電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù) 第3版 課件全套 王震坡 第1-11章 動力電池及其驅(qū)動的電動車輛- 動力電池充電方法與基礎(chǔ)設(shè)施

《電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)》第一章動力電池及其驅(qū)動的電動車輛目錄動力電池及電動車輛發(fā)展簡史國內(nèi)外動力電池技術(shù)現(xiàn)狀動力電池驅(qū)動的車輛類型動力電池及電動汽車發(fā)展趨勢3241251

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史早期電動汽車1830年蘇格蘭發(fā)明家羅伯特·安德森（Robert

Anderson）便成功的將電動馬達裝在一部馬車上；1834年，羅伯特·安德森與托馬斯·達文波特（Thomas

Davenport）合作打造出世界上第一部以電池為動力的電動汽車，該車采用的是不可充電的玻璃封裝蓄電池；1873年，英國人羅伯特·戴維森（Robert

Davidson）制作了世界上最初的可供實用的電動汽車，該車使用的是不可充電的一次性電池；3公認(rèn)的第一輛電動汽車1881年，法國工程師古斯塔夫·土維（Gustave

Trouve）裝配了世界上第一輛以可充電鉛酸電池為動力的三輪車，被認(rèn)為是世界上第一輛電動車。在巴黎舉行的國際電器展覽會上，土維展出了一條船和一輛電動三輪車，此外還展示出一個電動飛艇模型。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史41

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史1899年，法國人考門·吉納駕駛一輛44kW雙電機為動力的后輪驅(qū)動的子彈頭型電動汽車，創(chuàng)造了時速106km的記錄，并且續(xù)駛里程達到了約290km。1900年美國制造的汽車中，電動汽車為15755輛，蒸汽機汽車1684輛，而汽油機汽車只有936輛。到了1912年，已經(jīng)有幾十萬輛電動汽車遍及全世界，廣泛應(yīng)用于出租車、送貨車、公共汽車等領(lǐng)域。19世紀(jì)末的電動出租汽車5法國的子彈頭型電動汽車在1890至1920年期間，由于全世界石油生產(chǎn)量的增長和內(nèi)燃機技術(shù)的快速發(fā)展，使得電動車的發(fā)展進入了低谷期。1911年，凱特林·查爾斯發(fā)明了內(nèi)燃機自動啟動技術(shù)。1913年，福特建立了內(nèi)燃機汽車生產(chǎn)線。內(nèi)燃機汽車進入了標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)階段，內(nèi)燃機汽車應(yīng)用方便、價格低廉的優(yōu)點逐步顯現(xiàn)。汽油的質(zhì)量比能量是電池的100倍，體積比能量是電池的40倍。在使用方便性方面，動力電池充電時間明顯長于內(nèi)燃機汽車燃油的加注時間。因此，電動汽車?yán)m(xù)駛里程短、充電時間長成為無法與內(nèi)燃機汽車相抗衡的致命因素。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史61

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史71kWh電能的等效熱值為860大卡1kg汽油的等效熱值為9600大卡電池每公斤儲存的電能范圍40-200Wh，即儲能為34至172大卡汽油的密度為0.725g/ml，即6960大卡/L電池的體積能量密度范圍：70Wh/L至600Wh/L，即為60至516大卡/L1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，隨著內(nèi)燃機汽車設(shè)計和制造技術(shù)的發(fā)展，在很多地區(qū)，有軌電車和無軌電車也逐步被柴油驅(qū)動的內(nèi)燃機汽車取代了。第二次世界大戰(zhàn)后，歐洲和日本石油供給緊張，電動汽車在局部地區(qū)出現(xiàn)了復(fù)蘇跡象。1943年，僅僅在日本就有3000多輛電動汽車處于注冊狀態(tài)。81

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史20世紀(jì)60年代以后，環(huán)境污染和對石油的過分依賴，導(dǎo)致一系列的政治問題和國家安全問題。70年代初，世界石油危機對全世界世界的經(jīng)濟產(chǎn)生了重大影響，而電動汽車由于其良好的環(huán)保性能和能擺脫對石油的依賴性，重新得到社會各界的重視。91976年美國國會通過了“純電動汽車和混合動力電動汽車的研究開發(fā)和樣車試用法令”

，撥款1.6億美元資助電動汽車的開發(fā)。1978年美國通過“第95-238公法”予以修訂并增加對電動汽車研發(fā)的撥款，政府同時責(zé)成能源部電力研究所與電力公司加快研制電動汽車的技術(shù)；同時加大資金投入，責(zé)成國家阿貢實驗室與電池公司合作研制電動汽車用高性能蓄電池。從此，電動汽車在國際上開始第二輪的研發(fā)高潮。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史10美國的3大汽車公司：通用、福特和克萊斯勒為主成立了美國先進電池聯(lián)合會(USABC)，提供巨額資金著重開發(fā)與電動汽車配套的動力電池。歐洲主要發(fā)達國家如法國、德國、意大利以及亞洲的日本也都成立了相應(yīng)的機構(gòu)或團體協(xié)調(diào)電動車輛及電池技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。1991年，可充電的鋰離子蓄電池面世。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史111995年日本索尼公司首先研制出100Ah鋰離子動力電池并在電動汽車應(yīng)用，引起廣泛關(guān)注。目前為止，鋰離子動力電池被認(rèn)為是最有希望的電動汽車用動力蓄電池之一。電動汽車鋰離子動力電池常用的有：鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史121

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史2003年，以色列巴伊蘭（Bar-Ilan）大學(xué)的D.

Aurbach團隊研究出的充電鎂電池具有能量密度高、價格低廉、操作安全等優(yōu)點。作為主要原材料的鎂具有資源豐富、價格低廉、無環(huán)境污染并且加工處理方便等優(yōu)點，因而充電鎂電池被認(rèn)為是未來很有發(fā)展前景的電池材料。2014年2月在亞特蘭大世界先進汽車電池能源會議上，美國鋁業(yè)加拿大公司（Alcoa）和以色列飛納齊（Phinergy）公司展示的質(zhì)量為100kg的鋁空氣電池能儲存足可行駛3000km超級續(xù)航能力的電量。132011年，寧德時代成立，其前身是消費電池巨頭ATL。2022年4月，寧德時代正式發(fā)布第三代CTP（Cell

To

Pack）技術(shù)，又稱“麒麟電池”。2003年，國內(nèi)電動車企業(yè)比亞迪成立，并于2012年開啟王朝系列，強勢進軍私人電動汽車產(chǎn)品。2022年4月3日，比亞迪汽車正式宣布公司將于2022年3月起停止燃油汽車的整車生產(chǎn)，專注于純電動和插電式混合動力汽車業(yè)務(wù)。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史14我國緊跟時代腳步，通過國家863計劃“電動汽車”重大科技專項確立了以混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車為“三縱”，以多能源動力總成控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機和動力電池為“三橫”的電動汽車“三縱三橫”研發(fā)布局。動力電池技術(shù)的突破性發(fā)展，眾多造車新勢力于近幾年應(yīng)運而生?？梢韵胂?，隨著技術(shù)的進步，動力電池必將向高比能量、高比功率、長壽命、低價格、安全可靠的方向發(fā)展。1

動力電池及電動車輛發(fā)展簡史15動力電池從傳統(tǒng)的鉛酸電池已經(jīng)發(fā)展到鎳氫動力電池、鈷酸鋰、錳酸鋰、聚合物、三元鋰、磷酸鐵鋰等先進的綠色動力電池。動力電池在比能量、比功率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命、成本等方面，都取得很大的進步。鉛酸電池：技術(shù)成熟，成本低，在電動汽車尤其是純電動汽車上廣泛應(yīng)用。鋰離子動力電池：容量高、比能量高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，因而成為當(dāng)前電動汽車用動力電池技術(shù)研究開發(fā)的主要方向。162

國內(nèi)外動力電池技術(shù)現(xiàn)狀2

國內(nèi)外動力電池技術(shù)現(xiàn)狀

動力電池研發(fā)-國外發(fā)展?fàn)顩r美國Vaknce公司研制的U-charge磷酸鐵鋰電池，能量密度高、安全性好，可在-20~60℃的寬溫度范圍內(nèi)放電及儲存，其重量比鉛酸電池輕了56%，一次充電后的運行時間是鉛酸電池的2倍，循環(huán)壽命是鉛酸電池的6~7倍。韓國SK

innovation動力鋰電池正極采用NCM三元材料，電池單體能量密度達到180Wh/kg，電池組能量密度為110Wh/kg。電動汽車用動力電池能量密度將在近年出現(xiàn)質(zhì)的飛躍，電動汽車?yán)m(xù)駛里程將不再是困擾電動汽車發(fā)展的瓶頸問題。172

國內(nèi)外動力電池技術(shù)現(xiàn)狀

動力電池研發(fā)-國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r國內(nèi)研制的動力蓄電池的功率密度和能量密度實測數(shù)據(jù)達到了同類型電池的國際先進水平，電池安全性能也有了很大的提高。采用磷酸鐵鋰材料的動力電池系統(tǒng)的能量密度達90Wh/kg，采用三元材料的動力電池系統(tǒng)的能量密度達110Wh/kg，循環(huán)壽命超過5年/10萬km的質(zhì)保要求。比亞迪、寧德時代等一大批鋰電池企業(yè)涌現(xiàn)，2021年寧德時代發(fā)布第一代鈉離子電池，2020年比亞迪正式推出刀片電池，次年蜂巢能源的短刀片電池實現(xiàn)量產(chǎn)，同時在蔚來等一眾企業(yè)的大力研發(fā)投入下，固態(tài)電池也獲得了蓬勃發(fā)展。182

國內(nèi)外動力電池技術(shù)現(xiàn)狀19

電池技術(shù)發(fā)展規(guī)劃-國外發(fā)展?fàn)顩r美國能效和可再生能源局發(fā)布了“電動汽車無處不在大挑戰(zhàn)藍圖”，設(shè)置了2022年動力電池系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)包括電池系統(tǒng)質(zhì)量能量密度250Wh/kg，體積能量密度400Wh/L，功率密度2000W/kg，成本125$/kWh的目標(biāo)。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省下屬的新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)牽頭制定了較為詳細(xì)的動力電池研發(fā)路線圖和行動計劃，重點對鋰離子電池單體、模塊、標(biāo)準(zhǔn)及評價技術(shù)進行研發(fā)項目的設(shè)置，開展技術(shù)攻關(guān)。德國制定了國家電驅(qū)動平臺計劃（NPE），與此同時還發(fā)起了電池研發(fā)的資助計劃，通過簡化研究成果向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化實現(xiàn)電池“德國制造”。韓國知識經(jīng)濟部大力支持電動汽車用鋰離子電池的研發(fā)工作，著重對鋰離子動力蓄電池單體、模塊、系統(tǒng)及關(guān)鍵原材料等進行攻關(guān)研究。2

國內(nèi)外動力電池技術(shù)現(xiàn)狀

電池技術(shù)發(fā)展規(guī)劃-國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部發(fā)布的“十二五”“十三五”規(guī)劃電動汽車重大項目中，對混合動力用高功率動力電池、純電驅(qū)動用高能量型鋰離子動力電池以及下一代純電驅(qū)動用新型鋰離子電池和新體系電池進行了技術(shù)研發(fā)支持。中國動力電池2025年能量密度目標(biāo)400Wh/kg，材料體系是富鋰錳基正極+高比能硅碳負(fù)極;

2030年，能量密度目標(biāo)是500Wh/kg，正負(fù)極仍是富鋰錳基正極+高比能硅碳負(fù)極，但是電解液將演變?yōu)楣虘B(tài)電解液。203

動力電池驅(qū)動的車輛類型優(yōu)點缺點電動叉車運轉(zhuǎn)平穩(wěn)檢修容易，操縱簡單、營運費用低，尤其無噪聲、不排廢氣，保證良好的工作環(huán)境；需要充電設(shè)備、基本投資高，充電時間較長，一次充電后的連續(xù)工作時間短。一般電動叉車驅(qū)動電機功率相對內(nèi)燃機較小，車速和爬坡能力差。3.1廠內(nèi)車輛□

電動車輛在廠區(qū)已有很長的應(yīng)用歷史，其中叉車最為常見而且種類繁多，但基本上都由動力部分、底盤、工作部分和電氣設(shè)備四大部分構(gòu)成。213

動力電池驅(qū)動的車輛類型22電力機車20世紀(jì)初，德國開始采用以蓄電池為動力源的電力機車（電力火車）；1979年，德國20%的長途軌道車輛為電力機車拖動，沿途有100個充電站來提供能源。每列機車的電池系統(tǒng)由220塊電池單體組成，重21噸，存儲能量650kWh，單日運行250km-400km。壽命為4年。電力機車的優(yōu)點包括：可靠性高、噪聲低、無污染、成本低、便于操作和維修。國內(nèi)高速列車均為電力拖動車輛。每種車型配備750V或900V動力蓄電池系統(tǒng)，提供驅(qū)動及機車附件系統(tǒng)應(yīng)用。3

動力電池驅(qū)動的車輛類型高爾夫球車電動旅游景點用車23娛樂及運動場地車輛作為該類車輛的典型應(yīng)用，高爾夫球車主要用于在高爾夫球場運送設(shè)備以及為球員服務(wù)。使用這些車輛的目的是加速娛樂和運動的進程、保護場地的安全、幫助殘疾人以及老年人參與其中等?，F(xiàn)階段應(yīng)用的高爾夫球車主要是以鉛酸電池為主，電池系統(tǒng)電壓一般為48V或72V，容量在200Ah左右。優(yōu)點：無污染、低噪音等，類似高爾夫球車的電動場地車輛在環(huán)境要求高的旅游景點被廣泛用于游客運輸。3

動力電池驅(qū)動的車輛類型□

延伸發(fā)展的電動微型車243

動力電池驅(qū)動的車輛類型老年代步車/殘疾車 電動輪椅 電動救護車□

電動輪椅已經(jīng)廣泛應(yīng)用，使許多殘疾人能夠行動自由。另還有為行動不便的老人代步的電動代步車近年來也在該領(lǐng)域蓬勃發(fā)展的應(yīng)用。253.4

殘疾人/醫(yī)療服務(wù)用車□

由于蓄電池驅(qū)動的車輛具有的起步平緩、低噪音等優(yōu)點，在醫(yī)療機構(gòu)中應(yīng)用電動車輛運輸藥品、作為重癥監(jiān)護車輛以及救護車應(yīng)用。3

動力電池驅(qū)動的車輛類型低速電動汽車低速電動車廣泛的定義可以涵蓋電動自行車、電動摩托車、電動三輪車、低速電動汽車等。低速電動汽車是指速度低于70km/h的簡易四輪純電動汽車，其外形、結(jié)構(gòu)、性能與燃油汽車類似。從我國的市場容量、技術(shù)水平看，低速電動汽車具有經(jīng)濟性能好、節(jié)能環(huán)保、節(jié)約資源、使用成本低、充電方便等優(yōu)勢，是二、三線城市最經(jīng)濟、最環(huán)保、最易推廣的交通工具，是我國實現(xiàn)綠色交通的戰(zhàn)略選擇。低速電動汽車263

動力電池驅(qū)動的車輛類型客梯車27升降平臺車電動擺渡車3.6機場地面保障車輛□

電動車輛在機場貨物運輸及人員輸送方面被廣泛應(yīng)用，主要包括：用于客艙服務(wù)的客梯車、擺渡車、空調(diào)車、食品車、上水車、廁所清潔車、垃圾清理車；用于貨物和行李裝運的貨物升降平臺車、行李牽引車；用于維護、補給和調(diào)度的加油車、管線加油車、潤滑油加注車、除冰車、機身清洗車、牽引車等。3

動力電池驅(qū)動的車輛類型電動輕型摩托車 電動自行車□

2000年前后，以電動自行車為主的電動輕型車產(chǎn)業(yè)在中國蓬勃發(fā)展。截止2019年末電動自行車社會保有量已經(jīng)超過3億輛。28電動滑板車、摩托車和自行車19世紀(jì)80年代，英國人艾爾頓、佩里和法國人特魯韋研究成功電動三輪車，這是鉛酸電池在私人道路車輛上的第一次應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，SoloKleinmotoren

GmbH

公司生產(chǎn)了上萬輛以2塊容量為50Ah的汽車用鉛酸電池為動力的電動滑板車。電動汽車當(dāng)前，全球主要經(jīng)濟體國家均制定了碳達峰、碳中和目標(biāo)，汽車產(chǎn)業(yè)電動化轉(zhuǎn)型步伐明顯加快。德國通過的著名的《可再生能源法》（EEG2014）中增加了2025年和2035年可再生能源電量發(fā)展目標(biāo)，將可再生能源電量的比例分別定為40%~45%和55%~60%。3

動力電池驅(qū)動的車輛類型29電動汽車澳大利亞能源巨頭AGL和金融集團Macquarie

Capital與國際集團公司Better

Place簽署協(xié)議，計劃在墨爾本、悉尼和布里斯班打造電動汽車網(wǎng)絡(luò)。日本政府制定長遠規(guī)則，計劃到2025年有880萬輛電動汽車投入使用。3

動力電池驅(qū)動的車輛類型303

動力電池驅(qū)動的車輛類型313

動力電池驅(qū)動的車輛類型電動汽車自中國提出“力爭2030年前實現(xiàn)碳達峰，2060年前實現(xiàn)碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)后，發(fā)展新能源汽車成為我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。在2021年正式發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》中提出，以2035年為節(jié)點，新能源汽車將逐漸成為主流產(chǎn)品，汽車產(chǎn)業(yè)基本實現(xiàn)電動化轉(zhuǎn)型?！?/p>

截至2022年12月底，全國新能源汽車保有量達1310萬輛，占汽車保有量的4.10%。電動汽車示范城市及私人購車示范城市分布圖323

動力電池驅(qū)動的車輛類型特種車輛——電驅(qū)動裝甲車自20世紀(jì)80年代起，人們開始探索采用電驅(qū)動、電傳動、電磁炮和電磁裝甲等技術(shù)的全電坦克裝甲車輛。進入21世紀(jì)以后，電傳動裝甲車的發(fā)展又達到了一個新的高度。如美國研制的20噸級履帶和輪式混合動力試驗車，德國FFG公司研發(fā)的油電混動戰(zhàn)車“創(chuàng)世紀(jì)”等。我國也積極研發(fā)電驅(qū)動裝甲車輛。如解放軍推出的一款搭載油電混合動力單元+輪轂電機+動力電池全新8輪驅(qū)動裝甲樣車。333

動力電池驅(qū)動的車輛類型徐工XDR80TE純電動礦車3.10電驅(qū)動非道路車輛——礦用車□

電驅(qū)動礦用車采用混合動力與純電動兩種驅(qū)動模式，擁有高效的制動能量回收系統(tǒng)，兼具“大功率”與“低油耗”雙重優(yōu)勢，具有極高的市場推廣價值?！?/p>

2022年5月份，徐工XDR80TE純電動礦車的批量交付，徹底打開了該產(chǎn)品的全球市場。344

動力電池及電動汽車發(fā)展趨勢隨著鋰離子電池材料的研究和發(fā)展，尤其是磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等電極材料的出現(xiàn)，大大提高了鋰離子電池的循環(huán)壽命，降低了電池的材料成本或使用成本，使鋰離子電池成為近期內(nèi)最有發(fā)展前途和推廣應(yīng)用前景的動力電池。未來以能量型動力電池、能量功率兼顧型動力電池和功率型動力電池等重點產(chǎn)品的比能量、能量密度、比功率、成本、安全性能等得到全面提升為核心目標(biāo)。35□

動力電池未來發(fā)展方向降低成本隨著政府對新能源汽車財政補貼力度和政策逐步減弱，為彌補與傳統(tǒng)燃油車的價格差距，降低電池成本勢在必行。更優(yōu)異的電池性能進一步提升電池的能量密度、功率密度、充電效率、安全性、可靠性、循環(huán)壽命、輕量化、以及寬的工作溫度范圍等性能。完善的電池各項參數(shù)檢測技術(shù)更加有效的故障診斷與預(yù)警技術(shù)健全的動力電池回收體系形成完備的動力電池回收產(chǎn)業(yè)鏈，提高資源的利用率。4

動力電池及電動汽車發(fā)展趨勢36思考37

簡述電動車輛及動力電池發(fā)展的簡史；

簡述動力電池驅(qū)動車輛的類型；

簡述純電動汽車的特點；

簡述電驅(qū)動娛樂及運動場地車輛的特點；

簡述電驅(qū)動礦用車的特點；

純電動汽車產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計理念是什么？

簡述動力電池的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢；

簡述電動汽車的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢?！峨妱榆囕v動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)》第二章

動力電池的基本概念王震坡

孫逢春

劉鵬

編著北京理工大學(xué)目錄蓄電池分類化學(xué)能電能轉(zhuǎn)換基本原理電池的基本構(gòu)成電池及電池組電池的基本參數(shù)電池應(yīng)用常見問題324156動力電池的基本概念□

電池應(yīng)用的過程是電能輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能存儲，再以電能形式輸出的能量轉(zhuǎn)換過程。主要內(nèi)容蓄電池分類

：電解液的不同、正負(fù)極材料和工作儲存方式三種分類方法化學(xué)能電能轉(zhuǎn)換基本原理

：丹尼爾電池單體反應(yīng)電池的基本構(gòu)成：正負(fù)極活性物質(zhì)、電解質(zhì)、外殼等電池包：單體、模塊、電池包、電池系統(tǒng)電池的基本參數(shù)：

電壓、電流、內(nèi)阻和容量等充電方法：

恒流充電、恒壓充電和脈沖充電等31

蓄電池分類常見的分類方法有：按電解液種類分類按工作性質(zhì)和貯存方式分類負(fù)極材料分類堿性電池：電解質(zhì)主要以氫氧化鉀水溶液為主；鎳氫電池酸性電池：主要以硫酸水溶液為介質(zhì)；鉛酸蓄電池中性電池：以鹽溶液為介質(zhì)；鋅錳干電池有機電解液電池：以有機溶液為介質(zhì)

；鋰離子電池一次電池：不能再充電使用；鋅錳干電池、鋰原電池等二次電池：可充電電池；鉛酸電池、鎳氫電池等燃料電池：在工作時活性材料才連續(xù)不斷地從外部加入貯備電池：貯存時電極板不直接接觸電解液，直到電池使用時，才加入電解液；海水激活電池，液流電池等鋅系列電池

：鋅錳電池、鋅銀電池等4按電池所用正、 鎳系列電池

：鎳鎘電池、鎳氫電池等鉛系列電池

：鉛酸電池等鋰系列電池

：鋰離子電池、鋰聚合物電池二氧化錳系列電池

：鋅錳電池、堿錳電池等空氣（氧氣）系列電池

：鋅空氣電池、鋁空氣電池等2

化學(xué)能電能轉(zhuǎn)換基本原理-5Cu2

+Zn

Cu+Zn2

□

可以分解為兩個電化學(xué)反應(yīng)步驟Cu2

2e

CuZn

Zn2

2e

丹尼爾電池單體反應(yīng)示意圖□

分析：鋅和銅處于獨立的兩個單元中

，而且只有在有電流連接兩個電極的情況下反應(yīng)才能繼續(xù)進行。在這種情況下，電子的流動是可以利用的——丹尼爾原理+3

電池的基本構(gòu)成電池是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量直接轉(zhuǎn)變成低壓直流電能的裝置。要實現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能的過程，必須滿足如下條件：氧化過程和還原過程分區(qū)域進行兩電極間必須具有離子導(dǎo)電性的物質(zhì)電子的傳遞必須經(jīng)過外線路。為滿足上面的條件，電池基本結(jié)構(gòu)為：正極活性物質(zhì)負(fù)極活性物質(zhì)電解質(zhì)隔膜外殼64

電池及電池組電池單體（Cell），直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的基本裝置和基本單元，是構(gòu)成電池的基本元件，包括電極、隔膜、電解質(zhì)、外殼等。電池（Battery），由一個以上的電池單體并聯(lián)或串聯(lián)而成，封裝在一個物理上獨立的電池殼體內(nèi)，具有獨立的正極和負(fù)極輸出。內(nèi)燃機汽車上常用的12V或24V啟動電池，就是由6片或12片2V的鉛酸電池單體串聯(lián)而成。74

電池及電池組8電池包（BatteryPack），也常常被稱為電池組，是由多塊電池通過串聯(lián)或并聯(lián)構(gòu)成的一個存儲電能或?qū)ν廨敵鲭娔艿牟考?。通?，F(xiàn)在意義的電池組還包括動力電池管理系統(tǒng)、電池箱等元器件共同組成。電池模塊（Battery

Module），對于不包含完整電池管理功能的電池組通常稱為電池模塊。4

電池及電池組（1）動力蓄電池箱

（power

battery

enclosure/box）：能夠承裝蓄電池組、蓄電池管理模塊以及相應(yīng)的輔助元器件的機械結(jié)構(gòu)。（2）動力蓄電池包（

power

battery

pack）：蓄電池組、蓄電池管理模塊、蓄電池箱以及相應(yīng)附件有機組合構(gòu)成的具有從外部獲得電能并可對外輸出電能的單元，簡稱蓄電池包。94

電池及電池組（3）快換動力蓄電池包

（swapping

power

battery

pack）：能夠通過專用裝置，必要時人工協(xié)助，短時間（一般不超過5min）完成更換、并可以在非車載情況下進行充電的蓄電池包，簡稱快換蓄電池包。（4）動力蓄電池系統(tǒng)（

power

battery

system）：一個或一個以上蓄電池包及相應(yīng)附件（蓄電池管理系統(tǒng)、高壓電路、低壓電路、熱管理設(shè)備以及機械總成）構(gòu)成的為電動汽車整車提供電能的系統(tǒng)。105

電池的基本參數(shù)115.1電壓1)電動勢：熱力學(xué)的兩極平衡電極電位之差，在理論上輸出能量大小的度量之一。E

式中

E

——電池電動勢；

——正極的平衡電位；

——負(fù)極的平衡電位?！?/p>

由于正極活性物質(zhì)一般氧的過電位大，穩(wěn)定電位接近正極活性物質(zhì)的平衡電位，同理，負(fù)極材料氫的過電位大，穩(wěn)定電位接近負(fù)極活性物質(zhì)的平衡電位。電池的開路電壓在數(shù)值上接近電池的電動勢，常常認(rèn)為電池在斷路條件下，正負(fù)極間的平衡電勢之差，即為電池的電動勢。5

電池的基本參數(shù)12開路電壓：在開路狀態(tài)下，電池兩極之間的電勢差。一般用Copen表示。電池的開路電壓取決于電池正負(fù)極材料的活性、電解質(zhì)和溫度條件等，而與電池的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸大小無關(guān)。額定電壓（公稱電壓或標(biāo)稱電壓）：是指在規(guī)定條件下電池工作的標(biāo)準(zhǔn)電壓。工作電壓：電池接通負(fù)載后在放電過程中顯示的電壓，又稱負(fù)荷電壓或放電電壓。V

E

IRi

=E

（I R

Rf）I

為電池的工作電流；Rf

和

R

分別為極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻。放電終止電壓：指電池放電時，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓值，不同的電池和放電電流大小終止電壓也都不相同。5

電池的基本參數(shù)充電終止電壓：在規(guī)定的恒流充電期間，電池達到完全充電時的電壓。到達充電終止電壓后若仍繼續(xù)充電，即為過充電，一般對電池性能和壽命有損害。平均電壓：是指在規(guī)定的充放電過程中，用瓦時數(shù)除以安時數(shù)所得到的值，它不是某一段時間內(nèi)的平均電壓（除了在定電流情況下）。電池類型鉛酸電池（VRLA）13單體額定電壓2V1.2V1.6V1.2V1.2V1.4V2.5V2.0V3.7V鎳鎘電池（Ni-Cd）鎳鋅電池（Ni-Zn）鎳氫電池（Ni-MH）鋅空氣電池（Zn/Air）鋁空氣電池（Al/Air）鈉-氯化鎳電池（Na/NiCl2

）鈉-硫電池（Na/S）錳酸鋰電池（LiMn2O4

）磷酸鐵鋰電池（LiFePO4

）3.2V5

電池的基本參數(shù)145.2容量□

定義：電池在一定的放電條件下所能放出的電量稱為電池容量，以符號C表示，其單位常用Ah或mAh表示。1)理論容量

：假定活性物質(zhì)全部參加電池的成流反應(yīng)所能提供的電量。用

C0

表示。法拉第定律指出：電流通過電解質(zhì)溶液時，在電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。Q

zmF/

MQ 為電極反應(yīng)中通過的電量，Ah；z

是在電極反應(yīng)式中的電子計量系數(shù)；m

為發(fā)生反應(yīng)的活性物質(zhì)的質(zhì)量，g；

M

為活性物質(zhì)的摩爾質(zhì)量，g.mol

1

；F 為法拉第常數(shù)，約96500C/mol或26.8Ah/mol。5

電池的基本參數(shù)152)額定容量

：按國家或有關(guān)部門規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，保證電池在一定的放電條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下應(yīng)該放出的最低限度的容量。Cg表示。3)實際容量

：指在實際應(yīng)用工況下放電，電池實際放出的電量，用C表示?！?/p>

由于受放電率的影響較大

。常在字母C的右下角以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明放電率，例如

C20=50Ah，表明在20小時率下的容量為50Ah?！?/p>

計算方法0恒電流放電時

：C

I

TTI

(t)dt

變電流放電時

：C

I為放電電流；T為放電至終止電壓的時間。5

電池的基本參數(shù)由于電池內(nèi)阻的存在，活性物質(zhì)的利用率總是小于1，因此化學(xué)電源的實際容量、額定容量總是低于理論容量?；钚晕镔|(zhì)的利用率定義為：

m1

100% 或

C

100%m C0m

為活性物質(zhì)的實際質(zhì)量；m1為放出實際容量時所應(yīng)消耗的活性物質(zhì)的質(zhì)量。4)剩余容量：在一定放電倍率下放電后，電池剩余的可用容量。剩余容量的估計和計算受到電池前期應(yīng)用的放電率、放電時間等因素以及電池老化程度、應(yīng)用環(huán)境等的影響，所以在準(zhǔn)確估算上存在一定的困難。165

電池的基本參數(shù)175)n小時率容量

：指完全充電的蓄電池以n小時率放電電流放電，達到規(guī)定終止電壓時所釋放的電量。6)可用容量

：指在規(guī)定條件下，從完全充電的蓄電池中釋放的電量。5

電池的基本參數(shù)18內(nèi)阻定義：電流通過電池內(nèi)部時受到阻力，使電池的工作電壓降低，該阻力稱為電池內(nèi)阻。內(nèi)阻特性：電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過程中受到活性物質(zhì)的組成、電解液濃度、溫度的變化和放電時間的影響。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻（R

）和電極在電化學(xué)反應(yīng)時所表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻（R

），兩者之和稱為電池的全f內(nèi)阻（Rw

）。Rw

=R

+Rf5

電池的基本參數(shù)歐姆內(nèi)阻

：由電極材料、電解液、隔膜的內(nèi)阻及各部分零件的接觸電阻組成，遵守歐姆定律

。電池內(nèi)阻極化內(nèi)阻

：指化學(xué)電源的正極與負(fù)極在電化學(xué)反應(yīng)進行時由于極化所引起的內(nèi)阻。受活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝和溫度的影響□

蓄電池內(nèi)阻的解析表達式

：19

w ael e aaR i,

,

C =R

,

C +R(C)+bE(i,

,

C)I

1bE(ia

,

,

C)Ia

1ba為電池極化內(nèi)阻；

：為電池以電流；I ：充、放電時，電池E

端電壓相對于在額定容量條件下電池端電壓的變化系數(shù)；Rel

,

C

：是電解液的阻值；Re

(C)

：是電極阻值。5

電池的基本參數(shù)20□

電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象的原因為：歐姆極化：

充放電過程中，為了克服歐姆內(nèi)阻，就必須額外施加一定的電壓，以克服阻力推動離子遷移。電流越大，歐姆極化將造成蓄電池在充電過程中的溫度越高。濃度極化：

電流流過蓄電池時，生成物和反應(yīng)物的擴散速度比化學(xué)反應(yīng)速度慢，造成極板附近電解質(zhì)溶液濃度發(fā)生變化，即，從電極表面到中部溶液，電解液濃度分布不均勻。電化學(xué)極化：是由于電極上進行的電化學(xué)反應(yīng)的速度落后于電極上電子運動的速度造成的。5

電池的基本參數(shù)電池能量W0

C0E實際能量

：電池放電時實際輸出的能量。W

V(t)I

(t)dtW

CV平215.4能量與能量密度定義：電池在一定放電制度下，電池所能釋放出的能量，常用Wh或kWh表示。理論能量：電池在放電過程中始終處于平衡狀態(tài)，其放電電壓保持電動勢（E）的數(shù)值，而且活性物質(zhì)的利用率為100%，即放電容量為理論容量5

電池的基本參數(shù)5.4能量與能量密度電池的能量密度：單位質(zhì)量或單位體積的電池所能輸出的能量，稱質(zhì)量比能量（Wh/kg）或體積比能量（Wh/L）

。分類：理論比能量（

W0

）：指單位質(zhì)量或單位體積電池反應(yīng)物質(zhì)完全放電時理論上所能輸出的能量。實際比能量（

W

）：單位質(zhì)量或單位體積電池反應(yīng)物質(zhì)所能輸出的實際能量，由電池實際輸出能量與電池質(zhì)量（或體積）之比來表征W

W 和 W

WG V225

電池的基本參數(shù)23□

實際比能量與理論比能量的關(guān)系可以表示如下：W

W0

KE

KRKm其中，KE

：電壓效率；KR：為反應(yīng)效率；Km：為質(zhì)量效率。由于電池組安裝需要電池箱、連接線、電流電壓保護裝置等元器件，因此實際的電池組比能量比電池比能量還要下降一些。電池比能量與電池包比能量之間的差距越小，電池組的成組設(shè)計水平越高，電池包的集成度越高。5

電池的基本參數(shù)□

理論功率為：024t tP

W0

C0E

IE：是恒定的放電電流

。t

：為放電時間

；C0：是電池的理論容量

；I□

實際功率為：P

IV

I(E

IR)

IE

I

2R0 w wI

2

R

：消耗于電池內(nèi)阻上的功率w5.5功率與功率密度功率：電池在一定的放電制度下，單位時間內(nèi)電池輸出的能量，單位為瓦（W）或千瓦（kW）。5

電池的基本參數(shù)5.5功率與功率密度功率密度：單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率稱為功率密度，又稱比功率，單位為W/kg或W/L。評價電池及電池組是否滿足電動汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。蓄電池的放電深度（DOD，Depth

of

Discharge）與功率密切相關(guān)。因此，在表示蓄電池功率和比功率時還應(yīng)該指出放電深度

。255

電池的基本參數(shù)CeC

SOC

:為電池剩余的按額定電流放電的可用容量Ce:為額定容量；C

□

SOC的影響因素比較多，例充放電倍率、溫度、自放電、老化等□

修正公式：SOC

26剩余容量額定容量

容量衰減因子剩余容量=額定容量-凈放電量-自放電量-溫度補償容量5.6荷電狀態(tài)□

電池荷電狀態(tài)（SOC：是英文State

of

Charge的縮寫）：描述了電池的剩余電量，是電池使用過程中的重要參數(shù)，與電池的充放電歷史和充放電電流大小有關(guān)。5

電池的基本參數(shù)275.6荷電狀態(tài)□

常用的SOC估計算法：開路電壓、安時累積、電化學(xué)測試、電池模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、阻抗頻譜以及卡爾曼濾波等

（第七章講解）5.7電池健康狀態(tài)電池健康狀態(tài)（State

of

Health，

SOH）表征當(dāng)前電池相對于新電池存儲電能的能力，以百分比的形式表示電池從壽命開始到壽命結(jié)束期間所處的狀態(tài)，用來定量描述當(dāng)前電池的性能狀態(tài)。目前SOH的含義重要體現(xiàn)在容量、電量、內(nèi)阻、循環(huán)次數(shù)和峰值功率等幾個方面。5

電池的基本參數(shù)Q28Qnew

maxSOH

aged

max

100%□

容量定義SOHSOH

Caged

100%C

rated式中，Caged

為電池當(dāng)前容量；Crated

為電池額定容量?！?/p>

電量定義SOH式中，Q 為當(dāng)前電池最大放電電量；aged

maxQnew

max為新電池最大放電電量。5

電池的基本參數(shù)□

內(nèi)阻定義SOHSOH

REOL

RC

100%RNEW

RC式中，REOL

為電池壽命結(jié)束時的內(nèi)阻；RC

為當(dāng)前電池的內(nèi)阻；Rnew

為新電池的內(nèi)阻。□

剩余循環(huán)次數(shù)定義SOHSOH

Cntremain

100%Cnttotal式中，Cntremain

為電池剩余循環(huán)次數(shù)；Cnttotal

為電池的總循環(huán)次數(shù)。295

電池的基本參數(shù)305.8電池功率狀態(tài)電池功率狀態(tài)（State

of

Power，SOP），SOP是基于不同SOC、不同溫度等條件下電池組能夠支撐的最大放電功率或者充電功率。鋰電池的允許充放電電流值在不同SOC，不同溫度下是不同的，因此產(chǎn)生了電池功率狀態(tài)SOP的概念（具體計算方法在第7章詳細(xì)介紹）。5.9溫度性能溫度特性：表示動力電池性能因溫度的變化而變化的性能。溫度換算：將不同溫度下的動力電池容量、電解質(zhì)比重等參數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)溫度下的值的過程

。溫度系數(shù)：電池可用容量相對于標(biāo)準(zhǔn)溫度下可用容量的比值。5

電池的基本參數(shù)5.10放電性能自放電：指蓄電池內(nèi)部自發(fā)的或不期望的化學(xué)反應(yīng)造成可用容量自動減少的現(xiàn)象。自放電率：：指電池在存放時間內(nèi)，在沒有負(fù)荷的條件下自身放電時，電池容量的損失速度。自放電率

Aha

Ahb

100%31Ahat式中，Aha

為電池儲存時的容量(Ah)；Ahb

為電池儲存以后的容量(Ah)；t 電池儲存的時間（天或月）?！?/p>

自放電率通常與時間和環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高自放電現(xiàn)象越明顯，所以電池久置時要定期補電，并在適宜的溫度和濕度下儲存。5

電池的基本參數(shù)放電電流用C/n來表示，C為額定容量，n為一定的放電電流。32倍率：電池在規(guī)定的時間內(nèi)放出其額定容量所輸出的電流值。它在數(shù)值上等于額定容量的倍數(shù)。放電深度（Depth

of

Discharge，DOD）是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，DOD

=

1-SOC。放電制度就是電池放電時所規(guī)定的各種條件，包括放電速率（電流）、終止電壓和溫度等。放電電流□

放電電流：電池放電時的電流大小，通常用放電率表示，放電率是指電池放電時的速率，有時率或倍率兩種表示形式。時率：以一定的放電電流放完額定容量所需的時間（h），5

電池的基本參數(shù)332.

終止電壓終止電壓：電池放電時，電壓下降到不宜再繼續(xù)放電的最低工作電壓。影響因素：1.

電池材料體系3.

放電率2.

電池結(jié)構(gòu)4.

環(huán)境溫度分析：低溫大電流放電時，電極的極化大，活性物質(zhì)不能充分利用，電池的電壓下降較快。故在低溫或大電流（高倍率）放電時，終止電壓可規(guī)定得低些。同理，小電流放電時，終止電壓可規(guī)定得高些。5

電池的基本參數(shù)345.11使用壽命循環(huán)壽命是評價蓄電池使用的技術(shù)經(jīng)濟性的重要參數(shù)。蓄電池經(jīng)歷一次充電和放電，稱為一次循環(huán)，或者一個周期。在一定放電制度下，二次電池的容量降至某一規(guī)定值之前，電池所能耐受的循環(huán)次數(shù)被稱為循環(huán)壽命

。循環(huán)壽命受蓄電池DOD影響，因此循環(huán)壽命的表示還要同時指出放電深度DOD。例如，蓄電池循環(huán)壽命400次/100%DOD或1000次/50%DOD。循環(huán)壽命的差異：蓄電池中，鋅銀蓄電池的循環(huán)壽命最短，一般只有30～100次；鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命為300～500次；鋰離子電池的使用周期較長，可充放電1000次以上。5

電池的基本參數(shù)35隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，二次電池容量衰減是個必然的過程。這是因為在充放電循環(huán)過程中，電池內(nèi)部會發(fā)生一些不可逆的過程，引起電池放電容量的衰減，這些不可逆的因素主要如下：1.電極活性表面積在充放電過程中不斷減小，使工作電流密度上升，極化增大；電極上活性物質(zhì)脫落或轉(zhuǎn)移；在電池工作過程中，某些電極材料發(fā)生腐蝕；在循環(huán)過程中電極上生成枝晶，造成電池內(nèi)部微短路；隔膜的老化和損耗；6.活性物質(zhì)在充放電過程中發(fā)生不可逆晶形改變，因而使活性降低。5

電池的基本參數(shù)□

貯存壽命：電池在長期擱置后容量會發(fā)生變化，這種特性稱為貯存性能。電池在貯存期間，雖然沒有放出電能量，但是在電池內(nèi)部總是存在著自放電現(xiàn)象。這種自放電的大小通過電池容量下降到某一規(guī)定容量所經(jīng)過的時間來表示，即儲存壽命（或稱擱置壽命）。5.12不一致性電池的不一致性 ：同一規(guī)格、同一型號電池在電壓、內(nèi)阻、容量、充電接受能力、循環(huán)壽命等參數(shù)存在的差別。電池不一致性一般以電壓差、容量差、內(nèi)阻差的統(tǒng)計規(guī)律進行表示

。365

電池的基本參數(shù)375.13成本□

電池成本一般以電池單位容量或能量的成本進行表示，單位為元/Ah或元/kWh。對于不同類型或同類型不同生產(chǎn)廠家、不同型號的電池可以進行比較。5.14效率□

能量效率

：

放電能量與充電能量之比。電池的能量效率是整車能量效率的重要組成部分。00d dc ct0

V (t)I

(t)dtt1

V (t)I

(t)dt

100%

式中，Vd

為電池放電時的端電壓；

Id

為電池放電時的電流；Vc為電池充電時的端電壓；

Ic

為電池充電時的電流；5

電池的基本參數(shù)38□

庫侖效率：指放電時從電池中釋放的電量除以恢復(fù)到初始容量所需的電量的百分比。5.15記憶效應(yīng)記憶效應(yīng)是指電池經(jīng)過長期淺充放電循環(huán)后，進行深放電時，表現(xiàn)出明顯的容量損失和放電電壓下降，經(jīng)數(shù)次全充/放電循環(huán)后，電池特性即可恢復(fù)的現(xiàn)象。電池的記憶效應(yīng)主要有以下方面的表現(xiàn)：①放電電壓偏低；②放電容量偏低；③極板發(fā)生變化。6

電池應(yīng)用常見問題(1)過充電：動力電池完全充電后仍延續(xù)充電的現(xiàn)象。這可能導(dǎo)致電池內(nèi)壓升高、電池變形、漏液等情況的發(fā)生，電池的性能也會顯著降低和損壞。(2)過放電：動力電池放電低于放電終止電壓的放電現(xiàn)象。這時繼續(xù)放電就可能會造成電池內(nèi)壓升高，正、負(fù)極活性物質(zhì)的可逆性遭到破壞，使電池的容量產(chǎn)生明顯減少。(3)內(nèi)短路：動力電池隔膜的失效導(dǎo)致正極和負(fù)極接觸，會引發(fā)電池內(nèi)短路。(4)外短路：電池受外部碰撞、電池內(nèi)部浸水、電解液泄漏、電池正負(fù)極被導(dǎo)線連接等情況都會造

成電池的外短路。396

電池應(yīng)用常見問題(5)過熱：許多情況下會造成電池異常發(fā)熱，例如在過充電和過放電期間發(fā)生副反應(yīng)、外部短路、內(nèi)部

短路、冷卻系統(tǒng)散熱能力不足等。(6)反極：動力電池正常極性發(fā)生改變的現(xiàn)象。一種是指組裝電池組時個別單體電池的極性與設(shè)計規(guī)定相反；另一種是指多個單體電池串聯(lián)成的電池組，由于過放電引起其中個別容量較小的單體電池的正極電動勢低于負(fù)極。電池長期反極而不予糾正將會失效甚至引發(fā)爆炸。406

電池應(yīng)用常見問題(7)漏液：電解液泄漏到動力電池外部的現(xiàn)象。(8)傳感器故障：主要分為三類，即電壓傳感器故障、電流傳感器故障和溫度傳感器故障。(9)電池連接件故障：由電池端子之間的不良連接引起的。(10)冷卻系統(tǒng)故障：在電池外部環(huán)境溫度較高或者電池內(nèi)部放熱較多條件下，電池系統(tǒng)將無法維持在適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟确秶?1□

簡述蓄電池的類型和分類依據(jù)；簡述動力電池的基本工作原理；簡述電池的基本結(jié)構(gòu)；簡述電池組和電池包的構(gòu)成方式；電池的基本參數(shù)有哪些？思考□

簡述電池內(nèi)阻的構(gòu)成及主要影響因素；簡述電池發(fā)生極化現(xiàn)象的原因；簡述電池一致性的概念、分類及機理，有哪些提高電池一致性的措施？電池應(yīng)用過程存在哪些常見問題？思考《電動車輛動力電池系統(tǒng)及應(yīng)用技術(shù)》第三章

鋰離子動力電池王震坡

孫逢春

劉鵬

編著北京理工大學(xué)簡要概述工作原理正極材料負(fù)極材料失效機理基本性能應(yīng)用前景2主要內(nèi)容1.1概況自20世紀(jì)90年代鋰離子電池面世以來，就以其能量密度高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好成為動力電池應(yīng)用領(lǐng)域研究的熱點。2021

年，全球鋰離子電池市場規(guī)模達到

545GWh，其中，中國的規(guī)模超過了半壁江山。截至

2021

年底，中國動力電池產(chǎn)能約占全球的

70%，世界

10

大鋰電池廠家當(dāng)中，中國占據(jù)6

席。2022年我國鋰離子電池產(chǎn)量同比增長超130%，行業(yè)總產(chǎn)值突破1.2萬億元；全國新能源汽車動力電池裝車量約295GWh，儲能鋰電累計裝機增速超過130%；全國鋰電出口總額3426.5億元，同比增長86.7%。31

簡要概述1.2鋰離子電池優(yōu)點工作電壓高鈷酸鋰鋰離子電池工作電壓為3.6V，錳酸鋰為3.7V，磷酸鐵鋰為3.2V，而鎳氫、鎳鎘電池的工作電壓僅為1.2V。比能量高先進鋰離子電池：磷酸鐵鋰材料+石墨烯和磷酸鐵錳鋰高比能量的正極材料，電池單體的系統(tǒng)比能量達到220W·h/kg。新型鋰離子電池：如高容量三元材料及其動力電池，電池單體比能量達到350W·h/kg以上，系統(tǒng)達到250W·h/kg以上。新體系電池：如富鋰錳基固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰空氣電池、全固態(tài)電池等。鋰硫電池系統(tǒng)比能量達到了400W·h/kg。41

簡要概述51.2鋰離子電池優(yōu)點循環(huán)壽命長磷酸鐵鋰電池使用80%后進行快充，可以安全達到4000～5000次循環(huán)；使用70%后進行快充，可以保證7000～8000次循環(huán)自放電小鋰離子電池月自放電率僅為總電容量的5~9%，大大緩解了傳統(tǒng)的二次電池放置時由自放電所引起的電能損失問題。無記憶效應(yīng)環(huán)保性高鋰離子電池中不包含汞、鉛、鎘等有害物質(zhì)，是真正意義上的綠色電池。1

簡要概述62

鋰離子動力電池工作原理

正極充放電反應(yīng)為：

LiMO

Li MO+xLi+

+xe-2 1-x 2負(fù)極充放電反應(yīng)為：

nC

xLi

xe-

Li

Cx n電池總反應(yīng)為：

LiMO2

nC

Li1

x

MO2

LixCn式中M代表Co，Ni，W，Mn等金屬元素。鈷酸鋰鋰離子電池以及其他類型鋰離子電池的工作原理圖和此類似72

鋰離子動力電池工作原理82

鋰離子動力電池工作原理根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料不同，鋰離子電池可以分為液態(tài)鋰離子電池(lithiumionbattery,

簡稱為LIB)和聚合物鋰離子電池(polymer

lithium

ion

battery,

簡稱為LIP)兩大類。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)不同,

鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質(zhì)來代替。目前鋰離子電池大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。不論是液態(tài)鋰離子電池還是聚合物鋰離子電池，他們的工作原理基本一致。92

鋰離子動力電池工作原理鋰離子電池在原理上實際是一種鋰離子濃差電池,正負(fù)電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成,正極采用鋰化合物L(fēng)ixCoO2或LixNiO2

,

LixMn2O2

,負(fù)極采用鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6

,電解質(zhì)常為LipF6和LiAsF6等有機溶液。NCM622

正極材料石墨負(fù)極材料3

鋰離子動力電池正極材料10鋰離子二次電池正極材料是具有能使鋰離子較為容易地嵌入和脫出，并能同時保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一類化合物——嵌入式化合物。目前，被用來作為電極材料的嵌入式化合物均為過渡金屬氧化物。充放電循環(huán)過程中，鋰離子會在金屬氧化物的電極上進行反復(fù)的嵌入和脫出反應(yīng)，因此金屬氧化物結(jié)構(gòu)內(nèi)氧的排列和其穩(wěn)定性是電極材料的一個重要指標(biāo)。3

鋰離子動力電池正極材料作為嵌入式電極材料的金屬氧化物，依其空間結(jié)構(gòu)的不同主要可分為以下三種類型。層狀化合物 尖晶石型結(jié)構(gòu) 橄欖石型結(jié)構(gòu)113

鋰離子動力電池正極材料3.1層狀化合物鈷酸鋰LixCoO2是最早用于商品化二次鋰離子電池的正極材料。優(yōu)點：鈷酸鋰具有放電電壓高、性能穩(wěn)定、易于合成等優(yōu)點；缺點：鈷資源稀少,價格較高，并且有毒污染環(huán)境；應(yīng)用：手機和筆記本等中小容量消費類電子產(chǎn)品。層狀化合物示意圖123.1層狀化合物鎳酸鋰LixNiO2鎳與鈷的性質(zhì)非常相近，而價格卻比鈷低很多,并且對環(huán)境污染較小。比較常用的制備方法也是高溫固相法,即鋰鹽與鎳鹽混合在700~850°C經(jīng)固相反應(yīng)而成。工作電壓范圍為2.5~4.1V，被視為鋰離子電池中最有前途的正極材料之一。133

鋰離子動力電池正極材料3

鋰離子動力電池正極材料143.1層狀化合物鎳酸鋰LixNiO2不足之處：在制備三方晶系時容易產(chǎn)生立方晶系，特別是當(dāng)反應(yīng)溫度大于900°C時，鎳酸鋰將由三方晶系全部轉(zhuǎn)化為立方晶系，而在非水電解質(zhì)溶液中，立方晶系沒有電化學(xué)活性?？筛倪M制備方法，如通過軟化學(xué)合成方法來降低反應(yīng)溫度，以抑制立方晶系的生成。同時，可采用摻雜的方法(常用的摻雜元素有Ti、AI、Co、Ca等)進行改性，抑制在充放電過程中發(fā)生的相轉(zhuǎn)變，以進一步提高熱穩(wěn)定性和電化學(xué)性能。3

鋰離子動力電池正極材料3.2尖晶石型結(jié)構(gòu)LiMn2O4是尖晶石型嵌鋰化合物中的典型代表。Mn元素含量豐富,價格便宜毒性遠小于過渡金屬Co、Ni等。理論放電容量148mAh/g，實際放電容量是110至120mAh/g。常用的制備方法：熔融浸漬法，即把鋰鹽與錳鹽混合均勻，然后加熱至鋰鹽的熔點，利用氧化錳的微孔毛細(xì)作用使熔融的鋰鹽充分滲透到氧化錳的微孔中，通過增加反應(yīng)物之間的接觸面積，并加快了固相反應(yīng)的反應(yīng)速率。尖晶石型的結(jié)構(gòu)示意圖153

鋰離子動力電池正極材料電極極化引起的內(nèi)阻增大等。

163.2尖晶石型結(jié)構(gòu)LiMn2O4主要缺點：電極的循環(huán)容量容易迅速衰減。原因主要有:正八面體空隙發(fā)生變化產(chǎn)生四方畸變，在充放電過程中在電極表面易形成穩(wěn)定性較差的四方相；Mn易溶解于電解液，而造成Mn的流失；3

鋰離子動力電池正極材料力電池。17尖晶石型結(jié)構(gòu)利用摻雜金屬離子(如Cr、Fe、Zn、Mg等)來穩(wěn)定錳酸鋰的尖晶石結(jié)構(gòu)是目前解決其循環(huán)容量衰減的最有效方法之一。目前，錳酸鋰鋰離子電池已經(jīng)在大量示范應(yīng)用的電動汽車上進行應(yīng)用。2008年北京奧運期間運行應(yīng)用的純電動客車、2010年上海世博會應(yīng)用的部分電動客車就采用了90Ah單體的錳酸鋰鋰離子電池。日產(chǎn)公司推出的Leaf純電動汽車、三菱公司推出的i-MiEV純電動汽車也均采用了該類型鋰離子動3

鋰離子動力電池正極材料橄欖石型的結(jié)構(gòu)示意圖3.3橄欖石型結(jié)構(gòu)LiFePO4在自然界以磷鐵鋰礦的形式存在，屬于橄欖石型結(jié)構(gòu)。實際容量可高達165mAh/g

,已經(jīng)非常接近理論容量，工作電壓范圍為3.2V左右。強共價鍵作用使其在充放電過程中能保持晶體結(jié)構(gòu)的高度穩(wěn)定，因此具有比其他正極材料更高的安全性能和更長的循環(huán)壽命。另外，原材料來源廣泛、價格低廉、無環(huán)境污染、比容量究的熱點之一。18高等優(yōu)點,使其成為現(xiàn)階段各國競相研3

鋰離子動力電池正極材料3.3橄欖石型結(jié)構(gòu)LiFePO4正極材料常用的合成方法有高溫固相法，工藝簡單，易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但產(chǎn)物粒徑不易控制，形貌也不規(guī)則，并且在合成過程中需要惰性氣體保護。利用水熱法可以在水熱條件下直接合成，由于氧氣在水熱體系中的溶解度很小，所以水熱合成不再需要惰性氣體保護，而且產(chǎn)物的粒徑和形貌易于控制。目前，該類正極材料的缺點主要是低電導(dǎo)率的問題，有效的改進方法主要有表面包覆碳膜法和摻雜法。目前，國內(nèi)建設(shè)的大型鋰離子動力電池生產(chǎn)廠如比亞迪、杭州萬向、天津力神等，均以該類型電池產(chǎn)業(yè)化為主要目標(biāo)。在國內(nèi)裝車示范的電動汽車中該類型電池也已經(jīng)成為主流產(chǎn)品之一。193

鋰離子動力電池正極材料203.4三元材料三元材料[Li-Ni-(Co)-Mn-O]是目前最有前途的鋰離子電池正極材料之一。三元材料可以看成是Li-Ni-O正極材料的衍生體系，當(dāng)采用其他元素如Mn、Co、Al替代Ni后，材料的倍率性能和安全性能得到了極大的改善。隨著Ni、Co、Mn組分的比例的變化，材料的比容量、安全性等諸多性能能夠在一定程度上實現(xiàn)可調(diào)控。Co的摻雜會降低電極材料的阻抗，而Al的摻雜會提高材料的阻抗，但能夠提高材料的熱穩(wěn)定性，降低放熱量。三元鋰電池憑借其在電性能、安全性能、比能量以及成本和應(yīng)用技術(shù)上的綜合優(yōu)勢，將在動力電池領(lǐng)域展現(xiàn)出更為廣闊的前景。3

鋰離子動力電池正極材料213.5納米化正極材料納米化可改善鋰離子電池的電化學(xué)性能，尤其是快速充放電性能，是鋰離子電池正極材料的重要發(fā)展方向之一。人們用各種方法，制備了多種形態(tài)的納米正極材料，如多孔結(jié)構(gòu)的LiCoO2納米花球、LiNiO2納米球、LiMnO2納米顆粒組成的薄膜和LiFePO4納米多面體等。納米正極材料的尺寸小、Li+嵌脫路徑短，能更好地釋放嵌脫鋰的應(yīng)力，加速Li+擴散，提高快速充放電能力。3

鋰離子動力電池正極材料223.5納米化納米正極材料的表面張力比普通正極材料大，嵌鋰過程中，溶劑分子難以進入材料的晶格，因此可阻止溶劑分子的共嵌，延長電池的循環(huán)壽命；納米正極材料的比表面積較大，與電解液的接觸面積大，能提供更多的鋰離子嵌脫位置；納米正極材料表面的高孔隙率也使嵌鋰空位增多，具有比普通正極材料更高的容量。4

鋰離子動力電池負(fù)極材料負(fù)極材料是決定鋰離子電池綜合性能優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。比容量高、容量衰減率小、安全性能好是對負(fù)極材料的基本要求。目前，常用的負(fù)極材料如下圖所示。23244

鋰離子動力電池負(fù)極材料4.1碳材料碳材料是目前商品化的鋰離子電池應(yīng)用最為廣泛的負(fù)極材料。碳負(fù)極材料包括了石墨、無定型碳，其中石墨又分為天然石墨、人造石墨和石墨化碳；無定型碳分為硬碳和軟碳。石墨具有完整的層狀晶體結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的脫嵌，其理論容量為372mAh/g，充放電效率通常在90%以上。鋰在石墨中的脫/嵌反應(yīng)主要發(fā)生在0～0.25V之間，具有良好的充放電電壓平臺，與提供鋰源的正極材料匹配性較好，所組成的電池平均輸出電壓高，是一種性能較好的鋰離子電池負(fù)極材料。4

鋰離子動力電池負(fù)極材料254.2氧化物氧化物是當(dāng)前人們研究的另一種負(fù)極材料體系，包括金屬氧化物、金屬基復(fù)合氧化物和其它氧化物。前兩者雖具有較高理論比容量，但因從氧化物中置換金屬單質(zhì)消耗了大量的鋰，從而而導(dǎo)致巨大的容量損失；L??????

、L?????

等氧化物負(fù)極材料具有較好的循環(huán)性能，但由于其比容量低，目前為止并沒有獲得廣泛深入的研究。Li4Ti5O12具有尖晶石結(jié)構(gòu)，充放電曲線平坦，放電容量為150mAh/g，具有非常好的耐過充、過放特征。充放電過程中晶體結(jié)構(gòu)幾乎無變化(零應(yīng)變材料)，循環(huán)壽命長，充放電效率近100%。目前在儲能型鋰離子電池中有所應(yīng)用。4

鋰離子動力電池負(fù)極材料264.3金屬及合金類金屬鋰是最先采用的負(fù)極材料，理論比容量3860mAh/g，20世紀(jì)70年代中期，金屬鋰在商業(yè)化電池中得到應(yīng)用。但因充電時，負(fù)極表面易形成枝晶，造成電池短路，于是人們開始尋找一種能替代金屬鋰的負(fù)極材料。鋰能與許多金屬在室溫下形成金屬間化合物，由于鋰合金形成反應(yīng)通常為可逆，因此能夠與鋰形成合金的金屬理論上都能夠作為鋰離子電池負(fù)極材料。4

鋰離子動力電池負(fù)極材料274.3金屬及合金類金屬合金最大的優(yōu)勢，就是能夠形成含鋰很高的鋰合金，具有很高的比容量；相比碳材料，合金較大的密度使得其理論體積比容量也較大。同時，合金材料由于加工性能好、導(dǎo)電性好等優(yōu)點，因此被認(rèn)為是極有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N負(fù)極材料。目前研究主要集中在Sn基、Si基、Sb基和Al基合金材料。研究表明，鋰合金負(fù)極材料的充放電機理實質(zhì)上就是合金化與脫合金化反應(yīng)，該過程導(dǎo)致的巨大體積變化是目前亟需克服的問題。28鋰離子動力電池工作過程5

鋰離子動力電池失效機理正極材料的溶解正極材料的相變化電解液的分解過充電造成的容量損失自放電界面膜的形成集流體295

鋰離子動力電池失效機理305.1正極材料的溶解以尖晶石LiMn2O4為例，Mn的溶解是引起LiMn2O4可逆容量衰減的主要原因。Mn的溶解沉積造成正極活性物質(zhì)減少；溶解的Mn游離到負(fù)極時會造成負(fù)極SEI膜的不穩(wěn)定，被破壞的界面膜再形成時會消耗鋰離子,造成鋰離子的減少。5

鋰離子動力電池失效機理315.2正極材料的相變化一般認(rèn)為鋰離子的正常脫嵌反應(yīng)總是伴隨著宿主結(jié)構(gòu)摩爾體積的變化，引起結(jié)構(gòu)的膨脹與收縮，導(dǎo)致氧八面體偏離球?qū)ΨQ性并成為變形的八面體構(gòu)型，這種現(xiàn)象叫做Jahn-Teller效應(yīng)(或J-T扭曲)。在LiMn2O4電池中，J-T效應(yīng)所導(dǎo)致的尖晶石結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變,也是容量衰減的主要原因之一。J-T效應(yīng)多發(fā)生在過放電階段;在起始材料中加入過量的鋰、摻雜Ni、Co、

AI等陽離子或者S等陰離子可以有效的抑制J-T效應(yīng)。5

鋰離子動力電池失效機理325.3電解液的分解鋰離子電池中常用的電解液主要包括由各種有機碳酸酯(如PC、EC、DMC、DEC等)的混合物組成的溶劑以及由鋰鹽(如LiPF6、LiClO4、LiAsF6等)組成的電解質(zhì)。在充電的條件下電解液對含碳電極具有不穩(wěn)定性,故會發(fā)生還原反應(yīng)。電解液還原消耗了電解質(zhì)及其溶劑，對電池容量及循環(huán)壽命產(chǎn)生不良影響。5

鋰離子動力電池失效機理335.4過充電造成的容量損失電池在過充電時，會造成負(fù)極鋰的沉積、電解液的氧化以及正極的分解和氧的損失。這些副反應(yīng)或者消耗了活性物質(zhì)，或者產(chǎn)生不溶物質(zhì)堵塞電極孔隙，或者正極氧損失導(dǎo)致高電壓區(qū)的J-T效應(yīng)，這些都會導(dǎo)致電池容量衰減。5

鋰離子動力電池失效機理5.5自放電鋰離子電池的自放電所導(dǎo)致的容量損失大部分是可逆的，只有一小部分是不可逆的。造成不可逆自放電的原因主要有：鋰離子的損失；電解液氧化產(chǎn)物堵塞電極微孔，內(nèi)阻增大等。345

鋰離子動力電池失效機理355.6界面膜的形成在鋰電池首次循環(huán)時由于電解液和負(fù)極材料在固液相間層面上發(fā)生反應(yīng)，形成一層SEI膜(固體電解質(zhì)界面膜)。第一、SEI膜對負(fù)極材料會產(chǎn)生保護作用，使材料結(jié)構(gòu)不容易崩塌，增加電極材料的循環(huán)壽命。第二、SEI膜在產(chǎn)生過程中會消耗一部分鋰離子，而負(fù)極反應(yīng)過程其實就是一個在碳的層間結(jié)構(gòu)中鋰離子嵌入與脫出的一個過程。所以SEI膜的形成是會降低負(fù)極首次循環(huán)效率的。第三、SEI膜并不只是在負(fù)極表面會產(chǎn)出，在正極表面也會產(chǎn)生，只不過影響比較小。5

鋰離子動力電池失效機理5.7集流體鋰離子電池中的集流體材料常用銅和鋁，兩者都容易發(fā)生腐蝕，集流體的腐蝕會導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，從而造成容量損失。負(fù)極集流體_銅正極集流體_鋁366

鋰離子動力電池的性能6.1充放電特性鋰離子電池通常采用兩段式充電方法。第1階段為恒流限壓，第2階段為恒壓限流。圖中曲線采用的充放電電流均為0.3C。鋰離子電池放電在中前期電壓穩(wěn)定，下降緩慢，但在放電后期電壓下降迅速。376

鋰離子動力電池的性能386.1充放電特性對于不同的鋰離子電池，區(qū)別主要有2點：第1階段恒流值，根據(jù)電池正極材料和制造工藝不同，最佳值存在一定的差別。不同鋰離子電池在恒流時間上存在很大的差別，恒流可充入容量占總體容量的比例也存在很大差別。6.1充放電特性充電特性的影響因素①

充電電流對充電特性的影響②

放電深度對充電特性的影響③

充電溫度對充電特性的影響6

鋰離子動力電池的性能39充電特性的影響因素①

充電電流對充電特性的影響以某額定容量242Ah的NCM鋰離子電池為例，在SOC=0%，恒溫20℃情況下，采用不同充電率充電。6

鋰離子動力電池的性能40充電特性的影響因素①

充電電流對充電特性的影響通過大量試驗證明，在充電過程中鋰離子電池的內(nèi)阻變化在0.4mΩ之內(nèi)。因此電池內(nèi)阻能耗與充電時間基本呈線性關(guān)系，而同充電電流成平方關(guān)系。從充電曲線可以看出，在充電1.5小時后，各條充電曲線趨于相似，充電電流相差不大。416

鋰離子動力電池的性能充電特性的影響因素①

充電電流對充電特性的影響因此，在此之前，充電電流將是內(nèi)阻能耗的主要影響因素，電流大的能耗大；在此之后，充電時間將是內(nèi)阻能耗大小的主要影響因素，充電時間長的能耗大。對充電過程進行綜合考慮，由于充電電流與內(nèi)阻能耗成平方關(guān)系，是影響內(nèi)阻能耗的主要因素，所以充電電流大的內(nèi)阻能耗大。在實際電池應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮充電時間和效率，選擇適中的充電電流。426

鋰離子動力電池的性能充電特性的影響因素②

放電深度對充電特性的影響在恒溫20℃，對額定容量100Ah鋰離子電池從不同初始SOC值開始，以0.3C恒流限壓進行充電。曲線從左到右前期放電容量依次為10、20、30、40、50、60、80Ah。6

鋰離子動力電池的性能43充電特性的影響因素②

放電深度對充電特性的影響結(jié)論：隨放電深度增加，充電所需時間增加，但平均每單位容量所需的充電時間減少，即充電時間的增加同放電深度不成正比增加；隨放電深度增加，恒流充電時間所占總充電時間比例增加，恒流充電容量占所需充入容量的比重增加；隨放電深度增加，等安時充放電效率有所降低，但降低幅度不大。446

鋰離子動力電池的性能充電特性的影響因素③

充電溫度對充電特性的影響在不同環(huán)境溫度下對鋰離子電池進行充電，以某額定容量66.2Ah的NCM鋰離子電池為例，采用恒流限壓方式，記錄充電截止條件為充電電流下限為1.3A和3.3A的充電參數(shù)。456

鋰離子動力電池的性能環(huán)境溫度/℃充電電流降至1.3A充電電流降至3.3A充入容量/（Ah）充入能量/（Wh）充電時間/h充入容量/（Ah）充入能量/（Wh）充電時間/h-1057.70227.273.7557.57226.743.69060.99239.202.7360.19235.712.511066.59259.322.1563.10246.491.80充電特性的影響因素③ 充電溫度對充電特性的影響隨環(huán)境溫度降低，電池的可充入容量明顯降低，而充電時間明顯增加。-10℃同10℃相比，相同的充電結(jié)束電流，可充入容量和能量降低8%~13%。若以3.3A為充電結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)，則電池在-10℃時僅充入在此溫度下可充入容量或能量的86%。但降低充電結(jié)束電流，就意味著充電時間的大幅增加。在冬季低溫情況下，電池可充入容量低，因此，為了防止電池過放電，必須主動降低電池的可用容量。466

鋰離子動力電池的性能放電特性影響因素在放電特性方面，主要討論不同環(huán)境溫度下，不同放電率對鋰離子電池放電特性的影響。仍以某額定容量66.2Ah的NCM鋰離子電池為例，在環(huán)境溫度20℃情況下，將電池充滿電，分別在-25℃、0℃、25℃進行不同放電電流下的放電試驗。（結(jié)果見下頁）在室溫情況下對電池充電，在不同溫度下對電池放電，由測試結(jié)果可知，溫度對電池可放出能量的影響大于對電池放電容量的影響。476

鋰離子動力電池的性能放電特性影響因素486

鋰離子動力電池的性能放電電流/A250℃-25℃容量/（Ah）能量/（Wh）容量/（Ah）能量/（Wh）容量/（Ah）能量/（Wh）13.2368.95255.2362.41230.4956.50196.3521.8568.21251.6661.61225.7056.41193.6433.1267.54248.1261.17222.0056.46191.5166.2066.81242.3161.16217.3656.78190.04放電特性影響因素在低溫情況下，電池的放電電壓較低，尤其在放電初期同樣的放電電流下，電池電壓將出現(xiàn)一個急劇的下降，所以放電能量偏低；在放電中期，放電消耗在電池內(nèi)阻上的能量使得電池自身溫度升高，鋰離子電池活性物質(zhì)活性增加，電池電壓有所升高，因此可放出能量增加；在放電后期，