鉅大LARGE | 點擊量：1210次 | 2022年04月26日
分析鋰電池的結(jié)構(gòu)及工作原理
假如見過鋰離子電池電芯的話一定了解，它的外觀跟我們常用的5號電池差不多，只是尺寸稍微大一點。我們從外部就能看到電池的正極和負極，以及整個電池的外殼。而電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和工作原理又是怎么樣的呢？
電池內(nèi)部重要由正極、負極、電解液和隔膜4部分組成，這些材料被封裝在一個圓柱形的鋼瓶內(nèi)。由于正極材料上有很多微型的孔洞，所以可以儲存大量電子。在放電過程中，這些電子通過外電路，移動到正極材料上。當(dāng)電池接通外部用電器之后，會形成從正極到用電器再到負極的回路。這就是電池的基本工作原理。
負極材料其實是我們很常見的石墨。由于石墨天然具有很多孔洞，并且導(dǎo)電性好，其能夠抓住電子的容量要大大超過正極材料。所以關(guān)于鋰離子電池來說，重要的瓶頸卡在正極材料上。這也是各大電池公司為了提高鋰離子電池的帶電量（能量密度），不斷的在對正極材料性能進行改進的原因。我們常說的三元鋰和磷酸鐵鋰，指的都是正極材料。
▲被封裝好的電芯（圓柱形）
在傳統(tǒng)的鉛酸電池領(lǐng)域，電解液采用的是成本極低的稀硫酸。這也是為何我們有時在更換汽車電瓶時，一個新電瓶在首次使用的時候要往里面加注一次液體，這個液體就是電解液。由于稀硫酸的重要成分是水，水在酸性粒子的用途下會出現(xiàn)導(dǎo)電性，所以可以在電池內(nèi)部行成電流回路。但由于水的導(dǎo)電性差，傳統(tǒng)鉛酸電池的電壓只有不到2伏，而我們使用的鋰離子電池，單個電芯的電壓可以達到3-4伏，所以要用鋰鹽來替代傳統(tǒng)的水基電解液。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
隔膜的用途是用來阻斷電子，讓電子沿著外電路路徑流動，但離子可以通過隔膜，這樣既能行成回路，又不會讓正負極短路。
■鋰離子電池的充放電原理
鋰離子電池之所以能夠充放電，其本質(zhì)是在充電時把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，在放電時把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的過程。簡單說就是，充電時鋰離子從正極材料通過電解質(zhì)嵌入到負極材料中；放電時鋰離子從負極材料經(jīng)過電解質(zhì)嵌入到正極材料中，而電子則通過外電路，形成電流。關(guān)于鋰離子電池而言，正極材料的性能至關(guān)重要，它必須具備良好的導(dǎo)電性能、與電解質(zhì)有良好的相容性以及出色的穩(wěn)定性。
■磷酸鐵鋰和三元鋰的性能差別
磷酸鐵鋰離子電池有著較高的安全性和較長的循環(huán)壽命。有實驗驗證過，經(jīng)過1600次充放電循環(huán)后，磷酸鐵鋰離子電池仍然可以具備80%的帶電量。不僅如此，在大功率放電過程中，磷酸鐵鋰離子電池的表現(xiàn)也非常穩(wěn)定。這是我們經(jīng)常遇到的使用場景：在急加速或者跑高速時，電池要大功率放電，而在這個過程中，電壓的穩(wěn)定能讓車輛具備更好的性能。而且在大功率放電過程中電池的實際容量會減小，這也是為何電動汽車跑高速續(xù)航里程會降低的原因之一，而磷酸鐵鋰離子電池在穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)非常突出。
▲純電動汽車使用的電池包和電動機總成
磷酸鐵鋰的另一個優(yōu)點是安全性高?？赡褪?00-800度高溫，關(guān)于穿刺、撞擊、短路等極端形況不會釋放出氧分子，所以不會劇烈燃燒爆炸。這也是為何比亞迪至今仍然在載客人數(shù)較多的客車中使用磷酸鐵鋰離子電池的原因。因為客車載客人數(shù)多，相比乘用車對安全性要求更高，但對重量和體積又沒那么敏感，所以磷酸鐵鋰是非常好的選擇。
不過磷酸鐵鋰也有兩個不容忽視的缺點：第一是能量密度相對較低、重量大體積大；第二是對溫度相對敏感，低溫環(huán)境下，帶電量會明顯下降。由于能量密度達不到國家規(guī)定的150瓦時/千克的要求，所以不適合大規(guī)模應(yīng)用在乘用車中。
▲帶水冷系統(tǒng)和均衡控制的電池包總成
三元電池中現(xiàn)在重要有兩種技術(shù)路線，分別是鎳鈷錳和鎳鈷鋁，其中又以鎳鈷錳三種元素的組合最具代表性。它結(jié)合鈷酸鋰，鎳酸鋰和錳酸鋰三種材料的優(yōu)勢，實際上是把三種材料整合在了一起。所以其綜合性能比單一材料要更好，其能量密度可以超過200瓦時/千克，所以能量密度是三元鋰的最大優(yōu)勢。
但是與磷酸鐵鋰相反的是，三元鋰的安全性較差，最高耐受溫度為250-300度。所以遇到撞擊、穿刺，很容易發(fā)生起火爆炸。所以關(guān)于冷卻系統(tǒng)，以及整個電池包的熱管理系統(tǒng)要投入更高的成本開發(fā)和設(shè)計。
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