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电池基础知识介绍 2010 12 16王永 目录 电池分类 动力电池及发展史电池组成及工作原理电池术语及电性能重点电池结构 组合方式及生产工艺各种电池简介电池相关标准及测试电池公司大汇总 一 电池分类 动力电池及发展史 分类 按工作性质及存储方式分 原电池 蓄电池 储备 激活 电池 燃料电池 按电解质性质分 酸性电池 碱性电池 中性电池 有机电解质溶液电池 固体电解质电池 按电池特性分 高容量电池 密封电池 免维护电池 防爆电池等 动力电池的概念 电池输出的能量用于车辆 汽车 电动自行车等 牵引 驱动用途的电池 动力电池发展史 1859Plante铅酸蓄电池1901镉镍蓄电池1943锌银蓄电池60年代燃料电池80年代氢镍电池90年代锂离子电池 二 电池的组成和基本原理 1 电池简介及其组成电池即化学电源 是通过化学反应把化学能直接转变成低压直流电能的装置 要实现能量转变 电池必须具备两个条件 氧化和还原反应必须分隔在两个区域进行 电子必须通过外电路 因此电池应该包括以下基本组成部分 正极 提供容量 主要有活性物质和导电骨架组成负极 同上电解液 离子传输隔膜 防止正负极间形成电子导电通路外壳 保护作用 核心部分 2 基本工作原理 构成适用的二次电池的条件 a电极反应必须可逆 b只能采用一种电解质溶液 c电池放电时生成的产物在溶液中是难溶的 以锂离子电池为例锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池 正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成 充电时 Li 从正极脱嵌经过电解质嵌入负极 负极处于富锂态 正极处于贫锂态 同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极 保证负极的电荷平衡 放电时则相反 Li 从负极脱嵌 经过电解质嵌入正极 正极处于富锂态 在正常充放电情况下 锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出 一般只引起层面间距变化 不破坏晶体结构 在充放电过程中 负极材料的化学结构基本不变 因此 从充放电反应的可逆性看 锂离子电池反应是一种理想的可逆反应 电池反应 三 电池常用术语及电性能 1 电动势 电池两极在断路时处于可逆平衡状态下 两极平衡电极电位之差 是经过计算的理论值 2 开路电压 电池在断路时电池两极的电极电位之差 开路电压是一个实际测量的值 如锂离子电池的开路电压为4 1V 铅酸蓄电池为2 1V电动势 开路电压电池的电动势或开路电压值取决于所组成电池的电极材料与电解质的活度和放电的温度 与电池的几何形状和尺寸大小无关 3 额定电压 在规定条件下电池工作的标准电压 用来区分电池体系 如 铅酸电池 2 0V镉镍电池 1 2V氢镍电池 1 2V锌锰电池 1 5V锂离子电池 3 6 3 8V4 放电终止电压 指放电时 电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压值 为人为规定的值 例如 锂离子电池充电时 终止电压为4 2V 放电时为3 0V或2 75V 5 工作电压 又称放电电压或负荷电压 是指电池对外输出电流时 电池两极间的电位差 工作电压总是低于开路电压 电池放电电压的变化与放电制度有关 即放电曲线的变化还受放电制度的影响 包括 放电电流 放电温度 放电终止电压 间歇还是连续放电 放电电流越大 工作电压下降越快 随放电温度的增加 放电曲线变化较平缓 对于二次电池 放电电压低于规定的终止电压叫做过放电 过放电常常会影响到蓄电池的循环寿命 恒阻放电恒流放电连续放电间歇放电 6 充电电压 充电时 外电源加在电池两端的电压 电池电压随时间的变化曲线叫做充电曲线 充电终止电压恒流充电恒压充电限压恒流充电脉冲充电随温度的变化 充电电压应做相应的调整 电池高温充电性能差 低温放电性能差 7 内阻 R 由于内阻的存在 电池的工作电压总是小于电动势或开路电压 V工 E V开 IR对电池而言 其内阻越小越好 这样不仅电池的工作电压高 而且损失在内阻上的热量 与热管理系统呼应 也小 电池的内阻是电池一个很重要的参数 它与很多方面都有关系 内阻能反映设计人员的水平和制造工艺的好坏 对同一类的相同结构的电池 几何尺寸大的其欧姆电阻比几何尺寸小的电池要小 内阻与SOC的关系 内阻测量方法 8 电池容量 指一定放电制度下 在一定的I放 T放 V终 电池所给出的电量 表征电池储存能量的能力 单位是Ah或C 容量受很多引素的影响 如 放电电流 放电温度等 容量大小是由正负极中活性物质的数量多少来决定的 理论容量 活性物质全部参加反应所给出的容量 实际容量 在一定的放电制度下实际放出的容量 额定容量 又称公称容量 指电池在设计的放电条件下 电池保证给出的最低电量 在实际应用中 电池容量 正极容量比容量 为了对不同的电池进行比较 引入比容量概念 比容量是指单位质量或单位体积电池所给出的容量 称为质量比容量或体积比容量 通常计算方法为 电池首次放电容量 活性物质量 活性物质利用率 影响电池容量的因素 a 电池的放电速度 通常以电流强度mA来表示 电流越大 输出的容量减少 注 图中A区 阴影部分 为电池对外输出的能量 B区为电池自身损耗的能量 b 电池的放电温度 温度降低 输出容量减少 c 电池的放电终止电压 是由用电器以及电池反应本身的限定来设定的 例如 充电时 终止电压为4 2V 放电时为3 0V或2 75V d 电池的贮存时间 电池经过长时间贮存后 电池的放电容量会相应减少 9 放电时率及放电倍率是一种表达电池放电电流大小的方法 放电时率 指在规定的放电时间内 电池放出全部额定容量 放电倍率 指放电电流为电池额定容量的某一个倍数 放电时率 放电倍率 1C5 电池5小时率的容量 即电池5小时放电的全部容量 单位Ah或mAh0 5C 电池以0 5倍容量的电流放电 单位 A或mA例如 某电池的额定容量为1Ah 用0 5C放电时的电流即为0 5A 10 能量和比能量电池在一定条件下对外作功所能输出的电能叫做电池的能量 单位一般用wh表示 a 理论能量电池的放电过程处于平衡状态 放电电压保持电动势 E 数值 且活性物质利用率为100 在此条件下电池的输出能量为理论能量 W0 即可逆电池在恒温恒压下所做的最大非膨胀功 W0 C0E b 实际能量电池放电时实际输出的能量称为实际能量 W V工作ItV工作 V开路 IRic 比能量单位质量和单位体积的电池所给出的能量 称质量比能量或体积比能量 也称能量密度 比能量的单位为wh kg或wh L 11 功率和比功率电池在一定放电条件下 单位时间所输出的能量 用P表示 单位为W 理论功率实际功率实际比能量质量比能量比能量理论比能量体积比能量功率是电池的重要性能 它表示电池放电速率的大小 电池的功率越大 电池可以大电流或高速放电 12 电池的自放电是指电池没有负载时电池容量自行降低的现象 主要是电极材料自发发生了氧化还原反应 在两个电极中 负极的自放电是主要的 自放电使活性物质白白被消耗 电池自放电与电池贮存性能有很密切的关系 电池在贮存时贮存性能一定要好 贮存时要求自放电小 不能出现漏液或爬碱 各种电池的存储方式 满电荷存储 部分电荷储存 放电状态存储 自放电与温度的关系曲线 13 循环寿命及其影响因素电池经历一次充放电 称一个周期 在一定的放电制度下 电池容量降至规定值之前 电池所经受的循环次数 称为电池的循环寿命 影响电池循环寿命的主要因素有 a 在充放电过程中 电极活性物质表面积减少 使工作电流密度上升 极化增大 b 电极上活性物质脱落或转移 c 电极材料发生腐蚀 d 电池内部短路 e 隔膜损坏和活性物质晶型改变 活性降低 14 SOC和DODSOC StateofCharge 为荷电状态 表示电池剩余容量与总容量的百分比 DOD DepthofDischarge 为放电深度 表示放电程度的一种量度 为放电容量与总放电容量的百分比 放电深度的高低和二次电池的寿命有很大的关系 放电深度越深 其寿命就越短 性能比较 一 性能比较 二 四 电池结构 组合方式及生产流程简介 内部结构图 圆柱形 方形 纽扣形 主要组成部分 正负电极 电解质 隔膜 外壳正负电极 参加成流反应和导电 由活性物质和导电骨架构成 圆柱形 方形 液态锂离子电池结构图 聚合物锂离子电池结构图 隔膜 也叫隔离层 作用是防止正负极接触 是非金属材料制成 显著的特点是具有大量的微孔以保证离子的通过 不同的电池所用的材料不同 电池对隔离层的要求是 a材料本身是绝缘的 防止电池内部短路 即对电子绝缘 要对离子的传导的电阻要小 b耐电解质腐蚀 能经受正极氧化剂的氧化 C成本低 如 AGM隔膜电解质 主要起正负极间的离子导电作用 有的还参与成流反应 要求 a化学稳定性好 b比电导高 具有良好的离子导电性 电池组合方式 实际使用时 不少场合需要较高的电压和较大的电流 这就需要将若干个电池通过串连 并联和复联组合起来 称此为电池的组合方式 一电池的串连串连的主要目的是增加电池的电压二电池的并联并联的主要目的是增加电池的容量三电池的复联可同时增加电池的电压和容量注意 组合电池数越多 电池组的可靠性越差 一般在组合电池时 应采用同一系列 同一规格尺寸 性能相同的电池 这就是我们常说的电池的均匀性问题 通常表现的参数 电压 容量和内阻 电池生产流程 见附件 五 各种电池简介 1 铅酸电池1859Plante France 铅酸蓄电池应用领域 汽车启动用 固定用 发电厂 变电所及通讯用 车用 电动车用 优点 可以大电流放电 使用温度范围很宽 可逆性好 电动势较高 原材料来源丰富 制造工艺简便 价格便宜 缺点 比性能差 材料污染 且有毒 主要类型 开口式电池 免维护电池 阀控式电池 水平式电池 三端子双电源式电池 失效模式 板栅腐蚀变形 活性物质脱落 不可逆硫酸盐化 热失控 电池膨胀 2 镍系列电池 铁镍蓄电池 镉镍蓄电池 锌镍蓄电池应用领域 电动工具 录音机 电动车用 优点 使用寿命长 自放电小 温度范围广 耐过充过放 缺点 活性物质利用率低 价格较贵 且镉有毒 有记忆效应 主要类型 圆形和方形 从镉镍电池开始 实现了对电池的密封 3 氢镍电池 出现在80年代 两大类别 高压氢镍电池和金属氢化物镍电池优点 能量密度高 可快速充放电 低温性能良好 可密封 耐过充过放能力强 安全可靠 对环境无污染 无记忆效应 可以和镉镍电池互换 缺点 价格高 密封电池 4 锂离子电池 出现在90年代应用领域 手机 笔记本电脑 摄像机 电动车用 优点 开路电压高 单体电池电压高达3 6 3 8V 比能量大 循环寿命长 无公害 无记忆效应 自放电小 缺点 过充放电的保护问题 成本很高 不能用大电流放电 有机电解质的原因 主要类型 液态锂离子电池和聚合物锂离子电池 锂离子电池的负极主要是碳或石墨 它能储存及释放锂离子 一旦过充电发生 锂离子变成锂金属沉积在碳或石墨表面 因为锂金属非常活泼 任何冲击或其它原因都能导致其燃烧 锂离子电池的电解液为易燃的有机物 因此 一旦错误充电导致过充电电压出现 在电压达到4 7V以上时 锂离子电池将过度发热 甚至燃烧 为了防止过度放电导致电池寿命的缩短 锂离子电池需要过放电保护 为何锂离子电池保护更关键 保护锂离子电池的作用1 防止过充电电压2 防止放电超过限定值3 防止过电流4 短路保护5 防止电池温度过高6 防止电池内部压力的升高 六 电池相关标准及测试 铅酸电池常用标准 GB T5008 1启动电池标准 国 SAEJ537 美 EN50342 欧 JISD5301 日 Q SQR04 075启动电池标准 企 QC T742 2006电动汽车用铅酸蓄电池 国 氢镍电池常用标准 QC T744 2006电动汽车用金属氢化物镍蓄电池 国 IEC61951 2金属氢化物镍电池 锂离子电池常用标准 QC T743 2006电动汽车用锂离子蓄电池 国 电池测试 铅酸起动电池 额定容量测试冷启动性能测试耐振动性能测试荷电保持能力测试寿命测试耐温变测试密封性测试水损耗测试 电池测试 氢镍电池锂离子电池 高低温容量测试耐振动性能测试荷电保持能力测试寿命测试安全性测试 动力电池安全性测试 短路 满充电池外部短路后不漏液 不爆炸 不燃烧过充电 满充电池1C充电至5V或90min后不漏液 不爆炸 不燃烧挤压 挤压满充电池至壳体破裂或内部短路后不爆炸 不燃烧针刺 针刺满充电池至贯穿后不爆炸 不燃烧跌落 满充电池自1 5米高处跌落至木板上后不变形 不漏液 不破裂 不爆炸 不燃烧热冲击 满充电池在70 2 条件下搁置20min后不变形 不漏液 不破裂 不爆炸 不燃烧 七 世界电池公司大汇总