动力电池详解

1、电*曲电池中电化学反应覃理留新能源汽车电池详解电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电池原理在化学电池中，化学能直接转变为电能是靠电池内部自发进行氧化、还原等化学反应的结果，这种反应分别在两个电极上进行。负极活性物质由电位较负并在电解质中稳定的还原剂组成，如锌、镉、铅等活泼金属和氢或碳氢化合物等。正极活性物质由电位较正并在电解质中稳定的氧化剂组成，如二氧化钮、二氧化铅、氧化锲等金属氧化物，氧或空气，卤素及其盐类，含氧酸及其盐类等

2、。电解质则是具有良好离子导电性的材料，如酸、碱、盐的水溶液，有机或无机非水溶液、熔融盐或固体电解质等。当外电路断开时，两极之间虽然有电位差（开路电压），但没有电流，存储在电池中的化学能并不转换为电能。当外电路闭合时，在两电极电位差的作用下即有电流流过外电路。同时在电池内部，由于电解质中不存在自由电子，电荷的传递必然伴随两极活性物质电荷在电与电解质界面的氧化或还原反应，以及反应物和反应产物的物质迁移解质中的传递也要由离子的迁移来完成因此，电池内部正常的电荷传递和物质传递过程是保证正常输出电能的必要条件。充电时，电池内部的传电和传质过程的方向恰与放电相反；电极反应必须是可逆的，才能保证反方向传质与

3、传电过程的正常进行。因此，电极反应可逆是构成蓄电池的必要条件。G为吉布斯反应自由能增量（焦）；F为法拉第常数=96500库=26.8安小时；n为电池反应的当量数。这是电池电动势与电池反应之间的基本热力学关系式，也是计算电池能量转换效率的基本热力学方程式。实际上，当电流流过电极时，电极电势都要偏离热力学平衡的电极电势，这种现象称为极化。电流密度（单位电极面积上通过的电流）越大，极化越严重。极化现象是造成电池能量损失的重要原因之一。极化的原因有三：由电池中各部分电阻造成的极化称为欧姆极化；由电极一电解质界面层中电荷传递过程的阻滞造成的极化称为活化极化；由电极一电解质界面层中传质过程迟缓而造成的极化

4、称为浓差极化。减小极化的方法是增大电极反应面积、减小电流密度、提高反应温度以及改善电极表面的催化活性。新能源汽车电池2012年4月18日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，研究部署今年政府信息公开重点工作，讨论通过节能与新能源汽车产业发展规划（20122020年），会议指出，加快培育和发展节能与新能源汽车产业，对于缓解能源和环境压力，推动汽车产业转型升级，培育新的经济增长点，具有重要意义。要以纯电驱动为汽车工业转型的主要战略取向，当前重点推进纯电动汽车和插电式混合动力汽车产业化，推广普及非插电式混合动力汽车、节能内燃机汽车，提升我国汽车产业整体技术水平。争取到2015年，纯电动汽车和插电式

5、混合动力汽车累计产销量达到50万辆，到2020年超过500万辆；2015年当年生产的乘用车平均燃料消耗量降至每百公里6.9升，到2020年降至5.0升；新能源汽车、动力电池及关键零部件技术整体上达到国际先进水平1、新能源汽车电池从全球新能源汽车的发展来看，其动力电源主要包括锂离子电池、馍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器4,其中铅酸电池、超级电容器大多以辅助动力源的形式出现。A:铅酸蓄电池铅酸蓄电池已有100多年的历史，广泛用作内燃机汽车的起动动力源。它也是成熟的电动汽车蓄电池，它可靠性好、原材料易得、价格便宜；比功率也基本上能满足电动汽车的动力性要求。但它有两大缺点；一是比能量低，所占的

6、质量和体积太大，且一次充电行驶里程较短；另一个是使用寿命短，使用成本过高。B:银氢蓄电池馍氢蓄电池属于碱性电池，馍氢蓄电池循环使用寿命较长，无记忆效应，但价格较高。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。目前国外生产电动汽车馍氢蓄电池的公司主要是Ovonie、丰田和松下的一个合资公司。Ovonie现有80A-h和130A-h两种单元电池，其比能量达7580Wh/kg,循环使用寿命超过600次。这种蓄电池装在几种电动汽车上试用，其中一类车一次充电可行驶345km,有一辆车一年中行驶了8万多公里。由于价格较高，目前尚未大批量生产。国内已开发出55A

7、-h和100A-h单元电池，比能量达65W-h/kg,功率密度大于800W/kg的馍氢蓄电池。C:锂离子电池锂离子二次电池作为新型高电压、高能量密度的可充电电池，其独特的物理和电化学性能，具有广泛的民用和国防应用的前景。其突出的特点是：重量轻、储能大、无污染、无记忆效应、使用寿命长。在同体积重量情况下，锂电池的蓄电能力是馍氢电池的1.6倍，是馍镉电池的4倍，并且目前人类只开发利用了其理论电量的20%30%,开发前景非常光明。同时它是一种真正的绿色环保电池，不会对环境造成污染，是目前最佳的能应用到电动车上的电池。我国从二十世纪九十年代开始开发和利用锂离子电池，至今已取得突破性进展，研制出了完全拥

8、有自主知识产权的锂离子电池。D:银镉电池55W-h/kg,比功率馍镉电池的应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达超过190W/kg。可快速充电，循环使用寿命较长，是铅酸蓄电池的两倍多，可达到2000多次，但价格为铅酸蓄电池的45倍。它的初期购置成本虽高，但由于其在能量和使用寿命方面的优势，因此其长期的实际使用成本并不高。缺点是有“记忆效应”，容易因为充放电不良而导致电池可用容量减小。须在使用十次左右后，作一次完全充放电，如果已经有了“记忆效应”，应连续作35次完全充放电，以释放记忆。另外镉有毒，使用中要注意做好回收工作，以免镉造成环境污染。E:钠硫蓄电池钠硫电池的优点：一个是比能量高。其理

9、论比能量为760W,h/kg,实际已大于100W-h/kg,是铅酸电池的34倍；另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200300mA/mm2,并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。钠硫电池缺点，主要其工作温度在300350C,所以，电池工作时需要一定的加热保温。而高温腐蚀严重，电池寿命较短。现在已有采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。也有性能稳定性及使用安全性不太理想等问题。在8090年代，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，

10、并越来越显示其优越性。这方面日本企业进展最为显著。作为近期普遍看好的电动汽车蓄电池，已被美国先进电池联合体(USMABC)列为中期发展的电动汽车蓄电池，德国ABB公司生产的B240K型钠硫蓄电池，其质量为17.5kg,蓄电量19.2Kw-h;比能量达109W-h/kg,循环使用寿命1200次，装车试验时最好的一辆无故障地行驶了2300km。2、电池优势类型2009年2月份，财政部、科技部发出的节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法中提到，对使用铅酸电池和使用馍氢电池、锂离子电池两类的混合动力汽车进行补贴，最高补贴额分别为8万元/辆和42万元/辆。而2010年6月发布的新能源车补贴以电

11、池容量为确定补贴的唯一指标，铅酸电池完全被否定。前期的新能源车定义中包括铅酸电池的项目，而此次明确补贴的动力电池不包括铅酸电池。而且作为混合动力主力的馍氢电池也将很少补贴。可见，在政策层面，锂离子动力电池和超级电容器的最大的获益对象。3、电池价格趋势就价格趋势来看，目前电动汽车用快充锂离子动力电池价格在$1600/kwh左右，普通锂离子动力电池价格在$500/kwh,按照目前美国汽油和电力的价格趋势，在汽车的整个使用周期内，100km续航能力的快充锂离子动力电池电动车使用成本比性能相当的汽油内燃发动机汽车高25%。一旦电动汽车用动力电池价格下降到$200-300/kwh,电动车使用成本将与传统

12、汽车相当。根据预测，在各国相关政策的鼓励下，2020年全球电动汽车用锂离子需求接近50Gwh，快充电池成本2020年有望下降到$400-500/kwh,普通动力电池价格能下降到$200-300/kwh。新能源汽车充电站汽车充电站和汽车加油站相类似，是一种“加电”的设备。是一种高效率的充电器，可以快速的给手机电动车电动汽车等充电。作为南方电网节能和新能源汽车应用的示范试点，广州市首个公共电动汽车充电站2010年11月8号在亚运城投入运行，该充电站位于南沙港快速和京珠高速公路之间，集充电服务设施和营业厅于一身，充电桩24小时提供服务，建起现场购电现场充的快捷通道，也是亚运城的“专属”营业网点。充电

13、站执行南方电网开发的充电技术标准，为电动汽车提供三相充电电源，相比另外一种技术标准采用的单相电源，三相电源单位时间内输出电量是其三倍，充电效率高，花费的时间更短。以额定功率为21千瓦的单台交流充电桩为例，充满一辆电动轿车只需要3个小时，减少了使用电动车的时间成本。该充电站不仅充电便捷，还将在二期建设中引入便利店等便民设施。广州供电局计划到2015年，建成公交充电站61座、公共充电站54座、慢充充电桩80110个，涵盖该市12区县。电网企业将率先试水，引领节能绿色新潮流。化学电池化学电池是指通过电化学反应，把正极、负极活性物质的化学能，转化为电能的一类装置。经过长期的研究、发展，化学电池迎来了品

14、种繁多，应用广泛的局面。大到一座建筑方能容纳得下的巨大装置，小到以毫米计的品种。无时无刻不在为我们的美好生活服务。现代电子技术的发展，对化学电池提出了很高的要求。每一次化学电池技术的突破，都带来了电子设备革命性的发展。现代社会的人们，每天的日常生活中，越来越离不开化学电池了。现在世界上很多电化学科学家，把兴趣集中在作为电动汽车动力的化学电池领域。锂电池以锂为负极的电池。它是60年代以后发展起来的新型高能量电池。按所用电解质不同分为：高温熔融盐锂电池；有机电解质锂电池；无机非水电解质锂电池；固体电解质锂电池；锂水电池。锂电池的优点是单体电池电压高，比能量大，储存寿命长（可达10年），高低温性能好

15、，可在-40150c使用。缺点是价格昂贵，安全性不高。另外电压滞后和安全问题尚待改善。近年来大力发展动力电池和新的正极材料的出现，特别是磷酸亚铁锂材料的发展，对锂电发展有很大帮助。锂电池（Lithiumbattery）是指电化学体系中含有锂（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。电池化学反应原理锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。最早出现的锂电池使用以下反应：Li+MnO2=LiMnO2，该反应为氧化还原反应，放电正

16、极上发生的反应为LiCoO2=充电=Li1-xCoO2+XLi+Xe（电子）负极上发生的反应为6C+XLi+Xe=LixC6电池总反应：LiCoO2+6C=Li1-xCoO2+LixC6正极材料：可选的正极材料很多，目前主流产品多采用锂铁磷酸盐。一、锂电池外壳特性锂，原子序数3,原子量6.941,是最轻的碱金属元素。为了提升安全性及电压，科学家们发明了用石墨及钻酸锂等材料来储存锂原子。这些材料的分子结构，形成了纳米等级的细小储存格子，可用来储存锂原子。这样一来，即使是电池外壳破裂，氧气进入，也会因氧分子太大，进不了这些细小的储存格，使得锂原子不会与氧气接触而避免爆炸。锂离子电池的这种原理，使得

17、人们在获得它高容量密度的同时，也达到安全的目的。锂离子电池充电时，正极的锂原子会丧失电子，氧化为锂离子。锂离子经由电解液游到负极去，进入负极的储存格，并获得一个电子，还原为锂原子。放电时，整个程序倒过来。为了防止电池的正负极直接碰触而短路，电池内会再加上一种拥有众多细孔的隔膜纸，来防止短路。好的隔膜纸还可以在电池温度过高时，自动关闭细孔，让锂离子无法穿越，以自废武功，防止危险发生。保护措施锂电池芯过充到电压高于4.2V后，会开始产生副作用。过充电压愈高，危险性也跟着愈高。锂电芯电压高于4.2V后，正极材料内剩下的锂原子数量不到一半，此时储存格常会垮掉，让电池容量产生永久性的下降。如果继续充电，

18、由于负极的储存格已经装满了锂原子，后续的锂金属会堆积于负极材料表面。这些锂原子会由负极表面往锂离子来的方向长出树枝状结晶。这些锂金属结晶会穿过隔膜纸，使正负极短路。有时在短路发生前电池就先爆炸，这是因为在过充过程，电解液等材料会裂解产生气体，使得电池外壳或压力阀鼓涨破裂,让氧气进去与堆积在负极表面的锂原子反应，进而爆炸。因此，锂电池充电时，一定要设定电压上限，才可以同时兼顾到电池的寿命、容量、和安全性。最理想的充电电压上限为4.2V。锂电芯放电时也要有电压下限。当电芯电压低于2.4V时，部分材料会开始被破坏。又由于电池会自放电，放愈久电压会愈低，因此，放电时最好不要放到2.4V才停止。锂电池从

19、3.0V放电到2.4V这段期问，所释放的能量只占电池容量的3%左右。因此，3.0V是一个理想的放电截止电压。充放电时，除了电压的限制，电流的限制也有其必要。电流过大时，锂离子来不及进入储存格，会聚集于材料表面。这些锂离子获得电子后，会在材料表面产生锂原子结晶，这与过充一样，会造成危险性。万一电池外壳破裂，就会爆炸。因此，对锂离子电池的保护，至少要包含：充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内，除了锂电池芯外，都会有一片保护板，这片保护板主要就是提供这三项保护。但是，保护板的这三项保护显然是不够的，全球锂电池爆炸事件还是频传。要确保电池系统的安全性，必须对电池爆炸的原因，进行更

20、仔细的分析。锲镉电池可充电电池按制作材料和工艺上的不同，常见的有铅酸电池、锲镉电池、锲铁电池、锲氢电池、锂离子电池。具优点是循环寿命长，它们可全充放电200多次，有些可充电电池的负荷力要比大部分一次性电池高。普通锲镉、锲氢电池使用中，特有的记忆效应，造成使用上的不便，常常引起提前失效。干电池的3汽声町一,!?:M43AAC二*常用的一种是碳一锌干电池。负极是锌做的圆筒，内有氯化钱作为电解质，少量氯化锌、惰性填料及水调成的糊状电解质，正极是四周裹以掺有二氧化钮的糊状电解质的一根碳棒。电极反应是：负极处锌原子成为锌离子（Zn+）,释出电子，正极处俊离子（NH4+）得到电子而成为氨气与氢气。用二氧化

21、钮驱除氢气以消除极化。电动势约为1.5伏。铅蓄电池最为常用，具极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸。两极板均覆盖有硫酸铅。但充电后，正极处极板上硫酸铅转变成二氧化铅，负极处硫酸铅转变成金属铅。放电时，则发生反方向的化学反应。铅蓄电池的电动势约为2伏，常用串联方式组成6伏或12伏的蓄电池组。电池放电时硫酸浓度减小，可用测电解液比重的方法来判断。氢氧化铅Pb（OH4），氢氧化铅由4价的铅正离子（Pb4+）和4个氢氧根4（OH）-组成。4价的铅正离子（Pb4+）留在正极板上，使正极板带正电。由于负极板带负电，因而两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。当接通外电路，电流即由正极流向负极

22、。在放电过程中，负极板上的电子不断经外电路流向正极板，这时在电解液内部因硫酸分子电离成氢正离子（H+）和硫酸根负离子（SO42-）,在离子电场力作用下，两种离子分别向正负极移动，硫酸根负离子到达负极板后与铅正离子结合成硫酸铅（PbSO4在正极板上，由于电子自外电路流入，而与4价的铅正离子（Pb4+）化合成2价的铅正离子（Pb2+）,并立即与正极板附近的硫酸根负离子结合成硫酸铅附着在正极上。随着蓄电池的放电，正负极板都受到硫化，同时电解液中的硫酸逐渐减少，而水分增多，从而导致电解液的比重下降在实际使用中，可以通过测定电解液的比重来确定蓄电池的放电程度。在正常使用情况下，铅蓄电池不宜放电过度，否则

23、将使和活性物质混在一起的细小硫酸铅晶体结成较大的体，这不仅增加了极板的电阻，而且在充电时很难使它再还原，直接影响蓄池的容量和寿命。铅蓄电池充电是放电的逆过程。铅蓄电池的工作电压平稳、使用温度及使用电流范围宽、能充放电数百个循环、贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）、造价较低，因而应用广泛。采用新型铅合金和电解液添加纳米碳溶胶，可改进铅蓄电池的性能。如用铅钙合金作板栅，能保证铅蓄电池最小的浮充电流、减少添水量和延长其使用寿命；采用铅锂合金铸造正板栅，则可减少自放电和满足密封的需要。止匕外，开口式铅蓄电池要逐步改为密封式，并发展防酸、防爆式和消氢式铅蓄电池。铅晶蓄电池铅晶蓄电池应用的是专有技术，所采

24、用的高导硅酸盐电解质是传统铅酸电池电解质的复杂性改型，无酸雾内化成工艺是定型工艺的革新。这些技术工艺均属国内外首创，该产品在生产、使用及废弃物中都不存在污染问题，更符合环保要求，由于铅晶蓄电池用硅酸盐取代硫酸液作电解质，从而克服了铅酸电池使用寿命短，不能大电流充放电的一系列缺点，更加符合动力电池的必备条件，铅晶电池也必将对动力电池领域产生巨大的推动作用。铅晶蓄电池较铅酸电池具有无可比拟的优越性：1 .铅晶电池的使用寿命长一般铅酸电池循环充放电都在350次左右，而铅晶电池在额定容量放电60%的前提下，循环寿命700多次，相当于铅酸电池寿命的一倍。2 .高倍率放电性能好特殊的工艺使铅晶电池具有高倍

25、率放电的特性，一般铅酸电池放电只有3C,铅晶电池放电最大可以达到10C。3 .深度放电性能好铅晶电池可深度放电到0V,继续充电可恢复全部额定容量，这一特性相对铅酸电池来讲是难以达到的境界。4 .耐低温性能好铅晶电池的温度适应范围比较广，从-20-50c都能适应，特别是在-20C的情况下，放电能达到87%。对广大低温地区是不可多得的首选佳品。5 .环保性好铅晶电池所采用的新材料、新工艺和新配方，不存在酸雾等挥发的有害物质，对土地、河流等不会造成污染，更加符合环保要求。铁锲蓄电池也叫爱迪生电池。铅蓄电池是一种酸性蓄电池，与之不同，铁锲蓄电池的电解液是碱性的氢氧化钾溶液，是一种碱性蓄电池。其正极为氧

26、化锲，负极为铁。电动势约为1.31.4伏。其优点是轻便、寿命长、易保养，缺点是效率不高。锲镉蓄电池正极为氢氧化锲，负极为镉，电解液是氢氧化钾溶液。其优点是轻便、抗震、寿命长，常用于小型电子设备。原电池经一次放电（连续或间歇）到电池容量耗尽后，不能再有效地用充电方法使其恢复到放电前状态的电池。特点是携带方便、不需维护、可长期（几个月甚至几年）储存或使用。原电池主要有锌钮电池、锌汞电池、锌空气电池、固体电解质电池和锂电池等。锌钮电池又分为干电池和碱性电池两种。电池的理论充电时间电池的理论充电时间：电池的电量除以充电器的输出电流。例如：以一块电量为800MAH的电池为例，充电器的输出电流为500MA

27、那么充电时间就等于800MAH/500MA=1.6小时，当充电器显示充电完成后，最好还要给电池大约半个小时左右的补电时间。常用术语放电电池向外电路输送电流的过程。放电方法可分为恒流放电和恒阻放电，也可分为连续放电与间断放电。连续放电是在规定放电条件下，连续放电至终止电压的放电方法。间断放电是电池在规定的放电条件下，放电间断进行，直到所规定的终止电压为止的放电方法。放电容量：电池在标准规定条件下的放电电量或有效工作时间。储存寿命：电池在规定条件下储存结束时，电池仍能保持规定的性能的储存期限。电池极端：电池连接外电路的部件。电动势：组成电池的两个电极的平衡电位之差。它反映电池对外作电功大小的可能性

28、。短路电池正、负极直接连通。短路电流：电池短路后一瞬间流过的电流。放电率：放电率指放电时的速率，常用“时率”和“倍率”表示。时率是指以放电时间（h）表示的放电速率，即以一定的放电电流放完额定容量所需的小时数。例如，电池的额定容量为30Ah,以2A电流放电，则时率为30Ah/2A=15h,称电池以15小时率放电。倍率指电池在规定时间内放出其额定容量时所输出的电流值，数值上等于额定容量的倍数。例如，2倍率的放电，表示放电电流数值为电池容量的2倍。如电池容量为3Ah,那么放电电流应为2x3二6Ao可见，如果将2倍率放电换算成小时率，则是3Ah/6A=1/2小时率。时率和倍率在数值上互为倒数。放电深度DOD（depthofdischarge）:放电容量与额定容量之比的百分数。活性物质：电池放电时，能进行氧化或还原反应而产生电能的电极材料。充电将外电路输人蓄电池的电能转化为化学能储存起来的操作过程。充电率