关键词：锂电池，铅酸电池，太阳能，石墨烯，动力电池

电池泛指能产生电能的小型装置，对发电系统的储能非常重要，特别是光伏发电系统。储能电池的种类非常多，太阳能供电系统用何种储能电池才最合适安防行业、通信行业等泛IT系统建设使用？储能电池各自的优缺点和使用特性如何？电池技术未来的发展趋势如何？本文是新竹科技结合自身多年的IT及物联网行业从业经验，对电池技术的总结和趋势分析。

目前常用的电池有三种：铅蓄电池、镍氢电池、锂离子电池。较普遍的认识是，铅蓄电池是电动车、汽车点火、太阳能光伏及UPS电源系统等行业常用的电池，缺点是重量较大、寿命断、有记忆效应，优点是价格低；锂离子电池是一般手机、电子设备等常用的电池，优点是重量轻、容量大、寿命长、无记忆效应，缺点是稳定性差(锂电的安全问题随着各种保护电路的设计使用，安全问题已经基本解决)；镍氢电池应该界与两者之间，低不成高不就，所以应用范围远不及前两者。事实情况真的是这样吗？电池行业的发展趋势将向何处去？新竹科技一直立足物联网产品和应用，一直关注电池技术的发展，本文通过对比对主流的电池技术探讨电池的发展趋势。

首先，我们先对比锂电池和铅酸电池的原理和发展历程。

1、铅酸电池：铅酸电池（VRLA），是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。在放电过程中遵循双硫酸盐反应规则，正负极材料上都有PbSO4晶粒生成，铅酸蓄电池的标称电压是2V，理论比能量是166.9Wh/kg，实际比能量为35～45Wh/kg。由于电解液存在的导电性，使得铅酸电池存在自放电和充电的时候不允许大电流充电，所以一般铅酸电池的充电都限制在0.3C以下。

法国人普兰特于1859年发明铅酸蓄电池，已经历了近150年的发展历程，铅酸蓄电池在理论研究方面，在产品种类及品种、产品电气性能等方面都得到了长足的进步，不论是在交通、通信、电力、军事还是在航海、航空各个经济领域，铅酸蓄电池都起到了不可缺少的重要作用。

2、锂电池：锂电池主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。正极材料主要是锂的活性物质一般为锰酸锂或者钴酸锂，镍钴锰酸锂材料（俗称三元），磷酸铁锂等活性锂合物质。负极材料主要是负极采用锂-碳层间化合物LiXC6，基本是性能和化学稳定性比较好的碳材料，石墨、碳纤维、玻璃碳等等，在负极材料方面石墨烯由于其优异的充放电性能，越来越多的受到各个锂电池厂家以及投资机构的关注。

锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。可充电电池的第五代产品锂金属电池在1996年诞生，其安全性、比容量、自放电率和性能价格比均优于锂离子电池。由于其自身的高技术要求限制，现在只有少数几个国家的公司在生产这种锂金属电池。

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料，金属锂作为负极材料，制成首个锂电池。1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后，锂离子电池革新了消费电子产品的面貌，广泛应用于电子产品和设备中。

锂电池虽然发明商用较晚，但因为其能量比高，后发优势明显，特别是IT及物联网发展极大的刺激了锂电池技术的发展和进步。新竹科技的iMT-iPower1600Li主要应用方向也是IT及物联网行业室外离网供电。

从环保角度讲，铅酸电池业属于有色金属下游产业中污染最严重的行业之一，其强污染力和不可降解的特性一直以来饱受诟病。在生产后期所排放的废酸、废碱、废水对水源的污染也极大。比较而言，锂电池在环保上则拥有天然的优势，因其原材料中不含有污染性重金属，生产过程产生的污染物也远低于铅酸电池。

新能源汽车对于电池重量和储能提出了更高的要求，锂电池是目前新能源汽车行业最主要的动力电池。据了解，目前我国推广的新能源汽车（包括纯电动汽车和插电式混合动力汽车）大多都采用锂离子电池，其中磷酸铁锂占到80%—90%，三元锂电池在乘用车上也开始大规模应用。铅酸电池则因为价格便宜、技术成熟、历史原因等，目前电动自行车使用的电池大都是铅酸电池。

通过深入了解和对比，我们很容易得出锂电池相比铅酸电池的优点：

1）．能量比较高。具有高储存能量密度，目前最高已达到460Wh/kg，是铅酸电池的约5-10倍，未来可能会更高（比能量指的是单位重量或单位体积的能量，比能量用Wh/kg或Wh/L来表示。）

2）．使用寿命长，使用寿命平均3年，最高可达到6年以上，铅酸电池的循环寿命在300次左右，锰锂电池循环寿命达到500-800次，铁锂电池循环寿命达到2000次,最新的技术锂电能达到5000次以上。

3)．额定电压高（单体工作电压为3.7V或3.2V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压，便于组成电池电源组；锂电池可以通过一种新型的锂电池调压器的技术，将电压调至3.0V，以适合小电器的使用。

4）．具备高功率承受力，其中电动汽车用的磷酸亚铁锂锂离子电池可以达到15-30C充放电的能力，便于高强度的启动加速；

5）．自放电率很低，这是该电池最突出的优越性之一，一般可做到1%/月以下，不到镍氢电池的1/20；

6）．重量轻，相同体积下重量约为铅酸产品的1/6-1/5；

7）．高低温适应性强，可以在-10℃--60℃的环境下使用，经过工艺上的处理，可以在-40℃环境下使用（低温环境使用锂电，新竹科技可提供定制化服务）；

8）．绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。

但锂电池商用到目前也就20多年，相比150多年技术成熟的铅酸电池，其多方面依然需要发展进步：

1）．锂电池安全性问题一直是用户关系的问题，锂离子电池存在爆炸的危险，但安全性是可控的，引发安全问题多是在产品缺陷和滥用的情况下。

锂离子电池必须要均需保护线路，防止电池被过充电过放电。为了避免因使用不当造成电池过放电或者过充电，在单体锂离子电池内设有三重保护机构：一是采用开关元件，当电池内的温度上升时，它的阻值随之上升，当温度过高时，会自动停止供电；二是选择适当的隔板材料，当温度上升到一定数值时，隔板上的微米级微孔会自动溶解掉，从而使锂离子不能通过，电池内部反应停止；三是设置安全阀（就是电池顶部的放气孔），电池内部压力上升到一定数值时，安全阀自动打开，保证电池的使用安全性。

随着锂电池安全技术的发展，锂电池的使用一定会越来越安全、越来越普及。

2）．生产要求条件高，成本高。关于最重要的成本问题，实际上锂电成本不比铅酸成本贵很多，在小型储能电池使用情况下，锂电比铅酸更具竞争力。目前锂电昂贵的原因是因为其技术还在不断进步，旧的生产工艺淘汰迅速，厂家为在短时间收回成本，必定有比其它行业更高的利润率，当技术发展成熟，产业规模形成，锂电的价格一定会比铅酸还便宜。

所以锂离子电池优势明显，体积最小，重量最轻，能量比高，高低温倍率放电性能最好，寿命最长，最环保，维护最简单，非常适合小型储能系统使用，这也正是新竹科技在iMT-iPower1600Li新能源供电系统中采用锂电池的最根本原因所在。

2011至2015年间，中国锂电池产量和全球发展趋势相同，但明显增势更为明显，增长了2.8倍。而锂电池市场规模亦从2011年的277亿元增长到2015年的850亿元，复合年增长率高达32.4%。2016年，全国规模以上电池制造企业累计主营业务收入5501.2亿元，同比增长18.8%，实现利润总额373.4亿元，同比增长37.4%。其中锂离子产品主营业务收入2824亿元，同比增长33.3%，实现利润总额235.6亿元，同比增长73.5%。由以上数据可知，锂离子电池已经占据电池行业半壁江山。

目前看电池发展趋势，锂电池取代铅酸电池只是时间问题，但电池技术一定会继续发展，科学界更倾向于燃料电池的方向，但目前燃料电池中最主要氢燃料电池则是问题多多，仍有待成熟。锂电池技术本身也在不断发展和完善。

日本国家材料科学研究院（NIMS）2016年宣布已经开发出一种能量密度非常高的新型锂电池。NIMS将这种新型锂电池称为“锂空气电池”，其单位体积下的能量密度几乎接近极限，同时成本也能够得到很好的控制。NIMS介绍，“锂空气电池”使用碳纳米管作为空气电极材料，通过电极结构的优化，可以实现很高的能量密度，是普通锂电池的15倍之多。NIMS表示，目前的“锂空气电池”只是试验产品，今后会继续优化设计，进一步提高能量密度。

受树木结构的启发，美国马里兰大学的工程师对木头进行改造，将其作为锂金属电池负极的特殊结构，以此避免某些关键因素导致的电池故障。他们提出了一种新的设计，将电池中的锂离子存储在木材中用于运输水和养分的天然通道中。这样做出来的电池十分安全，可进行快速的充电和放电。

根据华为中央研究院瓦特实验室2016年12月1日发布的消息称，华为已经在锂离子电池领域实现重大研究突破，将会推出业界首个高温长寿命石墨烯基锂离子电池。主要特色是借助新型耐高温技术，可以将锂离子电池上限使用温度提高10℃，而使用寿命则是普通锂离子电池的2倍。

相信随着市场的扩大和产业链的优化，锂电池技术发展会更安全、更高效、更经济，新竹科技将第一款离网太阳能供电系统定位于锂电储能，正是预见了未来锂电池的广大市场，将来会推出更多的基于锂电的产品和系统。