本文是这个话题下的第二部分，涉及的电池种类有镍基电池，锌卤电池，金属空气电池，钠-β电池，锂电池（锂硫、锂离子），燃料电池FC。
4.2.2.2镍基电池。
镍基电池利用氢氧化镍作为正极，负极材料。根据有多种。根据负极材料额种类不同，镍基电池可以分为：镍-铁，镍-镉，镍-锌，镍氢，和Ni-H2[3,14,30,45,62]。通常，在镍基电池中，活性材料羟基氧化镍作为正极，氢氧化钾作为电解质，金属Fe/Cd/Zn，MH或H2材料作为负极[14]。发生在镍基电池中的整体电化学反应式（3）：
图7显示了放电和充电过程中镍基电池的化学成分。在放电和充电时，形成Ni（OH）2和Fe/Cd/Zn（OH）2，M可以有不同成分组成。镍-铁和锌电池，之所以不太实用于电动汽车，是由于它们功率性能低，成本高，循环寿命短，和维护需求高[14]。的Ni-Fe和Ni-Zn系电池能量效率75％左右。镍镉和金属氢化物目前用于驱动电动汽车，因为它们具有很高的寿命周期（次或更多）和能量密度。然而，镍镉具有高的记忆特性，并且价格高，是LA电池的10倍以上[14,62-67]。虽然这种类型电芯的所有镍基电池中全部的优点，需要考虑回收问题和材料有毒性问题[64-67]。与此相反，镍氢具有低记忆效应，微小的环境影响性，和大的工作温度范围[14,30,45,62]。尽管在运行过程中产生热量，并且需要复杂的算法和昂贵的充电器，但环境友好性和其免维护性确保了镍氢电池比电源电池更适用于电动汽车[14][3]。Ni-H2具有高容量率，长寿命周期，并且容忍过度充电或过度放电而不受损害。然而，这种类型电池价格昂贵，具有与H2压力成正比的自放电，低体积能量密度，是特别为太空探测生产的电源类型[45,62]。
图7.镍基电池化学。（a）放电期间，（b）充电期间，和（c）镍基电池原型[14,30,45,62]。
4.2.2.3锌卤电池。
锌卤电池包括Zn-Cl2和Zn-Br2，这些电池在EV能源存储方面是可行的。年开发了用于电动汽车和静态储能的Zn-Cl2[14]。Zn-CL2能量密度约90Wh/L，功率密度约60瓦/千克。Zn-Br2电池适合用于EV能量储存，其能量密度70瓦时/千克，具有快速充电能力，和低的材料成本[14,45,70,71]。然而，这种电池类型由于具有较低的比功率（90W/kg），溴的高反应性以及电解液循环和温度控制系统尺寸较大，因此近年来在EV中的应用已经很少[14,45,70]。仍然有研发正在推进用于车辆的Zn-Br2电池[71]。Zi-Br2电池的整体电化学反应用方程（4）。
在Zn-Br2电池，能量通过Zn和Br组成的系统的电化学反应进行存储和放出，该系统由如下部分组成：锌，溴，锌溴水溶液电解质和电解质存储装置和微孔塑料的隔膜。图8显示了Zn-Br2电池系统[14,45]。在该系统中，锌溴溶液的电解液通过泵在两个电极之间循环。在充电时，反应在负极上沉积锌而在正极上沉积溴；而在放电期间，在其各自的电极上形成锌离子和溴离子。
Fig.8.Zn-Br2电池系统[14,45]
4.2.2.4金属空气电池。
金属电极作为阳极，从取之不尽空气供应氧气作为阴极[30,45,72-76]。在金属空气电池中，锂，钙，镁，铁，铝，和Zn被用作阳极的金属[72-76]。在这些元素中，锂-空气（Li-空气）电池是最具EV应用前景的。因为它的理论能量密度非常高，11.14kWh/kg，不考虑空气，它的比能量超过其他类型电池的倍以上[30,74,77-80]。然而，这种类型电池的起火风险很高，含有水汽的空气就可能造成起火[30]。
钙-空气（CA-空气）电池具有高能量密度，但它容量衰减非常快，并且比较昂贵[72]。通常，镁-空气（MG-空气）电池具有高比能量Whkg，设计用Mg合金取代Mg单质，在海底车辆上应用[45]。电化学的可充电铁-空气（铁-空气）电池具有低的比能量75Wh/kg和与其它金属-空气电池相比更低的成本[45,72,73]。其全寿命周期成本较低，并且活性材料或形状不会因长时间的电气循环而变形[45,73]。
铝空气（铝-空气）电池具有高比能量，端电压，和安培-小时容量。然而，由于放电期间的水消耗，这些优点减少[45,72]。铝空气电池可机械充电，利用水系电解质，在没有条件电气充电的环境，每次放电后更换铝电极即可实现充电[45]。先进的Al-空气电池技术用的铝合金制造电极，以避免腐蚀，并且在大的电流密度范围内可以获得98％或以上的库仑效率[46]。这种类型的电池通常用于为船舶或水下车辆提供动力。铝氧（Al-O2）电池也可以在其他形式下使用，Al-O2的辅助使得氢-FC电池获得了几乎双倍的比能量[45,72-76]。
锌空气（锌空气）电池在技术上是可行的。该电池具有多种FC和常规电池的特性，并且可以进行电气和机械充电。锌-空气电池的反应速率是通过改变气体流量实现的[30,45,72-74,81,82]。先进的可充电锌空气电池使用双功能空气电极以获得更好的使用寿命，并且可机械充电的锌空气电池的设计方式可以更换放电阳极以避免形变[45,81,82]。高性能应用中，设计考虑利用锌-空气电池的高比能量特性，和LA电池的高功率特性，构成锌-空气混合LA电池存储系统[45,81,82]。
图9显示了在放电和充电过程中锌-空气电池的化学成分。在放电时，锌电极通过释放电子而被氧化，并且空气电极产生氢氧根离子。在电池充电过程中，锌沉积在锌电极上，氧气释放到空气电极中[83]。
图9.锌空气电池化学成分：（a）放电期间，（b）充电期间和（c）锌空气电池原型[83]。
总体而言，金属-空气电池，因为它们的低材料成本和高性能，为可再充电的电能存储应用提供了一种选择[61,73]。在金属-空气电池中，整体电化学反应在方程（5）。
其中Me是金属，例如Li，Ca，Mg，Fe，Al和Zn;n是取决于金属氧化的价态变化的值。
4.2.2.5钠-β电池。
钠（Na）对于电池阳极来说是非常有吸引力的材料。钠-β电池采用固体电解质，具体的是使用β-氧化铝（β-Al2O3）作为电解质，在高温下具有良好的Na+电导率和电绝缘性[83]。根据阴极材料不同，钠-β电池分别被归类为钠硫（钠-S）和钠金属卤化物[14,30,45,83]电池。Na-S由福特于年代特别为EV应用开发[84]。后来，这种电池开始普遍用于大规模电能存储，以支持公用事业和电网[63,84,85]。该电池具有高温特性，在-℃范围内工作[14,84,59,83]。此外，它具有足够的能量和功率密度,分别为-WH/kg和-W/kg[45,53]，次循环寿命周期[30,33,53,85]，高能量效率80%-90％[45,53,63,86]，并且它便宜且安全的。然而，这种电池内阻高[45]，Na腐蚀性强，并且它需要被加热到约℃维持电极的熔融状态才能正常工作[59,63]。Na-S电池由熔融形式的固体钠作为阳极和熔融硫作为阴极，使用固体β氧化铝陶瓷电解质[33,84]。电池系统如图10所示。Na-S电池中的整个电化学反应如方程（6）。
其中x是3-5。
图10.钠硫电池：（a）在放电和充电过程中，（b）Na-S电池的管状设计图，（c）Na-S电池原型[30,33,53,83]。
图10显示了放电和充电过程中Na-S电池的化学性质[30,33,53,83]。在放电时，Na在Na-β界面处被氧化并产生正Na+离子，穿过β-氧化铝电解质，并与硫结合形成硫化钠（Na2SX）。电子通过外电路以产生期望的输出电压。当电池充电时，电化学反应过程发生逆转[33,45,53,83,84]。
自20世纪90年代以来，钠金属卤化物电池技术已经可以在电动汽车上应用，它们的电池电压比Na-S电池高[30]。这种类型的电池被称为零排放电池（ZEBRA）[3,87]。钠-金属氯化物（钠的MeCl2）电池在-℃温度范围内的操作[14,30]。ZEBRA电池与钠硫电池相比，具有对EV电源更具吸引力的一些特点：它具有较高的能量密度，较少的腐蚀，本质安全性以及较Na-S更好的耐过度充电和过度放电性能，这是因为半固态阴极[45,84]，更长的循环寿命和更低的电池成本[3,14]。然而，ZEBRA电池具有相对低的比功率W/kg，并且他们需要热管理[14]和自放电比较严重[3,88,89]。Na-NiCl2，NA-FeCl2和Na-Ni-FeCl2ZEBRA电池可用于能量储存应用[87-89]。
两种钠-β电池之间的主要区别是额外使用的盐酸铝钠（NaAlCl4）作为第二电解质[45]。ZEBRA电池的活性材料是熔融钠作为阳极，固体β-氧化铝陶瓷作为主要电解质，熔融盐酸铝钠（NaAlCl4）作为辅助电解质，以及多孔金属氯化物（MeCl2）作为阴极[14]。金属氯化物可以是氯化镍（NiCl2），氯化铁（FeCl2）或氯化镍铁（Ni-FeCl2）的组合。在Na-S电池中的整个电化学反应如方程（7）。
图11显示了标有所有元件的ZEBRA电池原型设计视图[45,83,87]。充电和放电过程中的电化学反应类似于Na-S电池反应过程。当放电时，熔融的Na和NiCl2被转变成Ni和盐（NaCl）中，而在充电时过程反转[83]，如方程（7）。如果电池过充电，那么主电解质可能被分解，并且熔融的辅助电解质NaAlCl4与Ni结合，从而形成NiCl，熔融Na和AlCl3，如方程（8）所示，而不是分解NaAlCl4以Na，Cl2和AlCl3的形式存在[14,45,87]
NaNiCl2电池特别用于大型或中型电力存储的及电动汽车。先进的ZEBRA电池在长时间使用期间已经取得了显著的技术进步[89]。
图11.ZEBRA电池原型设计视图[45,83,88]。
4.2.2.6锂电池。
由于其高能量密度，由于其高的比能量和比功率，锂SBs被认为是用于EV能量存储最有前途的电池[3,83]。另外，锂电池没有记忆和无有害物质，如汞和铅等[3]。但是，这种电池类型比较昂贵；需要安全防护和电池平衡系统，以确保在相同的电压和电量水平上电池性能一致性[3,30,33,63,90,91]。
锂电池有专为高温环境应用设计的品类。除了钠-β电池，锂-铝-铁（锂-铝-FES）和锂-铝-铁（锂-铝-的FeS2）都是高温锂电池[14,45,59]。这些锂硫电池在所有锂电池中具有最高的能量容量。但此类锂电池循环寿命短[3]，需要热管理，并且由于需要维持工作温度会造成大量能量损失[14]。锂硫电池的操作温度范围-℃[14,45]。高温锂-硫电池由锂铝合金作为阳极，铁硫化物为阴极，熔融的锂氯化物氯化钾作为电解质和隔膜[14,59]。在这些电池中，锂-Al合金被用于控制锂的活性，和铁硫化物用于防止铁的腐蚀[14,59]。在两种锂硫电池类型中，总体电化学反应如方程（9）和（10）所示。
在环境温度下正常工作的其他锂电池，主要是用于电动汽车应用的锂聚合物电池和锂离子电池[14,86]。聚合物和锂离子电池之间的区别在于，前者使用锂金属作为一个反应器，而后者系统中没有金属锂[14]。锂聚合物电池适用于各种制造形状，并表现出坚韧性和可靠性。然而，它们的导电性和功率密度都比较差[3]。
由于其体积小，重量轻和具有潜力[33,51,63,83,92]，锂离子电池在储能和便携式电气和电子产品中很受欢迎。年，索尼公司开始生产锂离子电池，这种电池原本在20世纪60年代由贝尔实验室提出[62,85,93]。锂离子电池具有高能量密度，至W/kg的高功率密度[64,93]，自放电低，寿命长[92]。然而，锂离子电池的生命周期是明显受到温度的影响，并可能在遇到深放电时寿命受损[63]。按照正极材料的不停，锂离子电池的类型被划分为：锰酸锂（LiMn2O4），磷酸铁锂（LiFePO4），镍-锰-钴-氧化物（LiNiMnCoO2），锂镍钴铝氧化物（LiNiCoAlO2）和钛酸锂（Li4Ti5O12）电池[14,92]。
钴酸锂电池是被开发的第一个类型。氧化钴是比，镍和锰等元素都要昂贵的元素，后者更具有价格优势[94]。LiFePO4电池功率密度高，并且在所有锂离子电池中成本最低[3,92]。LiFePO4电池在热稳定性好，化学性能稳定性好[3]，因此能够广泛应用于电动汽车。由于Li4Ti5O12电池比其他锂电池充电更快，在电动汽车中也有应用[3]。锂离子电池由作为阴极的锂金属氧化物（LiMeO2，例如LiCoO2，LiMn2O4，LiFePO4，LiNiMnCoO2，LiNiCoAlO2和Li4Ti5O12），有机碳酸盐作为电解质，锂化石墨碳作为阳极，以及隔膜组成[45,65,84,86,94,95]。锂离子电池的整体电化学反应如式（11）所示。
图12显示了放电和充电过程中锂离子电池的化学性质[31,45,84,95]。
电池充电时，Li+从阴极流向阳极电解质并通过与电子（e-）结合并沉积在碳层之间而形成锂原子。在放电过程中，这些过程反向执行[33,53,65,84,94]。目前，正在为下一代EV应用开发锂离子电池技术[65,83,92,96]。
图12.锂离子电池的化学特性：（a）在放电和充电过程中和（b）锂离子电池的圆柱视图[31,45,84,95]。
所有的电化学的SB用于EV的ESS总结在表1[3,14,45,56-58,62,69]，表格中展示了二次电池的主要特性参数：能量，能量密度，功率，能量效率，电池的生命周期，工作温度范围，每单位能量成本，和优点和缺点。图13从比能量和比功率角度描绘了电化学电池的技术成熟度[97]。比较中，锂离子电池在规模化商用的电池中，比能量和比功率具有明显优势[56,64,98]。此外，低成本锂电池材料和电池管理系统的开发，在降低制造成本方面取得了进展[60,90,91]，将有助于锂电池在电动汽车以及其他储能形式中的进一步应用。此外，先进的LA，镍镉，镍氢，NIH2，锌-空气，钠-S，和NA-NiCl2等具备鲜明特点的电池，在特定的车辆类型中也得到应用。
表格1，电动汽车电池的典型特征。
Aa80%放电深度；
B3h放电倍率；
C机械充电；
图13.多种电化学电池的比能量和比功率分布[97]。
4.3化学储能系统（CSS）
化学储能系统（CSS）通过系统中化合物的化学反应来储存和释放能量[59]。FC是一种典型的化学储能系统，可将化学能的燃料不断转换为电能[14,45,58]。燃料电池FC与电化学电池之间的主要区别就是他们提供电能的方式。在FC中，燃料和氧化剂由外部提供，并且这些部件集成在电池内部（金属-空气电池除外）[45]。FC的优势在于只要向其供应活性物质就可以发电。燃料电池效率在40%-85％范围内[14,58]。
FC技术已被证明，作为能量产生源，可以减少化石燃料的使用和CO2排放[58,88,89]。燃料电池由液体或气体燃料作为阳极，氧气，空气和氯气作为阴极侧的氧化剂。特别是基于氢的FC（HFC）在市场上很受欢迎。HFC氢气和氧气的组合来发电。这种结合可以在电和水之间再生和逆转[14]。根据燃料的不同，HFC被分为直接和间接系统燃料电池[45]。在直接FC系统中，燃料（例如氢气和甲醇）直接反应，而在间接系统中反应的FC，燃料（例如，化石燃料和天然气）先转化成是富氢气体，然后供给到电堆进行反应[99]。基于燃料和氧化剂的组合，电解质的类型，操作温度，和应用，FC被划分成几种类型;这些类型包括碱性FC（AFC），磷酸FC（PAFC），固体聚合物燃料电池-质子交换膜FC（SPFC-PEMFC），再生FC（RFC），固体氧化物FC（SOFC），直接甲醇FC（DMFC）和熔融碳酸盐FC（MCFC）[3,14,45,46]。AFC，PAFC，PEMFC和RFC直接用氢燃料作阳极。燃料电池中的整体化学反应如方程式（12）。
图14显示了简单的氢燃料电池化学反应过程[14,46,58]。注入的氢燃料通过在燃料电极的催化表面上解离，形成氢和电子。氢离子通过电解质到达氧电极的催化表面。同时，电子通过外部电路移动给负载供电。在其他电极的外侧，水通过氢离子，氧和电子结合而产生[45]。在再生闭环过程中，电源电解器将水分离成氢气和氧气再次供给电池，从而产生电力和水，这个闭环只需要电力就可以反复循环[45]。
图14.HFC化学反应[14,46,58]。
图15示出了不同类型FC在操作温度下的各种输出功率水平[3,]。AFC，PEMFC和DMFC在常温下运行，适用于中低档电力存储应用。PAFC使用中温FC。这些FC，由于其操作效率高，设计简单和低排放而被运用于交通运输[3,]。MCFC和SOFC在-0°C[3,45,]的高温下运行。这两个FC用于大规模电力存储，电力公司和电网发电应用。DMFC使用甲醇（CH3OH）直接作为燃料，因为它比氢更容易储存[53]。DMFC是一种高能量密度的FC，但其电效率低，并且排放CO2[53]。SOFC具有较高的燃料效率，比DMFC更好的稳定性，但它是昂贵的，需要高温。由于发电效率比较高，SOFC作为一个潜在的辅助电源被用于EV上，因为它们的高电子商务效率[53,-]。
SPFC（PEMFC）对于EV应用来说具有一定的吸引力，因为它具有所有FC中最高的功率密度，结构中使用了固体聚合物膜电解质和铂催化的多孔电极[14]。只是固体聚合物膜电解质和铂催化电极的成本很高。目前，研发正在推进降低其电极和电解质的材料成本。烃膜成本较低，被认为是替代品[14,15,]。PEMFC存在低压应用的场景，可以为小型电子系统充电[45]。
图15.不同FC类型性能[3，]。
其他类型的FC还包括金属空气FC（MAFC）和微生物FC（MFC）[53,73]。微生物燃料电池是高能量密度的燃料电池，成本最低[53]。虽然MAFCs有充电问题，但对其进行的研究正在进行中，因为该FC是电动汽车和海洋船只ESS的理想选择。MFC是通过微生物的催化反应从化学能量产生电能的生物FC系统[]。MFC是基于介质或者是无介质的。在MFC介质中，介质（如甲基蓝和腐殖酸）加速电池反应，将电子转移到电极上[,]。但是，介质是有毒的，而且价格很高。在无介体MFC中，电化学活性细菌如希瓦氏菌和嗜水气单胞菌帮助转移电子[,]。微生物燃料电池使用基于土壤或光养生物阳极和纳米多孔隔膜[-]。这些类型的MFC现在适用于污水处理和直接从植物生产电力，例如大米和番茄[]。微生物燃料电池主要用于低功率应用，诸如无线传感器网络，废水处理，氢气产生，生物传感器，医疗应用，以及教育试剂盒等[-]。
参考文献
本文由“动力电池技术”翻译整理，只做学习交流之用；其余图片来自互联网公开资料。