电池研究院：为何双擎喜欢用镍氢电池？

　　【太平洋汽车网 技术频道】80后基本都与镍氢电池有着不解之缘，小时候我们用过的索尼Walkman、收音机、四驱车，基本都靠镍氢电池驱动着。

　　为了写这篇文章，我买了两组全新的镍氢电池，分别是来自无锡产的松下爱乐普白皮（非FDK贴牌货）和GP超霸2000，装在松下冲牙器和D50/D100录音笔上用了数月。

　　不得不说，新型镍氢电池的放电表现比小时候用的那些强太多了。（因此，我是不是应该再买点四驱车？）

　　在此必须感谢索尼大法的研发部门，坚持使用AA电芯槽的可换电池设计，我那堆索尼MD机、CD机、录音笔居然随着时间转移，续航变得越来越长，而苹果们统统成了不插电就无法开机超过半小时的工业垃圾。

　　1年前（也就是上个月底）笔者在内蒙古试驾了一汽丰田的双擎系列，包括卡罗拉双擎、亚洲龙双擎、RAV4荣放双擎，对镍氢电池在-30℃下顺利充放电颇有感触。

　　实际上，丰田这组镍氢电池最低在-40℃也能工作，而笔者单反中的锂离子电池在-25℃的气温中只拍了100张照片就罢工了。

　　为什么丰田在HEV车型上坚持使用古老的镍氢电池呢？

　　这时候我们得先从更多古老的电池配方聊起：

　　17世纪：荷兰莱顿大学（Leiden University）的彼得·范·穆森布罗克教授（Prof. Pieter van Musschenbroek）发明了莱顿瓶（Leyden jar），人类第一次捕捉到了电，这也是第一种储电设备（冬天的毛衣不算）。

　　18世纪：意大利物理学家亚历山德罗·伏打（Alessandro Volta）发明了世界上第一组正经的化学电源——“伏打电堆”。

　　19世纪：Dr. William Cruikshank设计了第一款便于批量制造的电池，法国物理学家Gaston Planté发明了铅酸二次电池，电池与车辆在19世纪中页开始结合（如郭睿同事编撰的《电动车坎坷发展史》），爱迪生发明了可充电的铁镍电池，瑞典发明家Waldmar Jungner发明了镍镉电池，

　　20世纪：6V铅蓄电池从1918开始装车，统治汽车电气系统30多年之后被12V铅蓄电池替代；世纪末锂离子电池得到了技术性突破（索尼1991商用化）。

　　21世纪：锂离子电池在消费电子、新能源汽车、电动飞行器、柴电潜艇、工业生产、智能穿戴等领域成就霸业。

　　毫无疑问，21世纪是锂离子电池创造历史的世纪，我们再也离不开锂离子电池了，目前锂离子电池行业主要有以下几种解决方案：

　　既然锂离子电池的种类如此繁多，生产成本逐年下降，为什么HEV非插电式混合动力车型都不喜欢用锂离子电池呢？

　　很简单：因为镍氢电池目前更便宜，循环寿命更长（爱乐普就有2000个循环可用），还不容易烧。

　　更重要的是，镍氢电池无树枝状晶体产生，丰田1600万双擎家族车型在全球范围内都没有发生过电池包自燃事故。

　　第一次让便携式民用电子设备成为现实的是“大哥大”和镍镉电池（Ni-Cd）。

　　东西南北中，发财到广东。80年代末，一斤重的移动电话进入香港与广州市场，2万多一台的价格，充电10小时只能撑30分钟，镍镉电池记忆效应强，得配一个放电器放空了再充，最好每月进行一次深度充放电。

　　上图这种巨型的电池就是镍镉电池，可循环1100次（实际用起来差远了）。

　　镍镉电池是第一代手机电池，第二代则是今日主角镍氢电池（Ni-MH），第三代是革命性的锂离子电池（Li-ion）。这条路走了30多年，每一步都非常不容易。

　　80年代出生的读者应该还记得小时候有一个词汇叫“水素电池”，我手头上刚好有三枚“水素电池”，中间那颗是索尼生产的，绿色两颗是国内的无牌副厂货，目前市场上只能买到后者。

　　“水素”一词其实是日文，如下图翻译截屏和商品广告原图：

　　笔者找了一下镍氢电池的负极与正极的反应式，是下面这样的，这下子我才知道“水素”一词的来源：

　　作为镍镉电池的升级版，镍氢电池的能量密度更高，重量更轻，污染更少，循环寿命更长。

　　镍氢电池的研发开始于1967年，戴姆勒-奔驰和大众汽车当时参与了技术研发（研发地点在Battelle Geneva Research Center），将近20年的时间终于研发出能量密度只有50Wh/kg左右的镍氢电池。70年代，镍氢电池在人造卫星上有了应用（根据维基百科），但笔者并未找到具体的卫星型号。

　　镍氢电池在1985年才终于商用化，随后各式镍氢电池成功占领了我们手里便携式电子设备的电池仓，后来被CD机打败的卡带机、后来被MD机打败的CD机、后来被MP3打败的MD机，中后期版本均改用了这种115×65×28mm的“香口胶式水素电池”，标定电压1.2V，容量1400mAh左右。

　　索尼在1991年将锂离子电池投入商用化，但成本高到可怕，至今都没压到一个合理的价位（这也是各位觉得买电动车特别贵的原因）。

　　那么，大家就继续用镍氢电池作为主流的二次电池吧。可是前期的镍氢电池，自放电（漏电）特别厉害，放在四驱车上面用倒不是什么问题，因为充满电之后很快就被我玩光了。但若放在低电耗长续航的用电设备上，比如石英钟、遥控器，就很让人抓狂了。

　　所以，笔者当时只会选用一次电池来给这些设备供电，最经典的配方就是下图的白皮三个五，红白蓝配色跟大白兔奶糖一模一样，不同的是大白兔是神物，白皮555是垃圾中的战斗机。

　　后来日本三洋电机的eneloop镍氢电池很好地解决了这个自放电问题，2006年推出市场的第一代eneloop将1年的自放电比例缩减至20%，最低工作温度-10℃，循环次数1000次。

　　2009年松下收购了三洋电机50.19%的股份。2015年上市的第五代eneloop，10年的自放电比例才30%，这意味着镍氢电池最大的短板已被基本清除，拿来做低电耗长续航用电设备的供电也没有问题了。

　　在电池界，eneloop“爱老婆”就代表着镍氢电池的最高水平。

　　镍氢电池（Ni-MH）的英文全称是Nickel-Metal Hydride，镍金属氢化物，这里的“金属”指的是金属互化物（intermetallic compound），其中分为两大类：

AB₅类：A = 稀土元素混合物（或）再加上钛（Ti）；B = 镍（Ni）、钴（Co）、锰（Mn）、（或者）加上铝（Al）。

AB2类：A = 钛（Ti）或钒（V），B = 锆（Zr）或镍（Ni），再加铬（Cr）、钴（Co）、铁（Fe）和（或）锰（Mn）。

　　其中AB₅类更常见，AB2类的容量更高。

　　其化学原理是可逆地形成金属氢化物：充电时，氢氧化钾（KOH）电解液中的氢离子（H⁺）会释放出来，由以上化合物吸收并避免形成氢气（H₂）以防电池结构被破坏；放电时，这些氢离子经由相反过程回到原来地方。

　　与锂离子电池一样，镍氢电池不是一种配方而是一整个电池配方系列，可分为容量型、功率型、耐低温型、低自放型。

　　容量型镍氢电池：索尼5号镍氢电池可以达到1.2V*4600mAh，能正面对决14500锂离子电池。

　　功率型镍氢电池：放电比功率可以达到1300W/kg（持续放电），几乎是锂离子动力电池的两倍。

　　耐低温型镍氢电池：-40℃超低温工作，可用容量、内阻几乎没差别。低温是锂离子电池的死穴。

　　低自放镍氢电池：至于所以刚刚提到的eneloop低自放电镍氢电池，全称是LSD Ni-MH，Low Self-Discharge Nickel-Metal Hydride。自放电率是镍氢电池的死穴所在。

　　镍氢电池有个优势，就是电压低，电控简单，可以完美替代普通的1.5V干电池，AA型（5号）和AAA型（7号）的镍氢电池的电压是1.2V，这是一个很关键的电压数字。

　　1.2V × 5 = 6V

　　1.2V × 10 = 12V

　　这意味着镍氢电池可以通过串并联组合轻松替代6V和12V电压平台的二次电池。

　　太深奥的东西不说，我们直接来一点易懂易学的小结论吧，镍氢电池的优势有：

　　1、最大的优势是安全性高，即使制造工艺不良、受外力挤压变形、短路、大电流放电（伴随发热）也不会像锂离子电池那样自燃然后自爆。

　　2、技术成熟，适合大规模生产，成本较低。

　　3、配方很少污染，对环境基本没有影响。

　　4、低温性能好，秒杀锂离子电池。

　　5、循环寿命长，2000-5000个循环不是问题，HEV车型的镍氢电池基本都是终身免维护的。

　　6、记忆效应小。

　　7、电芯一致性比锂离子电池更高。

　　8、1.2V额定电压是个不错的数字，很容易凑整。（此外，最低放电电压是0.9V，满电1.4V，了解一下就行）

　　镍氢电池的劣势有：

　　1、能量密度太低，电芯单体能量密度只有60-120Wh/kg，成组之后更加惨不忍睹。

　　2、充电效率很低，只有66%左右，也即是34%的电量没被充进去，而锂离子电池充电效率可达95%。

　　3、自放电速度太高，三洋使用了新的阳阴极分隔层、新的阴极添加剂、新的超级晶体结构合金、更薄更坚固的外壳，完成了自放电的自我救赎。

　　4、放电倍率还不够强，虽然已经到了15C，但锂离子电池可以做到45C，所以给大众ID.R那种短跑爆发型的电动战车用镍氢电池的话就扑街了。

　　5、快速充电性能简直是渣渣，1C已经是镍氢的快充速度了……

　　6、高温情况下的充放电效率降低明显。

　　汽车用的镍氢电池有两大流派，一派是美系的通用，一派是日系的松下&丰田。

　　我们先来说说通用，通用跟镍氢电池还是有段故事可以讲讲的。一开始Stanford R. Ovshinsky弄出了一种可供量产的镍氢电池并申请了专利，1982年成立了Ovonic电池公司，通用汽车1994年购买了Ovonics专利，随后用在了EV1后期版本上，就是下图这个。

　　通用EV1（纯电动）：业界著名的纯电动工业垃圾，真正的电驱先锋之作。前期版本用的是16.5-18.7kWh的铅酸电池，后期版本用的是26.4kWh的镍铬电池，续航达到228km，在1999年这个年份算得上牛到不行不行的角色。

　　不过，很快通用就发现自己彻底搞砸了，那批车子最终用通用自己收购回去集中销毁。

　　2000年10月，通用把专利卖给了德士古石油，一周后转手给雪佛龙。雪佛龙的子公司Cobasys一直生产着镍氢电池，后来又被SB LiMotive（三星SDI与博世合资）收购，2012年变成博世独资。

　　另一个派系是松下与丰田合资成立的Panasonic EV Energy（PEVE）公司，他们在90那年代推出了适用于新能源车的高容量（28-95Ah）镍氢动力电池，用于1997年开始生产的丰田普锐斯，以及之后的本田Insight混动、本田思域混动、福特等车型。

　　本田Insight（混动）：初代1999-2006（下图），二代2009-2014，三代2019至今。Insight是本田第一代IMA混动系统的试验田，薄片电机放在P1位置，飞轮之后、变速箱之前，镍氢电池使用D型。

　　本田思域（一代混动）：本田Insight IMA结构的“性能版”，电机也在P1位置，电池是120个串联的D型镍氢电池，6.0Ah容量比Insight更低，但充放电速度更高。

　　本田EV Plus（纯电）：本田给汽车工业带来的前锋之作，第一个大型汽车制造商抛弃弱炸天的铅酸电池，采用镍氢电池来驱动车轮，1997-199之间在日本枥木造了300台，续航129-169km，放在2012年左右的中国估计还有点竞争力。

　　福特Escape（混动，翼虎/锐际的前身）：初代（2004-2008）与二代（2009-2011）福特Escape非插电式混动版用过镍氢电池，初代目还跟丰田THS（双擎）技术有专利抵触，这两家公司后来达成了专利共享协议，丰田允许福特用丰田的部分混动技术，福特允许丰田用福特的部分柴油机技术。

　　不过现在福特基本都落下功课了，比如蒙迪欧混动就改用了镍钴锰锂离子电池（MKZ当然是同款），好处是能量转换效率更高，我们测试蒙迪欧混动的时候也被它的超低油耗吓到了。耐用性和可靠性？暂时不太清楚，卖得太少了。

　　福特Ranger EV（纯电）：从Ranger单排皮卡改过来的，1998产的是铅酸电池版本，1999产的是镍氢电池版本，镍氢版本的能量密度提升至57.3Wh/kg，续航提升至185km（72km/h匀速）。这玩意一直生产到2002年，没人买的，都是以市场试验目的租了出去，2004年项目终止的时候全部给召回销毁了。

　　丰田普锐斯（混动，1/2/3/4代）&丰田其他双擎混动车型：如今的第四代丰田普锐斯HEV双擎版本使用的是镍氢电池，这是一种超级长超级细的电芯（其实就是6个1.2V电芯串联起来），390×35mm，6500mAh，电压为7.2V。

　　为了镍氢动力电池的专利，美系的Cobasys和日系的PEVE从2001年开始打了多年官司，2005-2014年间PEVE支付了大笔专利特许使用费给Cobasys，以获得PEVE在北美销售镍氢动力电池的权限。

　　实际上，Cobasys基本已是废的（2007年开始就转舵研究锂离子电池了），真正牛X大发的PEVE用镍氢电池盘活了整个丰田双擎系列，前文我们提到的数据是——全球范围内至今销售超过1600万辆，没有一台烧的。

　　关于丰田双擎镍氢电池的江湖传说还有更多数字，比如之前有一位来自美国硅谷洛斯加托斯（Los Gatos）小镇的普锐斯用户就宣称，他的2004款丰田普锐斯开到35.5万英里（57万公里）的时候才遇到了电池失效。

　　在美国，更换一套普锐斯镍氢动力电池的官方要价大概是4000美元（2.6万人民币），提供8-10年保修期。

　　如今，丰田是全球HEV非插电式混合动力结构的技术和销量老大，坚持镍氢电池路线成为了“技术正确”的一个样本，之前使用松下丰田PEVE镍氢电池的本田和福特却纷纷离场。

　　镍氢电池已经是一种成熟的产品，目前国际市场年产量为12亿只左右，其中大型镍氢电池（车用镍氢动力电池）在2.5亿只左右，超过9成的大型镍氢电池是松下丰田PEVE生产的。

　　中国镍矿总储量290万吨，属于储量一般的国家，不过我国制造业成本较低，所以世界上很多镍氢电池生产商都在中国设立了生产基地，比如松下的无锡工厂，三洋的苏州工厂、汤浅的天津工厂。

　　小型镍氢电池，中国的产量占全球74%左右，超霸（东莞）、豪鹏（深圳）、科力远（长沙）、三普（鞍山）、比亚迪（深圳）是大头；大型镍氢电池，日本的产量占全球95%左右，松下丰田PEVE在全球范围内一家独大。

　　镍氢电池的成本逐步下降，未来可能可以替代相当一部分的干电池，并利用其1000次以上的循环寿命提供更好的环保支持。

　　消费类电器产品（小型）和HEV动力电池（大型）是镍氢电池的两大用户，此外还在安防和医疗等领域有着广泛应用，2019年国内行业规模是44亿元人民币，预计2020年在40亿元左右。根据中研普华产业研究院的研究报告，镍氢电池的市场规模会在2025年达到48.83亿元左右。

　　在大型镍氢电池领域，HEV非插电式混合动力车型已是且将是镍氢电池的唯一大客户，安全性高、成本较低、污染少、低温性能好、循环寿命长是无可替代的优势。不过在当今的新能源补贴政策下，镍氢电池已经没希望进入补贴行列并打败部分锂离子电池成为BEV纯电动车型的动力电池，因为能量密度太低、充电效率太低、放电倍率太弱、快速充电太渣的特性，都是被锂离子电池吊打的。

　　玩砸了么？我怎么觉得好戏才刚刚开始啊。

　　虽然镍氢电池在BEV领域打不过锂离子电池，但HEV领域的占比是可以扩张的。《乘用车燃料消耗量限值》和《乘用车燃料消耗量评价方法及指标》正在推动我国乘用车新车平均燃料消耗量水平在2025年下降至4.0L/100km，单凭ICE内燃机技术的提升是基本没有希望的，比如给ICE加上电动机组成HEV节能动力总成。

　　属于镍氢电池的节能车时代，正在默默到来。

（文：太平洋汽车网 黄恒乐）