与其它电池标准体系具有与其它电子元器件相同的结构电子元器件相同的结构 四、现有电池标准体系分析四、现有电池标准体系分析 电池领域的标委会电池领域的标委会全国铅酸蓄电池标准化技术委员会（TC69）、全国碱性蓄电池标准化技术委员会（TC77）、全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会（TC82）、全国原电池标准化技术委员会（TC176）、全国燃料电池标准化技术委员会（TC342）。 四、现有电池标准体系分析四、现有电池标准体系分析 四、现有电池标准体系分析四、现有电

17、池标准体系分析 标准体系的特点 标 准 体 系 的 特 点现行标准体系是在长期的产业及标准化活动中逐步建立并完善起来的，因此其总体结构是基本合理的体系的层次为从共性到个性、从普遍到特殊，体系的层次为从共性到个性、从普遍到特殊，符合标准化工作的规律；符合标准化工作的规律；体系的结构的划分考虑了产品的结构技术特点，与各自产业体系的结构的划分考虑了产品的结构技术特点，与各自产业的情况大体吻合。的情况大体吻合。 四、现有电池标准体系分析四、现有电池标准体系分析 四、现有电池标准体系分析四、现有电池标准体系分析 增强体系对行业发展的指导性增强体系对行业发展的指导性进一步提高体系中的标准与产业的适配性进一

18、步提高体系中的标准与产业的适配性强化体系与产品应用的联系强化体系与产品应用的联系标准体系需要解决的问题标准体系需要解决的问题五、绿色化学与物理电源标准体系的构建五、绿色化学与物理电源标准体系的构建绿色化学与物理电源标准体系构建的思路绿色化学与物理电源标准体系构建的思路领域标准化领域标准化 标准体系的特点 标准体系奠定电池领域标准化工作基础绿色电池标准体系的提出，符合领域标准化的基本方针；绿色电池标准体系的提出，符合领域标准化的基本方针；体系的改进与完善体现领域标准化工作的需求；体系的改进与完善体现领域标准化工作的需求；标准化工作的重点方向指明领域标准化的主要工作内容；标准化工作的重点方向指明领

19、域标准化的主要工作内容；体系兼顾领域标准化的基础与发展，提供全面、系统的规划。体系兼顾领域标准化的基础与发展，提供全面、系统的规划。五、绿色化学与物理电源标准体系的构建五、绿色化学与物理电源标准体系的构建五、绿色化学与物理电源标准体系的构建五、绿色化学与物理电源标准体系的构建六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 IEC 62133:2002IEC 62133:2002含碱性或其它非酸性电解质的蓄含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组便携式密封蓄电池和蓄电池组的安电池和蓄电池组便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全性要求全性要求；IEC 62281:2004IEC 62281:20

20、04运输中锂原电池和电池组及锂蓄运输中锂原电池和电池组及锂蓄电池和电池组的安全电池和电池组的安全；UL 1642:2006UL 1642:2006锂电池锂电池；IEEE 1625:2004IEEE 1625:2004便携式计算机用蓄电池标准便携式计算机用蓄电池标准；IEEE 1725:2006IEEE 1725:2006蜂窝电话用蓄电池标准蜂窝电话用蓄电池标准。锂离子电池国际标准现状锂离子电池国际标准现状六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 IEC 62133IEC 62133用于各类用途的便携式碱性蓄电池，其中用于各类用途的便携式碱性蓄电池，其中包括锂离子蓄电池；包括锂离子蓄

21、电池；IEC 62281IEC 62281适用于锂原电池和锂离子蓄电池的运输；适用于锂原电池和锂离子蓄电池的运输；UL 1642UL 1642适用于所有含锂电池，包括锂原电池和锂离适用于所有含锂电池，包括锂原电池和锂离子蓄电池；子蓄电池；IEEEIEEE标准则分别适用于笔记本电脑、手机和数码相标准则分别适用于笔记本电脑、手机和数码相机与摄像机用的锂离子蓄电池。机与摄像机用的锂离子蓄电池。锂离子电池国际标准使用范围锂离子电池国际标准使用范围 六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 GB/T 18287GB/T 1828720002000蜂窝电话用锂离子电池总规范蜂窝电话用锂离子电池

22、总规范；GB/T 19521.11GB/T 19521.1120052005锂电池组危险货物危险特性检验安全规范锂电池组危险货物危险特性检验安全规范GB/Z 18333.1GB/Z 18333.120012001电动道路车辆用锂离子蓄电池电动道路车辆用锂离子蓄电池YD 1268.1YD 1268.120032003移动通信手持机锂电池的安全要求和试验方法移动通信手持机锂电池的安全要求和试验方法；SJ/T 11169SJ/T 1116919981998锂电池标准锂电池标准（eqveqv UL1642:1995 UL1642:1995）；）；QB/T 2502QB/T 250220002000锂离

23、子蓄电池总规范锂离子蓄电池总规范；QC/T 743QC/T 74320062006电动汽车用锂离子蓄电池电动汽车用锂离子蓄电池；SN/T 1414.3SN/T 1414.320042004进出口蓄电池安全检验方法第进出口蓄电池安全检验方法第3 3部分：锂离子蓄部分：锂离子蓄电池电池。 我国现行锂离子电池安全标准或含有安全规定的产品规范我国现行锂离子电池安全标准或含有安全规定的产品规范 六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 GB/T GB/T -200-200/IEC 62133:2002/IEC 62133:2002含碱性或其含碱性或其它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组便携式密封

24、蓄电它非酸性电解质的蓄电池和蓄电池组便携式密封蓄电池和蓄电池组的安全性要求池和蓄电池组的安全性要求；GB/T 18287GB/T 18287200200移动电话用锂离子蓄电池及蓄电移动电话用锂离子蓄电池及蓄电池组通用规范池组通用规范；SJ/T SJ/T 200200便携式计算机移动电源系统通便携式计算机移动电源系统通用规范用规范。正待报批发布的锂离子电池标准或产品规范正待报批发布的锂离子电池标准或产品规范六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 序号GB18287GJB4477-2002技术要求指标技术要求技术要求120放电性能：0.2C5A放电性能；1C5A放电性能5h；0.85

25、h常温容量0.2C5A放电性能；1C5A放电性能详细规范规定2高温性能55；2h；1C5A ；0.85h。高温容量55；8h；0.2C5A ；0.98h。3低温性能-20；16h24h；0.2C5A ；3.5h。低温容量-25；8h10h；0.2C5A ；3.5h；-40详细规范规定。4荷电保持能力28d；0.2C5A ；4.25h。荷电保持能力30d；0.2C5A ；4.5h。5循环寿命1C5A充放电；300次 ；0.6h。循环寿命0.2C5A充放电；400次 ；3.5h6单体电池内阻详细规范规定7单体电池容量均一性3%8快速充电性能1C5A 充电1h；0.2C5A放电；0.9h。9贮存12

26、个月；0.2C5A放电；4h。贮存60个月；0.2C5A放电；4.75h六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 民标与军标的电性能对比要求序号GB18287GJB4477-2002技术要求指标技术要求技术要求1恒定湿热性能40；相对湿度90%95%；48h；1C5A放电；0.6h。2振动X、Y、Z三向；10Hz55Hz；30min；10Hz55Hz：幅值0.38mm;10Hz55Hz：幅值0.19mm;振动X、Y、Z三向；10Hz55Hz；每向95min；10Hz55Hz；正弦波；幅值0.76mm；放电容量测试。3碰撞X、Y、Z三向； 峰值加速度：100 m/s2；每分钟碰撞次数

27、：40 80；脉冲持续时间：16ms；总次数1000次；检查3.6Vn机械冲击X、Y、Z三向； 冲击加速度：392 m/s2；持续时间：6ms；每向2次。4自由跌落高度：1m；18mm20mm厚木板；次数：1跌落高度：1.1m； 20mm厚木板；X、Y、Z三向；次数：每向两次5温度冲击-4070；温度停留时间：2h；转移时间：2min；循环次数：46浸水0.9m深淡水；2h7抗电磁辐射GJB152A-1997中RS103六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 民标与军标的环境适应性要求对比序号GB18287GJB4477-2002技术要求指标技术要求技术要求1过充3C5A充电；电

28、压：n10V；过充0.2C5A和1C5A充电；2过放0.2C5A放电；负载（30n）；24h。过放0.2C5A放电；3短路0.1短路1h短路0.05短路1h4重物冲击10kg重锤1m落下不起火、爆炸。枪击自动步枪；50m。5热冲击5/min升温至150；恒温30min。6单体短路0.2C5A充电；电压：6V；7单体过充0.2C5A放电12.5h。8单体针刺9单体挤压13kN六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍 民标与军标的安全性要求对比在不改变现有锂离子电池工艺及技术性能的情况下在不改变现有锂离子电池工艺及技术性能的情况下改善电池的使用寿命改善电池的使用寿命以国家标准的形式在全国范围内统一锂离子蓄电池以国家标准的形式在全国范围内统一锂离子蓄电池安全标准安全标准根据锂离子蓄电池的产品情况制定标准，标准水平根据锂离子蓄电池的产品情况制定标准，标准水平坚持坚持“适度适度”的原则的原则制定专门的锂离子蓄电池安全标准，标准内容涵盖制定专门的锂离子蓄电池安全标准，标准内容涵盖产品设计及制造工艺，并建立相应的监督认证机制产品设计及制造工艺，并建立相应的监督认证机制锂离子电池标准化建议锂离子电池标准化建议 六、锂离子电池标准体系介绍六、锂离子电池标准体系介绍