鉅大LARGE | 點擊量：11264次 | 2020年09月25日
鋰電池是如何儲存電量的
特斯拉ModelS采用18650圓柱形鋰電池——這點基本已是路人皆知了,但這種電池的內部構造是什么樣的?它是如何工作的?為什么可以實現充放電功能,它的性能由什么決定?電池除了圓柱形以外還有什么其它形態?你清楚嗎?本期來為大家解讀.
你一定曾想象過,把鋰電池單體扒開,看看里面到底有什么.當然這樣做是很危險的,我們可以用模擬的方式帶大家了解鋰電池內部的構造.
電池被打開后,可以清晰的看到內部構成的材料和構造形態,它的正電極是由金屬鋁制成,負電極是由金屬銅制成.之間還有電解液和石墨,并且在兩個電極之間還有一層隔膜.這就是一個18650圓柱形電池的基本構成形態.
之所以鋰電池要選擇鋰這種金屬元素作為核心材料,是因為鋰在元素周期表中屬于比較活潑的金屬,比較容易失去電子.所以用鋰作為電池材料可以提高單體電壓.
電解液中的鋰離子(離子狀態的鋰元素)需要在電池中能夠充分流動,但電子必須被隔絕,否則會引起短路.
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%
在不帶電狀態下,鋰離子和電子都被束縛在了正極一端,鋰離子會與正極材料形成化合物,此時處于穩定狀態,但電池本身不具備什么電勢能.
一旦給電池充電,電子就會隨著外部導線在外部電源的作用下移動到負級,并儲存在負級材料中,鋰離子也會透過隔膜被吸引到負級材料中儲存,此時電池處于高勢能狀態(也就是帶電狀態).負級材料由石墨制成,由于石墨具有蓬松的孔狀結構,所以能夠束縛電子.負級發生的并非化學反應,而是物理反應,鋰離子和電子并沒有在負級形成化合物,而是通過物理手段把他們束縛住,從而產生電勢能.
一旦給電池接入外部負載,電子就會隨著導線流入正極,從而驅動負載做功,此時鋰離子也會透過隔膜返回到正極材料中.在正極材料中,鋰離子和電子再次相遇,形成穩定狀態的化合物.
當然,如果正負極之間的隔膜一旦失去絕緣作用,電子直接從電池內部奔向正極就會形成短路,從而引發爆炸,所以隔膜的穩定性對鋰離子電池的安全起到了至關重要的作用.
隔膜是一種化學材料,它具備兩個重要特性:既可以絕緣(防止電子通過)又可以透氣(能夠讓鋰離子順利通過)
▲可以阻隔電子流動但不會阻隔鋰離子流動的隔膜
在一個新的電池單體開始工作時,隨著鋰離子透過隔膜的左右遷移(從正極到負極,從負極到正極的過程),會在隔膜的負級一側形成一層SEI鈍化層,這個鈍化層可以讓電池變得更加穩定,研發人員通過大量實驗計算出了最佳的厚度.這個過程大概需要消耗掉5%左右的鋰離子,所以會影響一部分電池容量.
在18650電池當中,負級的電極是由銅制成的,正極則是由鋁制成的.將石墨涂抹到正極材料上,再將鋰化合物涂抹到負級材料上就形成了電極.
▲在電極之間插入隔膜就形成了鋰電池的雛形
再將電極和隔膜蜷曲成圓柱形再加入電解液,然后密封,就形成了我們需要的圓柱形18650鋰電池.
18650電池的放電電壓為3伏到4.2伏,在放電過程重,電壓也會隨之降低,一旦單體電壓低于3伏就會有損壞的風險.
所以我們需要一套電池管理系統來保護每一個電池單體不被過度充放電,這套系統簡稱BMS.在每一個由單體構成的電池組中都配備了一套BMS控制系統.
由于環境溫度對電池的充放電影響極大,要想讓這么多電池單體在盡可能相同的溫度下工作,還需要設計一套冷卻系統.特斯拉采用了乙二醇作為冷卻介質,也就是我們俗稱的水冷系統.這套系統可以保證每個電池單體的溫度盡可能一致,從而保證充放電程度盡可能一致.
日產LEAF采用的是軟包電池單體,它的電極沒有被卷曲,而是直接層疊而成,原理與上面介紹的圓柱形電芯一致,只是外部形態看起來有所區別,物理特性上也會由一些區別.特斯拉ModelS采用的是圓柱形電芯構成的電池組.
軟包形的電池單體在設計成電池組時,單體與單體之間縫隙更小.所以同樣帶電量的情況下,軟包電池的體積更小.空間利用率更高,便于電動車的總布置.并且軟包電芯比圓柱形電芯有更好的防穿刺安全性能.當然,圓柱形電池由于其卷曲工藝,使得能量密度相對較高,并且電芯之間通過布置乙二醇水冷系統可以讓電池更加穩定的工作.特斯拉新款的Model3采用的21700電芯仍然是圓柱形.
■總結
從電池的構造和原理不難了解,電池的帶電性能(包括能量密度和充放電性能)主要取決于正極材料的失去電子能力.從元素周期表中不難發現,鋰是最適合作為正極材料的金屬材質.而負級材料的攜帶電子和離子性能也決定了電池的能量密度.目前最主流的包括18650電池上使用的是石墨.這種材料價格便宜,表面孔洞密度高,在天然材質中是屬于平衡成本和效益的最佳材質.當然研發人員也在嘗試用硅作為負級材料,它擁有比石墨更好的物理性能.另外,通過人工制造的納米材料也可以用于負級,負級材質孔洞越小能夠攜帶的電子就越多,不過后者還處于實驗室研發階段.
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