《新能源汽车概论》课件-任务三 动力电池技术

动力电池技术项目导入课堂活动：想一想，哪些系统需要使用到储能系统?项目导入John

B.

Goodenough，著名电化学家，2019年诺贝尔化学奖获得者之一，被誉为“锂电池之父”。他是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂三种最重要的锂离子电池正极材料的发明人，为锂离子电池的发展做出了不可磨灭的贡献。1943年，在耶鲁大学获得文学学士学位1944-1948（二战期间），作为气象专家在美国陆军航空部队工作1951-1952年，在美国西屋电气公司任研发工程师。1951年，在芝加哥大学获得理学硕士学位1952年，在芝加哥大学获得固态物理博士学位，师从ClarenceZener（齐纳二极管发明者）1952-1976年，在MIT的林肯实验室进行关于内存的材料物理研究1976年，牛津大学，教授（无机化学研究负责人），主要进行固体化学研究1980年，和SONY公司合作开发出了基于碳材料负极和锂钴氧LiCoO2材料正极的可充电离子电池1983年，和M.Thackeray等人发现了优良的正极材料锰尖晶石1986年，受聘于美国德州大学奥斯汀分校机电工程学院，终身教授，美国德州大学奥斯汀分校材料科学与工程中心负责人，负责研发固体氧化物燃料电池（SOFC）的新型电解质和电极材料，1989年，和A.Manthiram发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。1997年，开发了低成本的磷酸铁锂LixFePO4正极材料，加快了锂离子电池的商业化。目录CONTENT

S123动力电池基础知识锂离子电极材料简介锂离子电池的结构及工作原理4认识动力电池组电池基础知识1.1电池的概念物理电池：如飞轮电池化学电池：锂离子电池等通常所说的电池默认为化学电池电池基础知识1.1电池的概念电池（化学电池）：又称化学电源，是一种将物质的化学能通过化学氧化还原反应直接转变成电能的装置或系统。氧化还原反应氧化还原反应的实质是电子的得失或偏移酸碱中和反应、氢气和氧气的反应是不是氧化还原反应？电池基础知识1.2电池的分类以电池所用正负极材料分类：锌系列电池→锌锰电池和锌银电池等镍系列电池→镍镉电池和镍氢电池等铅系列电池→铅酸电池等锂系列电池→锂离子电池和锂金属电池等二氧化锰系列电池→锌锰电池和碱锰电池空气（氧气）系列电池→锌空气电池电池基础知识电池的分类1.2以电解质种类分类：碱性电池→电解质以KOH溶液為主，如碱性锌锰电池（俗称碱锰电池或碱电池）、镍镉电池和镍氢电池等酸性电池→电解质以硫酸水溶液为主，如铅酸电池中性电池→电解质为盐溶液，如锌锰电池和海水电池有机电解质电池→电解质为有机溶液，如锂电池、锂离子电池电池基础知识1.2电池的分类以工作特性和储存方式分类：一次电池→又称原电池，即不能再次充电的电池，如锌锰电池和锂电池等二次电池→又称蓄电池，即可充电电池，如铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池等燃料电池→正、负极本身不包含活性物质，活性材料连续不断从外部加入的电池储备电池→电池储备时不直接接触电解质，直到电池使用时，才加入电解液，如镁氯化银（海水电池）。电池基础知识电动汽车中的电池铅酸蓄电池镍氢电池锂离子电池燃料电池超级电容器电池基础知识1.3电池的性能指标1.电池的电压（1）开路电压在开路状态下（几乎没有电流通过），电池两极间的电势差。开路电压取决于电池正负极材料的本性、电解质和温度条件等。与电池的几何结构和尺寸无关电池基础知识（2）额定电压也称公称电压或标称电压。指电池开路电压的最低值（保证值），或者说在规定条件下电池工作的标准电压.(电池在这个电压下的电量占总的一半以上)电池基础知识（3）工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称负荷电压或者放电电压。电池基础知识2.电池的容量和比容量（1）理论容量理论容量（C0）是假设活性物质全部参与电池的成流反应所能提供的电量。(根据活性物质的质量安装法拉第定律计算而得)𝑚 1𝐶0=𝐹𝑧𝑀=𝐾

m𝑀𝐾

=𝐹𝑧F为法拉第常数

96500

C∙mol-1

或者26.8

A∙h∙mol-1Z为反应过程中电子计量系数K称为电化当量单位为g∙A-1∙h-1,指获得1A∙h电量所需要活性物质的量。（容量的单位一般为A∙h或mA∙h，用符号C表示）电池基础知识分子量越小、电极反应中化合价变化变化越大的活性物质具有较小的电化当量，即理论容量越高。电池基础知识额定容量额定容量（C额）也叫保证容量，是设计或制造电池时，按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的电量。实际容量实际容量（C）是指在一定的放电条件下电池实际放出的电量。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念比容量：指单位质量或单位体积的电池所给出的电量。单位为A∙h

kg-1或A

h

L-1电池基础知识影响电池实际的容量的因素：放电制度：电池放电时所规定的各项工作条件放电电流：放电电流的大小，通常用放电率表示，也就是放电时的速率，有时率和倍率两种。时率指以放电时间（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要的时间（h），常用C/n表示。倍率指在规定时间内放出其额定容量输出的电流值，数值上等于额定容量的倍数。比如3C放电。C=15Ah 1C? 3C?电池基础知识电池的能量和比能量在按一定标准所规定的放电制度下，电池所输出的电能，单位为瓦时（W·h）或千瓦时（kW·h）能量密度：从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的电能，用Wh/kg、Wh/L来表示。中国制造2025（1）2020年，（2）2025年，（3）2030年，动力电池比能量500Wh/kg动力电池比能量300Wh/kg动力电池比能量400Wh/kg 问题：目前实际车上动力电池比能量？电池基础知识►比能量、能量密度方面电池肯定不如汽油，但是究竟差别多大呢？一箱50L的汽油可以大概跑600km,续航同样里程的电动车需要多少电池呢？电池基础知识4.电池的功率和功率密度在规定的放电条件下，单位时间所输出的电能，单位为瓦（W）或千瓦（kW）功率密度：体积比功率，指从蓄电池的单位质量或单位体积所获取的输出功率，用W/kg、W/L表示。功率密度大，电动汽车加速和爬坡性能就好，最高车速也高。电池基础知识自放电率又称荷电保持能力，是指电池在开路状态下，电池所储存的电量在一定条件下的保持能力，用单位时间容量降低的百分数表示。主要受电池制造工艺、材料、储存条件等因素影响。电池基础知识6.循环寿命⚫电池经历一次充电和放电的过程称为一个循环或周期。⚫在一定的放电条件下，电池的容量下降到规定的低限时，电池所能经历的充放电循环次数称为循环寿命。⚫循环寿命与充放电电流大小、电池温度、放电深度等有关。在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度（DOD）什么是动力电池动力电池即为工具提供动力来源的电源电池基础知识课堂活动：想一想，电池通常需要具备哪些特性才能够作为新能源汽车的动力电池电池基础知识性能指标单位铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池组电压V21.21.23.2/3.7重量比能量Wh/kg30-4540-6060-80110-190体积比能量Wh/L60-90100-150150-200200-500循环寿命次300-500500-1000500-1000500-2000每月自放电率4-5%20-30%30-35%<5%有害物质铅镉无无单位成本元/Wh1-1.534-56安全性良好优秀好优秀充电速度中较快较快较快使用成本元/放1度电低，3.29低中，9.84高，10.43工作温度摄氏度(℃)-5

～45-20

～60-10～45-20

～60不同类型汽车动力电池参数对比电池基础知识优点：工作电压高。锂离子电池工作电压为3.6V，是镍氢和镍镉电池工作电压的3倍。比能量高。锂离子电池比能量已达到150W·h/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。循环寿命长。目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其他几种二次电池。自放电率低。锂离子电池月自放电率仅为6%~8%，远低于镍镉电池25%~30%和镍氢电池15%~20%。无记忆效应。可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。对环境污染小。锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。能够制造成任意形状。锂离子电池的特点1.4电池基础知识缺点：成本高。主要是钴元素的价格高，但按单位瓦时的价格计算，目前已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。必须有特殊的保护电路，以防止过充。ppm:百万分之几电池基础知识锂离子电池结构和工作原理（软包电池）锂离子电池结构分类2.1锂离子电池结构和工作原理（d）纽扣电池锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成，正负极材料及电解液的不同和工艺的差异使电池具有不同的性能。锂离子电池结构和工作原理课堂活动：电池的参数（字母+数字）分别代表什么含义？18650电池18650代表什么含义？直径18毫米，长65毫米CR2016

纽扣电池CR2016代表什么含义？CR代表扣式电池20表示直径

20mm16表示厚度

1.6mm锂离子电池结构和工作原理锂离子电池的主要组成部分正极材料负极材料隔膜电解液外壳锂离子电池结构2.2核心锂离子电池结构和工作原理正极——活性物质一般为钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂（三元材料）、磷酸铁锂材料等。（锂离子的供给者）负极——活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳；

（锂离子的接受者）隔膜——一种经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，通常为聚乙烯PE

、聚丙烯PP或PE/PP复合膜（让锂离子自由通过，让电子不能通过）电解液——电解质主要为六氟磷酸锂LiPF6，溶剂为碳酸酯类溶剂，如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯

(DMC)等。（为锂离子的传输提供途径）电池外壳——分为钢壳、铝壳、铝塑膜（软包装）等。图.

锂电隔膜电子显微镜照片锂离子电池结构和工作原理锂离子电池工作原理2.3正极：负极：总反应：充电时：锂离子从正极材料晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中。锂离子电池结构和工作原理正极：负极：总反应：放电时：锂离子从负极脱出，通过电解液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间。因此锂离子电池也被称为摇椅式电池。动力电池电极材料简介3.3动力电池正极材料良好无毒无毒无毒动力电池电极材料简介（1）层状过渡金属氧化物三元正极材料动力电池电极材料简介三元材料属于六方晶系，与LiCoO2结构类似，是层状结构化合物。理论容量约为275

mAh/g。Co，提供容量Ni，

提供容量Mn，无电化学活性，稳定结构LiNixCoyMnzO2(x+y+z=1)根据不同元素的含量不同,

三元材料的理化性质有所不同。为了获得更多的可逆容量，三元材料的研发倾向于提高镍的含量，例如622/721/811/无钴材料等。优点：可逆容量高倍率性能好电压平台高缺点：

高Ni材料，热稳定性差Ni含量增加，循环性能下降动力电池电极材料简介小鹏P7:续航706

Km特斯拉 model y:续航660 Km动力电池电极材料简介（2）聚阴离子化合物磷酸铁锂

(LiFePO4)

正极材料LiFePO4为橄榄石型结构。理论容量为170mAh/g。优点：成本低廉环境友好循环稳定性好缺点：

电导率低真实密度低离子扩散速率低动力电池电极材料简介比亚迪汉

EV：续航里程550Km特斯拉Model

3：续航里程556Km动力电池电极材料简介石墨负极石墨属于六方晶系，其晶体是由碳原子组成的六角网状平面规则堆砌而成，具有层状结构。电化学反应过程中Li+可以插入进石墨层间形成层间化合物LiC6

。理论容量

372mAh/g。（3）碳基材料动力电池电极材料简介优点：

平台电压低环境友好成本低廉循环稳定性好首次库伦效率高缺点：

理论容量偏低倍率性能较差动力电池电极材料简介认识动力电池电池单体电池模块电池模组：电池组：基本概念4.1认识动力电池电池的串联串连的主要目的是增加电池的电压电池的并联并联的主要目的是增加电池的容量电池的复联可同时增加电池的电压和容量认识动力电池认识动力电池认识动力电池3P表示3parallelconnection，即“3并联”91s表示91seriesconnection，即“91串联”3p91s就表示，先将3个电池并联，然后再将91个这样“3并联”的单元串联起来认识动力电池认识动力电池认识动力电池请计算：总电量，质量比能量

，单体平均电压，单体电池容量四、补充知识电动汽车为什么会自燃？关键词：短路原因：一.

异物刺穿锂电池内部的正负极之间有一层隔膜，异物一旦穿刺导致隔膜破损，就会引起受损的锂电池内部发生短路发热，最终导致整个电池包起火。二.内部短路因锂枝晶导致短路。四、补充知识Li+（锂离子）充电较少时：锂离子可以快速地嵌入进负极中。充电较多时：过充、快充等会造成析锂。Li+

+e-

=Li

(金属锂)LiLi+四、补充知识锂枝晶穿透隔膜造成正负极短接