鉅大LARGE | 點擊量：1222次 | 2022年04月26日
分析鋰電池的結構及工作原理
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。而電池內部的結構和工作原理又是怎么樣的呢？
電池內部重要由正極、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。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）
在傳統的鉛酸電池領域，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導電性，所以可以在電池內部行成電流回路。但由于水的導電性差，傳統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的水基電解液。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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，其本質是在充電時把電能轉化為化學能，在放電時把化學能轉換成電能的過程。簡單說就是，充電時鋰離子從正極材料通過電解質嵌入到負極材料中；放電時鋰離子從負極材料經過電解質嵌入到正極材料中，而電子則通過外電路，形成電流。關于鋰離子電池而言，正極材料的性能至關重要，它必須具備良好的導電性能、與電解質有良好的相容性以及出色的穩定性。
■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壽命。有實驗驗證過，經過1600次充放電循環后，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也非常穩定。這是我們經常遇到的使用場景：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航里程會降低的原因之一，而磷酸鐵鋰離子電池在穩定性方面的表現非常突出。
▲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點是安全性高。可耐受700-800度高溫，關于穿刺、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，低溫環境下，帶電量會明顯下降。由于能量密度達不到國家規定的150瓦時/千克的要求，所以不適合大規模應用在乘用車中。
▲帶水冷系統和均衡控制的電池包總成
三元電池中現在重要有兩種技術路線，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。它結合鈷酸鋰，鎳酸鋰和錳酸鋰三種材料的優勢，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，很容易發生起火爆炸。所以關于冷卻系統，以及整個電池包的熱管理系統要投入更高的成本開發和設計。
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