新能源动力电池技术

动力电池技术动力电池系统是整车的能量源，为整车提供驱动电能。电池系统的体积、形状和技术参数会影响电动汽车的行驶性能，是纯电动汽车最重要的子系统之一。纯电动汽车要求电动电池具有以下性能特点：1.能量密度高，以提高运行效率和续航里程。2.输出功率密度高，以满足驾驶性能要求。3.工作温度范围宽广，以满足夏季高温和冬季低温的运行需要。4.循环寿命长，保证电池的使用年限和行驶总里程。5.无记忆效应，以满足车辆在使用时常处于非完全放电状态下的充电需要。6.自放电率小，满足车辆较长时间的搁置需求。7.安全性好，可靠性高以及可循环利用。动力电池的概况汽车行业的发展是整个上下游产业链的发展，对于新能源汽车的崛起，动力电池的核心地位越来越突出。动力电池的关键技术，包括材料种类、安全性、电池标准、寿命、价格成本等。动力电池的发展决定着电动汽车的发展进程。国内动力电池发展中国2020年的基本的发展目标是，高比能量电池达到300瓦时每公斤，寿命1500次，成本8毛钱。在迈向高比能量锂离子电池的过程中，机遇挑战并存，安全问题将变得更加突出。能量比越高，挑战越大。“中国必须进一步重视安全性，在安全性、耐久性、动力性三个问题中，最核心的是安全性问题”。动力电池的常用类型：目前，电动汽车、混合动力电动汽车上应用最广泛的电源是铅酸蓄电池，正在发展的电源主要有镍氢电池、锂离子电池、飞轮电池及超级电容器等储能装置：

储存能量、向外传送能量和从外部吸收能量的装置称为储能装置。一般情况下，混合动力汽车或电动汽车的储能装置为动力电池。电动汽车使用的动力电池可以分为化学电池、物理电池和生物电池三大类。1.化学电池将化学能直接转变为电能的装置。主要部分是电解质溶液、浸在溶液中的正、负电极和连接电极的导线。化学电池按工作性质分为原电池、蓄电池、燃料电池和储备电池。1）原电池原电池是利用两个电极之间金属性的不同，产生电势差，从而使电子的流动，产生电流。如图4-1所示。又称非蓄电池，是电化电池的一种，其电化反应不能逆转，即是只能将化学能转换为电能，简单说就即是不能重新储存电力，与蓄电池相对。如锌—二氧化锰干电池、锂锰电池、锌空气电池、一次锌银电池等。2）蓄电池蓄电池又称二次电池，是指电池在放电后可通过充电的方法使活性物质复原而继续使用的电池，而这种充放电可以达数十次到上千次循环。如铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。3）燃料电池电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。4）储备电池储备电池是指电池正负极与电解质在储存期间不直接接触，使用前注入电解液或者使用其它方法使电液与正负极接触，此后电池进入待放电状态，如镁电池、热电池等。化学电池的其他分类方法：化学电池按电解质分为酸性电池、碱性电池、中性电池、有机电解质电池、非水无机电解质电池、固体电解质电池等。化学电池按电池的特性分为高容量电池、密封电池、高功率电池、免维护电池、防爆电池等。化学电池按正负极材料分为锌锰电池系列、镍镉镍氢系列、铅酸系列、锂电池系列等。2.物理电池物理电池是利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池。如太阳能电池、超级电容器、飞轮电池等。太阳能电池太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。3.生物电池生物电池（bio-fuelcells），是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。如微生物电池、酶电池、生物太阳电池等。1）微生物电池微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。基本反应类型分为四步：1)在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。2)介体捕获电子并将其运送至阳极。3)电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。4)氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。阳极反应：C6H12O6+6H2O→6CO2+24H++24e阴极反应：6O2+24H++24e-→12H2O2）酶电池酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-阴极反应：H2O2+2H++2e-→2H2O普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。动力电池的性能指标电动势：电池的电动势，又称电池标准电压或理论电压，为电池断路时正负两极间的电位差。

额定电压：开路电压：电压：工作电压：终止电压：充电电压：动力电池的性能指标

理论容量：容量：额定容量：实际容量：比功率：电池的输出能量是指在一定的放电条件下，电池所能作出的电功，它等于电池的放电容量和电池平均工作电压的乘积，其单位常用瓦时(Wh)表示。比能量：比能量的物理意义是电池为单位重量或单位体积时所具有的有效电能量。它的比较电池性能优劣的重要指标。动力电池的性能指标

贮存性能：是指电池开路时，在一定的条件下(如温度、湿度)贮存一定时间后自放电的大小。自放电：电池经过干贮存(不带电解液)或湿贮存(带电解液)一定时间后，其容量会自行降低，这个现象称自放电。寿命：电池的真正寿命是指电池实际使用的时间长短。各种类型电池性能比较：电池类型比能量/(KW.h/kg)比功率/(W/kg)能量密度/(KW.h/L)功率密度/(W/L)循环寿命/次铅酸蓄电池3513090500400-600镍镉蓄电池5517094278500以上镍氢蓄电池802251434701000以上锂离子蓄电池1002002157781200以上燃料电池50060-------------飞轮电池14800----------25年各种动力电池性能介绍：1.铅酸蓄电池:铅酸蓄电池特性:铅酸蓄电池主要由正极极群、负极极群、电解液和容器组成。它的正极是PbO2，负极是金属Pb，正负极板放在硫酸的水溶液。铅酸蓄电池单体工作电压2V，工作电压范围为1.7～2.2V,最佳放电电流为2C。铅酸蓄电池的组成：蓄电池主要由正极板、负极板、隔板、蓄电池槽、蓄电池盖、电解液、引出端子线、限压阀等组成。部件名称材料作用正极正极为铅-锑-钙合金栏板，内含氧化铅为活性物质保证足够的容量；使用中保持蓄电池容量，减小自放电长时间。负极负极为铅-锑-钙合金栏板，内含海绵状纤维活性物质保证足够的容量；使用中保持蓄电池容量，减小自放电长时间。隔板先进的多微孔AGM隔板保持电解液，防止正极与负极短路。隔板采用无纺超细玻璃纤维，在硫酸中化学性能稳定。多孔结构有助于保持活性物质反应所需的电解液防止正负极短路；保持电解液；防止活性物质从电极表面脱落。电解液在电池的电化学反应中，硫酸作为电解液传导离子使电子能在电池正负极活性物质间转移。外壳和盖子在没有特别说明下，外壳和盖子为ABS树脂提供电池正负极组合栏板放置的空间；具有足够的机械强度可承受电池内部压力。安全阀材质为具有优质耐酸和抗老化的合成橡胶。帽状阀中有氯丁二烯橡胶制成的单通道排气阀电池内压高于正常压力时释放气体，保持压力正常；

阻止氧气进入。端子根据电池的不同，正负极端子可为连接片、棒状、螺柱或引出线。端子的密封为可靠的粘结剂密封。

密封件的颜色：红色为正极，黑色为负极密封端子有助于大电流放电和长的使用寿命。铅酸电池工作原理：放电过程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+4H2O+PbSO4(放电)正极电解液负极正极电解液负极充电过程：充电过程是放电过程的逆反应，充电的生成物就是放电的反应物。铅酸蓄电池在充电后期和过充电时，会发生电解水的副反应，在电极上产生一定量的气体。正极:2H2O→O2+4H++4e负极:2H++2e→H2工作过程如图所示铅酸蓄电池的优点1）价格低廉。原材料容易得到而且价格便宜；技术成熟；生产方便；产品一致性好。2）比功率高。铅酸蓄电池电势高，大电流放电性能优良，可以满足车辆启动和加速的功率要求。3）浮充寿命长。其在25°C下浮充状态使用可达20年。4）使用安全。铅酸蓄电池易于识别电池荷电状态，可在较宽的温度内使用，而且电性能稳定可靠。5）再生率高。

铅酸蓄电池的缺点:

1）比能量低。2）循环寿命短。循环充电次数不足300次。3）自放电，过充电时有大量气体产生。4）供电不稳定。供电强弱随温度而变化,冬天只能释放一半的电量5）使用寿命短，因具有记忆效应,在电池存有残余电量时进行充电。6）污染严重。2．镍镉、镍氢电池镍镉电池虽然具有大电流放电能力强、比能量高、维护简单等特性,但存在记忆效应严重、使用寿命较短以及过度充电易发生爆炸等致命的缺点。此外,镉是有毒的物质,一旦泄漏会污染生态环境。镍镉蓄电池的组成：镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。镍镉蓄电池工作原理：放电过程：负极反应：负极上的镉失去两个电子后变成二价镉离子Cd2+，然后立即与溶液中的两个氢氧根离子OH-结合生成氢氧化镉Cd(OH)2，沉积到负极板上。

正极反应：正极板上的活性物质是氢氧化镍（NiOOH）晶体。镍为正三价离子（Ni3+），晶格中每两个镍离子可从外电路获得负极转移出的两个电子，生成两个二价离子2Ni2+。与此同时，溶液中每两个水分子电离出的两个氢离子进入正极板，与晶格上的两个氧负离子结合，生成两个氢氧根离子，然后与晶格上原有的两个氢氧根离子一起，与两个二价镍离子生成两个氢氧化亚镍晶体。镍镉蓄电池工作原理：充电过程：负极反应：充电时负极板上的氢氧化镉，先电离成镉离子和氢氧根离子，然后镉离子从外电路获得电子，生成镉原子附着在极板上，而氢氧根离子进入溶液参与正极反应。

正极反应：在外电源的作用下，正极板上的氢氧化亚镍晶格中，两个二价镍离子各失去一个电子生成三价镍离子，同时，晶格中两个氢氧根离子各释放出一个氢离子，将氧负离子留在晶格上，释出的氢离子与溶液中的氢氧根离子结合，生成水分子。然后，两个三价镍离子与两个氧负离子和剩下的二个氢氧根离子结合，生成两个氢氧化镍晶体。镍镉电池的优点(1)其内部抵抗力小，既内阻很小，可提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种非常理想的直流供电电池。(2)与其它类型的电池比较，镍镉电池可耐过充电或放过电,镍镉电池在长时间放置的情况下,特性也不会劣化,充分充电后可完全恢复原来的特性,。(3)由于单元电池采用金属容器,坚固耐用。采用完全密封的方式,不会出现电解液泄漏现象,故无须补充电解液。(4)镍镉电池可重复500次以上的充放电，非常的经济镍镉电池的缺点(1)镍镉电池有记忆效应,记忆效应使得电池的性能不能得到充分发挥.(2)使用寿命较短以及易发生爆炸等致命的缺点。(3)镉是有毒的物质,一旦泄漏会污染生态环境。镍氢电池镍氢电池是二十世纪九十年代发展起来的一种新型绿色电池，具有高能量、长寿命、无污染等特点，因而成为世界各国竞相发展的高科技产品之一。镍氢（Ni-MH）电池与Ni-Cd电池有许多相同的特性，但由于无镉，因此不存在重金属污染问题，被称为“绿色电池”，批量生产的成本约为铅酸电池的四倍。镍氢电池（Ni-MH）的材料构成Ni-MH电池工作原理充电时正极反应：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-负极反应：M+H2O+e-→MH+OH-总反应：M+Ni(OH)2→MH+NiOOHNi-MH电池工作原理放电时正极：NiOOH+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-负极：MH+OH-→M+H2O+e-总反应：MH+NiOOH→M+Ni(OH)2以上式中M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金。最常用储氢合金为LaNi5。3.锂离子电池锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。锂离子电池的结构组成锂离子电池内部主要由正极、负极、电解质及隔膜组成，正负极及电解质材料的不同和工艺的差异使电池具有不同的性能，目前市场上的锂离子电池正极材料主要是钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂以及三元材料镍钴酸锂，磷酸铁锂材料是目前最新研制的锂离子电池正极材料；锂离子电池负极主要是碳材料，新的负极材料有锡基、硅基、合金基材料（钛酸锂）等。锂离子电池工作原理当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。锂离子电池具有优越的性能(1)单体电池工作电压高达3.7V，是镍电池的3倍，铅酸电池的2倍。(2)质量比能量高达150Wh/Kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍,因此重量是相同能量铅酸电池的四分之一。(3)体积比能量高达到400Wh/L，因此体积是相同能量铅酸电池的二分之一到三分之一。4)循环寿命长，循环次数可达1000－2000次。（5）自放电率低，每月不到10%。(6)无记忆效应，可以随时随地的进行充电。电池深度充放电，对电池的寿命影响不大。锂离子电池的缺陷：(1)成本高主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池；(2)必须有特殊的保护电路，以防止过充。4.飞轮储能器飞轮电池是90年代才提出的新概念电池，它突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。众所周知，当飞轮以一定角速度旋转时，它就具有一定的动能，飞轮电池正是以其动能转换成电能的。飞轮电池的结构与原理飞轮电池系统由飞轮、电动机、发电机和输入/输出电子装置共同组成，飞轮储能电池系统包括三个核心部分：一个飞轮，电动机—发电机和电力电子变换装置。电力电子变换装置从外部输入电能驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能），当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置变成负载所需要的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的需求。飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。目前，飞轮电池正在向小型化、低廉化的方向发展。可以预见，伴随着技术和材料学的进步，飞轮电池将在未来的各行各业中发挥重要的作用。5.超级电容器超级电容器是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。超级电容的优缺点：相比铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池，超级电容具有节能、超长使用寿命、安全、环保、宽温度范围、无需人工维护等优点。由于超级电容是采用物理的方法来储能，所以其最为重要的一个特点就是功率密度很大，我们可以将其理解为充、放电迅速且可以瞬间吸收或释放极高的能量，这也是目前任何电池都做不到的。常见动力电池特性比较：电池种类电池特性铅酸电池优势：技术成熟，可靠性高，价格便宜。劣势：比能量较低，在过充电和过放电时，其使用寿命将显著缩短。锂电池优势：高能量密度，无污染，循环寿命高，无记忆效应。劣势：化学特性活泼，使用时对环境要求高，价格高。飞轮电池优势：用物理方法实现储能。劣势：价格昂贵，使用过程中的安全可靠性能较差。镍氢电池优势：很好的耐过充电特性，良好的使用安全性和充放电效率。劣势：价格较高。动力电池的应用动力电池的使用1.动力电池的检查：动力电池容量的检查，通用的方法是采用断开负载检查的方式。其检查原理是：将充电器的整流器电压缓慢下降，一直降到动力电池组正常工作电压以下，若这时动力电池开始放电而且能坚持所设定的一段时间，面板显示屏上指出动力电池的实际工作曲线；若动力电池不放电，但由于整流器仍继续向负载供电，使系统仍处于正常充电状态，负载设备的工作就会受到影响，说明动力电池失效，应做进一步地检查或更换。2.动力电池的测试：测试动力电池的目的是确定该动力电池是否满足使用要求，这在更换动力电池和判定原有动力电池是否失效时是必要的。对动力电池的基本要求是：满足原来使用动力电池的端电压动力电池应具有在启动放电瞬间输出大电流的特性满足一定容量和内阻，以保证逆变供电的时间。主要测试项目：离线测量动力电池的端电压：在线测量动力电池的端电压：测量启动瞬间输出大电流特性：判别动力电池的内阻和容量：动力电池的安装：注意事项：安装位置的选择：尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，避免受到阳光直射，远离加热器或其他辐射热源。安装前的检查：应验证动力电池生产与安装使用之间的时间间隔。若电池搁置时间较长，应先进行充电后再使用。安装过程的要求：动力电池应当正立安装放置，不可倾斜；动力电池组间应有通风措施；不能采用新老结合的组合方式。安装后注意事项：新电池安装完毕要进行一次较长时间的初充电，放电终了再进行正常充电。