電池研究院：為何雙擎喜歡用鎳氫電池？

　　【太平洋汽車網(wǎng) 技術(shù)頻道】80后基本都與鎳氫電池有著不解之緣，小時(shí)候我們用過的索尼Walkman、收音機(jī)、四驅(qū)車，基本都靠鎳氫電池驅(qū)動(dòng)著。

　　為了寫這篇文章，我買了兩組全新的鎳氫電池，分別是來自無錫產(chǎn)的松下愛樂普白皮（非FDK貼牌貨）和GP超霸2000，裝在松下沖牙器和D50/D100錄音筆上用了數(shù)月。

　　不得不說，新型鎳氫電池的放電表現(xiàn)比小時(shí)候用的那些強(qiáng)太多了。（因此，我是不是應(yīng)該再買點(diǎn)四驅(qū)車？）

　　在此必須感謝索尼大法的研發(fā)部門，堅(jiān)持使用AA電芯槽的可換電池設(shè)計(jì)，我那堆索尼MD機(jī)、CD機(jī)、錄音筆居然隨著時(shí)間轉(zhuǎn)移，續(xù)航變得越來越長，而蘋果們統(tǒng)統(tǒng)成了不插電就無法開機(jī)超過半小時(shí)的工業(yè)垃圾。

　　1年前（也就是上個(gè)月底）筆者在內(nèi)蒙古試駕了一汽豐田的雙擎系列，包括卡羅拉雙擎、亞洲龍雙擎、RAV4榮放雙擎，對鎳氫電池在-30℃下順利充放電頗有感觸。

　　實(shí)際上，豐田這組鎳氫電池最低在-40℃也能工作，而筆者單反中的鋰離子電池在-25℃的氣溫中只拍了100張照片就罷工了。

　　為什么豐田在HEV車型上堅(jiān)持使用古老的鎳氫電池呢？

　　這時(shí)候我們得先從更多古老的電池配方聊起：

　　17世紀(jì)：荷蘭萊頓大學(xué)（Leiden University）的彼得·范·穆森布羅克教授（Prof. Pieter van Musschenbroek）發(fā)明了萊頓瓶（Leyden jar），人類第一次捕捉到了電，這也是第一種儲(chǔ)電設(shè)備（冬天的毛衣不算）。

　　18世紀(jì)：意大利物理學(xué)家亞歷山德羅·伏打（Alessandro Volta）發(fā)明了世界上第一組正經(jīng)的化學(xué)電源——“伏打電堆”。

　　19世紀(jì)：Dr. William Cruikshank設(shè)計(jì)了第一款便于批量制造的電池，法國物理學(xué)家Gaston Planté發(fā)明了鉛酸二次電池，電池與車輛在19世紀(jì)中頁開始結(jié)合（如郭睿同事編撰的《電動(dòng)車坎坷發(fā)展史》），愛迪生發(fā)明了可充電的鐵鎳電池，瑞典發(fā)明家Waldmar Jungner發(fā)明了鎳鎘電池，

　　20世紀(jì)：6V鉛蓄電池從1918開始裝車，統(tǒng)治汽車電氣系統(tǒng)30多年之后被12V鉛蓄電池替代；世紀(jì)末鋰離子電池得到了技術(shù)性突破（索尼1991商用化）。

　　21世紀(jì)：鋰離子電池在消費(fèi)電子、新能源汽車、電動(dòng)飛行器、柴電潛艇、工業(yè)生產(chǎn)、智能穿戴等領(lǐng)域成就霸業(yè)。

　　毫無疑問，21世紀(jì)是鋰離子電池創(chuàng)造歷史的世紀(jì)，我們再也離不開鋰離子電池了，目前鋰離子電池行業(yè)主要有以下幾種解決方案：

　　既然鋰離子電池的種類如此繁多，生產(chǎn)成本逐年下降，為什么HEV非插電式混合動(dòng)力車型都不喜歡用鋰離子電池呢？

　　很簡單：因?yàn)殒嚉潆姵啬壳案阋?，循環(huán)壽命更長（愛樂普就有2000個(gè)循環(huán)可用），還不容易燒。

　　更重要的是，鎳氫電池?zé)o樹枝狀晶體產(chǎn)生，豐田1600萬雙擎家族車型在全球范圍內(nèi)都沒有發(fā)生過電池包自燃事故。

　　第一次讓便攜式民用電子設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)的是“大哥大”和鎳鎘電池（Ni-Cd）。

　　東西南北中，發(fā)財(cái)?shù)綇V東。80年代末，一斤重的移動(dòng)電話進(jìn)入香港與廣州市場，2萬多一臺(tái)的價(jià)格，充電10小時(shí)只能撐30分鐘，鎳鎘電池記憶效應(yīng)強(qiáng)，得配一個(gè)放電器放空了再充，最好每月進(jìn)行一次深度充放電。

　　上圖這種巨型的電池就是鎳鎘電池，可循環(huán)1100次（實(shí)際用起來差遠(yuǎn)了）。

　　鎳鎘電池是第一代手機(jī)電池，第二代則是今日主角鎳氫電池（Ni-MH），第三代是革命性的鋰離子電池（Li-ion）。這條路走了30多年，每一步都非常不容易。

　　80年代出生的讀者應(yīng)該還記得小時(shí)候有一個(gè)詞匯叫“水素電池”，我手頭上剛好有三枚“水素電池”，中間那顆是索尼生產(chǎn)的，綠色兩顆是國內(nèi)的無牌副廠貨，目前市場上只能買到后者。

　　“水素”一詞其實(shí)是日文，如下圖翻譯截屏和商品廣告原圖：

　　筆者找了一下鎳氫電池的負(fù)極與正極的反應(yīng)式，是下面這樣的，這下子我才知道“水素”一詞的來源：

　　作為鎳鎘電池的升級版，鎳氫電池的能量密度更高，重量更輕，污染更少，循環(huán)壽命更長。

　　鎳氫電池的研發(fā)開始于1967年，戴姆勒-奔馳和大眾汽車當(dāng)時(shí)參與了技術(shù)研發(fā)（研發(fā)地點(diǎn)在Battelle Geneva Research Center），將近20年的時(shí)間終于研發(fā)出能量密度只有50Wh/kg左右的鎳氫電池。70年代，鎳氫電池在人造衛(wèi)星上有了應(yīng)用（根據(jù)維基百科），但筆者并未找到具體的衛(wèi)星型號(hào)。

　　鎳氫電池在1985年才終于商用化，隨后各式鎳氫電池成功占領(lǐng)了我們手里便攜式電子設(shè)備的電池倉，后來被CD機(jī)打敗的卡帶機(jī)、后來被MD機(jī)打敗的CD機(jī)、后來被MP3打敗的MD機(jī)，中后期版本均改用了這種115×65×28mm的“香口膠式水素電池”，標(biāo)定電壓1.2V，容量1400mAh左右。

　　索尼在1991年將鋰離子電池投入商用化，但成本高到可怕，至今都沒壓到一個(gè)合理的價(jià)位（這也是各位覺得買電動(dòng)車特別貴的原因）。

　　那么，大家就繼續(xù)用鎳氫電池作為主流的二次電池吧?？墒乔捌诘逆嚉潆姵?，自放電（漏電）特別厲害，放在四驅(qū)車上面用倒不是什么問題，因?yàn)槌錆M電之后很快就被我玩光了。但若放在低電耗長續(xù)航的用電設(shè)備上，比如石英鐘、遙控器，就很讓人抓狂了。

　　所以，筆者當(dāng)時(shí)只會(huì)選用一次電池來給這些設(shè)備供電，最經(jīng)典的配方就是下圖的白皮三個(gè)五，紅白藍(lán)配色跟大白兔奶糖一模一樣，不同的是大白兔是神物，白皮555是垃圾中的戰(zhàn)斗機(jī)。

　　后來日本三洋電機(jī)的eneloop鎳氫電池很好地解決了這個(gè)自放電問題，2006年推出市場的第一代eneloop將1年的自放電比例縮減至20%，最低工作溫度-10℃，循環(huán)次數(shù)1000次。

　　2009年松下收購了三洋電機(jī)50.19%的股份。2015年上市的第五代eneloop，10年的自放電比例才30%，這意味著鎳氫電池最大的短板已被基本清除，拿來做低電耗長續(xù)航用電設(shè)備的供電也沒有問題了。

　　在電池界，eneloop“愛老婆”就代表著鎳氫電池的最高水平。

　　鎳氫電池（Ni-MH）的英文全稱是Nickel-Metal Hydride，鎳金屬氫化物，這里的“金屬”指的是金屬互化物（intermetallic compound），其中分為兩大類：

AB₅類：A = 稀土元素混合物（或）再加上鈦（Ti）；B = 鎳（Ni）、鈷（Co）、錳（Mn）、（或者）加上鋁（Al）。

AB2類：A = 鈦（Ti）或釩（V），B = 鋯（Zr）或鎳（Ni），再加鉻（Cr）、鈷（Co）、鐵（Fe）和（或）錳（Mn）。

　　其中AB₅類更常見，AB2類的容量更高。

　　其化學(xué)原理是可逆地形成金屬氫化物：充電時(shí)，氫氧化鉀（KOH）電解液中的氫離子（H⁺）會(huì)釋放出來，由以上化合物吸收并避免形成氫氣（H₂）以防電池結(jié)構(gòu)被破壞；放電時(shí)，這些氫離子經(jīng)由相反過程回到原來地方。

　　與鋰離子電池一樣，鎳氫電池不是一種配方而是一整個(gè)電池配方系列，可分為容量型、功率型、耐低溫型、低自放型。

　　容量型鎳氫電池：索尼5號(hào)鎳氫電池可以達(dá)到1.2V*4600mAh，能正面對決14500鋰離子電池。

　　功率型鎳氫電池：放電比功率可以達(dá)到1300W/kg（持續(xù)放電），幾乎是鋰離子動(dòng)力電池的兩倍。

　　耐低溫型鎳氫電池：-40℃超低溫工作，可用容量、內(nèi)阻幾乎沒差別。低溫是鋰離子電池的死穴。

　　低自放鎳氫電池：至于所以剛剛提到的eneloop低自放電鎳氫電池，全稱是LSD Ni-MH，Low Self-Discharge Nickel-Metal Hydride。自放電率是鎳氫電池的死穴所在。

　　鎳氫電池有個(gè)優(yōu)勢，就是電壓低，電控簡單，可以完美替代普通的1.5V干電池，AA型（5號(hào)）和AAA型（7號(hào)）的鎳氫電池的電壓是1.2V，這是一個(gè)很關(guān)鍵的電壓數(shù)字。

　　1.2V × 5 = 6V

　　1.2V × 10 = 12V

　　這意味著鎳氫電池可以通過串并聯(lián)組合輕松替代6V和12V電壓平臺(tái)的二次電池。

　　太深?yuàn)W的東西不說，我們直接來一點(diǎn)易懂易學(xué)的小結(jié)論吧，鎳氫電池的優(yōu)勢有：

　　1、最大的優(yōu)勢是安全性高，即使制造工藝不良、受外力擠壓變形、短路、大電流放電（伴隨發(fā)熱）也不會(huì)像鋰離子電池那樣自燃然后自爆。

　　2、技術(shù)成熟，適合大規(guī)模生產(chǎn)，成本較低。

　　3、配方很少污染，對環(huán)境基本沒有影響。

　　4、低溫性能好，秒殺鋰離子電池。

　　5、循環(huán)壽命長，2000-5000個(gè)循環(huán)不是問題，HEV車型的鎳氫電池基本都是終身免維護(hù)的。

　　6、記憶效應(yīng)小。

　　7、電芯一致性比鋰離子電池更高。

　　8、1.2V額定電壓是個(gè)不錯(cuò)的數(shù)字，很容易湊整。（此外，最低放電電壓是0.9V，滿電1.4V，了解一下就行）

　　鎳氫電池的劣勢有：

　　1、能量密度太低，電芯單體能量密度只有60-120Wh/kg，成組之后更加慘不忍睹。

　　2、充電效率很低，只有66%左右，也即是34%的電量沒被充進(jìn)去，而鋰離子電池充電效率可達(dá)95%。

　　3、自放電速度太高，三洋使用了新的陽陰極分隔層、新的陰極添加劑、新的超級晶體結(jié)構(gòu)合金、更薄更堅(jiān)固的外殼，完成了自放電的自我救贖。

　　4、放電倍率還不夠強(qiáng)，雖然已經(jīng)到了15C，但鋰離子電池可以做到45C，所以給大眾ID.R那種短跑爆發(fā)型的電動(dòng)戰(zhàn)車用鎳氫電池的話就撲街了。

　　5、快速充電性能簡直是渣渣，1C已經(jīng)是鎳氫的快充速度了……

　　6、高溫情況下的充放電效率降低明顯。

　　汽車用的鎳氫電池有兩大流派，一派是美系的通用，一派是日系的松下&豐田。

　　我們先來說說通用，通用跟鎳氫電池還是有段故事可以講講的。一開始Stanford R. Ovshinsky弄出了一種可供量產(chǎn)的鎳氫電池并申請了專利，1982年成立了Ovonic電池公司，通用汽車1994年購買了Ovonics專利，隨后用在了EV1后期版本上，就是下圖這個(gè)。

　　通用EV1（純電動(dòng)）：業(yè)界著名的純電動(dòng)工業(yè)垃圾，真正的電驅(qū)先鋒之作。前期版本用的是16.5-18.7kWh的鉛酸電池，后期版本用的是26.4kWh的鎳鉻電池，續(xù)航達(dá)到228km，在1999年這個(gè)年份算得上牛到不行不行的角色。

　　不過，很快通用就發(fā)現(xiàn)自己徹底搞砸了，那批車子最終用通用自己收購回去集中銷毀。

　　2000年10月，通用把專利賣給了德士古石油，一周后轉(zhuǎn)手給雪佛龍。雪佛龍的子公司Cobasys一直生產(chǎn)著鎳氫電池，后來又被SB LiMotive（三星SDI與博世合資）收購，2012年變成博世獨(dú)資。

　　另一個(gè)派系是松下與豐田合資成立的Panasonic EV Energy（PEVE）公司，他們在90那年代推出了適用于新能源車的高容量（28-95Ah）鎳氫動(dòng)力電池，用于1997年開始生產(chǎn)的豐田普銳斯，以及之后的本田Insight混動(dòng)、本田思域混動(dòng)、福特等車型。

　　本田Insight（混動(dòng)）：初代1999-2006（下圖），二代2009-2014，三代2019至今。Insight是本田第一代IMA混動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)田，薄片電機(jī)放在P1位置，飛輪之后、變速箱之前，鎳氫電池使用D型。

　　本田思域（一代混動(dòng)）：本田Insight IMA結(jié)構(gòu)的“性能版”，電機(jī)也在P1位置，電池是120個(gè)串聯(lián)的D型鎳氫電池，6.0Ah容量比Insight更低，但充放電速度更高。

　　本田EV Plus（純電）：本田給汽車工業(yè)帶來的前鋒之作，第一個(gè)大型汽車制造商拋棄弱炸天的鉛酸電池，采用鎳氫電池來驅(qū)動(dòng)車輪，1997-199之間在日本櫪木造了300臺(tái)，續(xù)航129-169km，放在2012年左右的中國估計(jì)還有點(diǎn)競爭力。

　　福特Escape（混動(dòng)，翼虎/銳際的前身）：初代（2004-2008）與二代（2009-2011）福特Escape非插電式混動(dòng)版用過鎳氫電池，初代目還跟豐田THS（雙擎）技術(shù)有專利抵觸，這兩家公司后來達(dá)成了專利共享協(xié)議，豐田允許福特用豐田的部分混動(dòng)技術(shù)，福特允許豐田用福特的部分柴油機(jī)技術(shù)。

　　不過現(xiàn)在福特基本都落下功課了，比如蒙迪歐混動(dòng)就改用了鎳鈷錳鋰離子電池（MKZ當(dāng)然是同款），好處是能量轉(zhuǎn)換效率更高，我們測試蒙迪歐混動(dòng)的時(shí)候也被它的超低油耗嚇到了。耐用性和可靠性？暫時(shí)不太清楚，賣得太少了。

　　福特Ranger EV（純電）：從Ranger單排皮卡改過來的，1998產(chǎn)的是鉛酸電池版本，1999產(chǎn)的是鎳氫電池版本，鎳氫版本的能量密度提升至57.3Wh/kg，續(xù)航提升至185km（72km/h勻速）。這玩意一直生產(chǎn)到2002年，沒人買的，都是以市場試驗(yàn)?zāi)康淖饬顺鋈ィ?004年項(xiàng)目終止的時(shí)候全部給召回銷毀了。

　　豐田普銳斯（混動(dòng)，1/2/3/4代）&豐田其他雙擎混動(dòng)車型：如今的第四代豐田普銳斯HEV雙擎版本使用的是鎳氫電池，這是一種超級長超級細(xì)的電芯（其實(shí)就是6個(gè)1.2V電芯串聯(lián)起來），390×35mm，6500mAh，電壓為7.2V。

　　為了鎳氫動(dòng)力電池的專利，美系的Cobasys和日系的PEVE從2001年開始打了多年官司，2005-2014年間PEVE支付了大筆專利特許使用費(fèi)給Cobasys，以獲得PEVE在北美銷售鎳氫動(dòng)力電池的權(quán)限。

　　實(shí)際上，Cobasys基本已是廢的（2007年開始就轉(zhuǎn)舵研究鋰離子電池了），真正牛X大發(fā)的PEVE用鎳氫電池盤活了整個(gè)豐田雙擎系列，前文我們提到的數(shù)據(jù)是——全球范圍內(nèi)至今銷售超過1600萬輛，沒有一臺(tái)燒的。

　　關(guān)于豐田雙擎鎳氫電池的江湖傳說還有更多數(shù)字，比如之前有一位來自美國硅谷洛斯加托斯（Los Gatos）小鎮(zhèn)的普銳斯用戶就宣稱，他的2004款豐田普銳斯開到35.5萬英里（57萬公里）的時(shí)候才遇到了電池失效。

　　在美國，更換一套普銳斯鎳氫動(dòng)力電池的官方要價(jià)大概是4000美元（2.6萬人民幣），提供8-10年保修期。

　　如今，豐田是全球HEV非插電式混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的技術(shù)和銷量老大，堅(jiān)持鎳氫電池路線成為了“技術(shù)正確”的一個(gè)樣本，之前使用松下豐田PEVE鎳氫電池的本田和福特卻紛紛離場。

　　鎳氫電池已經(jīng)是一種成熟的產(chǎn)品，目前國際市場年產(chǎn)量為12億只左右，其中大型鎳氫電池（車用鎳氫動(dòng)力電池）在2.5億只左右，超過9成的大型鎳氫電池是松下豐田PEVE生產(chǎn)的。

　　中國鎳礦總儲(chǔ)量290萬噸，屬于儲(chǔ)量一般的國家，不過我國制造業(yè)成本較低，所以世界上很多鎳氫電池生產(chǎn)商都在中國設(shè)立了生產(chǎn)基地，比如松下的無錫工廠，三洋的蘇州工廠、湯淺的天津工廠。

　　小型鎳氫電池，中國的產(chǎn)量占全球74%左右，超霸（東莞）、豪鵬（深圳）、科力遠(yuǎn)（長沙）、三普（鞍山）、比亞迪（深圳）是大頭；大型鎳氫電池，日本的產(chǎn)量占全球95%左右，松下豐田PEVE在全球范圍內(nèi)一家獨(dú)大。

　　鎳氫電池的成本逐步下降，未來可能可以替代相當(dāng)一部分的干電池，并利用其1000次以上的循環(huán)壽命提供更好的環(huán)保支持。

　　消費(fèi)類電器產(chǎn)品（小型）和HEV動(dòng)力電池（大型）是鎳氫電池的兩大用戶，此外還在安防和醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，2019年國內(nèi)行業(yè)規(guī)模是44億元人民幣，預(yù)計(jì)2020年在40億元左右。根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院的研究報(bào)告，鎳氫電池的市場規(guī)模會(huì)在2025年達(dá)到48.83億元左右。

　　在大型鎳氫電池領(lǐng)域，HEV非插電式混合動(dòng)力車型已是且將是鎳氫電池的唯一大客戶，安全性高、成本較低、污染少、低溫性能好、循環(huán)壽命長是無可替代的優(yōu)勢。不過在當(dāng)今的新能源補(bǔ)貼政策下，鎳氫電池已經(jīng)沒希望進(jìn)入補(bǔ)貼行列并打敗部分鋰離子電池成為BEV純電動(dòng)車型的動(dòng)力電池，因?yàn)槟芰棵芏忍?、充電效率太低、放電倍率太弱、快速充電太渣的特性，都是被鋰離子電池吊打的。

　　玩砸了么？我怎么覺得好戲才剛剛開始啊。

　　雖然鎳氫電池在BEV領(lǐng)域打不過鋰離子電池，但HEV領(lǐng)域的占比是可以擴(kuò)張的?！冻擞密嚾剂舷牧肯拗怠泛汀冻擞密嚾剂舷牧吭u價(jià)方法及指標(biāo)》正在推動(dòng)我國乘用車新車平均燃料消耗量水平在2025年下降至4.0L/100km，單憑ICE內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的提升是基本沒有希望的，比如給ICE加上電動(dòng)機(jī)組成HEV節(jié)能動(dòng)力總成。

　　屬于鎳氫電池的節(jié)能車時(shí)代，正在默默到來。

（文：太平洋汽車網(wǎng) 黃恒樂）