新能源汽车动力电池技术 课件 -第2章 动力电池的组成及工作原理

第二章动力电池的组成及工作原理新能源汽车碰撞安全与轻量化团队VEHICLEENERGY&SAFETYLABORATORY

电池单体，又称为“电芯”，是电池系统最小单元，主要由正极（CathodeElectrode）、负极（AnodeElectrode）、电解液（Electrolyte）、隔膜（Separator）、外壳（Case）组成，如图所示。

第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-单体结构电池单体正极主要由四个部分组成，如图：1）LiCoO2等正极材料；2）导电剂；3）粘合剂（PVDF）；4）集流体（铝箔）。第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-正极电池单体负极构造由5部分组成，如图所示：

1）石墨材料；

2）导电剂；

3）增稠剂（CMC）；

4）粘结剂（SBR）；

5）集流体（铜箔）。

电池单体负极配方也是电芯关键核心技术之一，通常为：

1）负极材料（石墨）：94.5%；

2）导电剂（CarbonECP）：1.0%（科琴超导碳黑）；

3）粘结剂（SBR）：2.25%（SBR=丁苯橡胶胶乳）；

4）增稠剂（CMC）：2.25%（CMC=羧甲基纤维素钠）；

5）水：固体物质的重量比为1600：1417.5。

第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-负极

锂离子电池电解液是电池中离子传输的载体，一般由锂盐和有机溶剂组成，如图所示。电解液在锂离子电池正、负极之间起到传导离子的作用，是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的。电极材料决定了电池的能量密度，而电解液基本决定了电池的循环、高低温和安全性能。锂离子电池电解液主要由锂盐、溶剂和添加剂三类物质组成。电解液基本构成变化不大，创新主要体现在对新型锂盐和新型添加剂的开发，以及锂离子电池中涉及的界面化学过程及机理深入理解等方面。电池的基本组成-电解液第二章动力电池的组成及工作原理

锂盐的种类众多，如图7.5所示，但商业化锂离子电池的锂盐却很少，理想的锂盐需要具有如下性质：1）有较小的缔合度，易于溶解于有机溶剂，保证电解液高离子电导率；2）阴离子有抗氧化性及抗还原性，还原产物利于形成稳定低阻抗SEI膜；3）化学稳定性好，不与电极材料、电解液、隔膜等发生有害副反应；4）制备工艺简单，成本低，无毒无污染。第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-电解液

常见的可用于锂离子电池电解液的有机溶剂主要分为碳酸酯类溶剂和有机醚类溶剂，如图所示。有机醚类溶剂主要包括1，2-二甲氧丙烷（DMP）、二甲氧甲烷（DMM）、乙二醇二甲醚（DME）等链状醚和四氢呋喃（THF）、2-甲基四氢呋喃（2-Me-THF）等环状醚。链状醚类溶剂碳链越长化学稳定性越好，但是黏度也越高，锂离子迁移速率也会越低。乙二醇二甲醚由于能与六氟磷酸锂生成较稳定的LiPF6-DME螯合物，对锂盐的溶解能力强，使电解液具有较高的电导率，但是DME化学稳定性较差，无法在负极材料表面形成稳定钝化膜。

碳酸酯类包括碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）等环状碳酸酯和碳酸二甲酯（DMC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸甲乙酯（EMC）等链状碳酸酯。环状碳酸酯EC、PC具有很高的介电常数，使锂盐更易溶解，但同时黏度也很大，使锂离子迁移速率较低。链状碳酸酯DMC、DEC、EMC介电常数小，溶解锂盐能力弱，但黏度低具有很好的流动性，便于锂离子迁移。电池的基本组成-电解液第二章动力电池的组成及工作原理

锂离子电解液阻燃添加剂种类如图所示。添加剂用量少，效果显著，是一种经济实用的改善锂离子电池相关性能的方法。通过在锂离子电池的电解液中添加较少剂量的添加剂，就能够针对性地提高电池的某些性能，例如可逆容量、电极/电解液相容性、循环性能、倍率性能和安全性能等，在锂离子电池中起着非常关键的作用。理想的锂离子电池电解液添加剂应该具备以下几个特点：1）在有机溶剂中溶解度较高；2）少量添加就能使一种或几种性能得到较大改善；3）不与电池其他组成成分发生有害副反应，影响电池性能；4）成本低廉，无毒或低毒性。第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-电解液阻燃添加剂的作用是提高电解液的着火点或终止燃烧的自由基链式反应阻止燃烧，如图所示。添加阻燃剂是降低电解液易燃性，拓宽锂离子电池使用温度范围，提高其性能的重要途径之一。阻燃添加剂的作用机理主要有两种：1）通过在气相和凝聚相之间产生隔绝层，阻止凝聚相和气相的燃烧；2）捕捉燃烧反应过程中的自由基终止燃烧的自由基链式反应，阻止气相间的燃烧反应。第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-电解液隔膜是锂离子电池的重要组成部分，是用于隔开正负极极片的微孔膜，是具有纳米级微孔结构的高分子功能材料，如图所示。其主要功能是防止两极接触而发生短路同时使电解质离子通过。其性能决定着电池的界面结构、内阻等，直接影响着电池的容量、循环以及电池的安全性能。对于锂离子电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。第二章动力电池的组成及工作原理电池的基本组成-隔膜电池有三种形状：圆柱、方形和软包，如图所示，三种形态电池中软包质量最轻、能量密度最高。软包动力电池是典型的“三明治”层状堆垒结构，区别于方形硬壳和圆柱电池形态。软包内部结构由正极片，隔膜，负极片依次层叠起来，外部用铝塑膜包装；圆柱电池则以正极、隔膜、负极的一端为轴心进行卷绕，封装在圆柱金属外壳之中；方形硬壳电池通常有两个轴心，正极、隔膜、负极叠层围绕着两个轴心，进行卷绕，然后以间隙直入方式装入方形铝壳之中。以上三种电池形态中，在容量相同的条件下，软包电池采用轻量化材料如铝塑膜，整体质量比其他两种形态的电池更轻，因此能量密度更高。电芯的构型第二章动力电池的组成及工作原理如图所示，一个典型的方形锂离子电池，主要组成部件包括：顶盖，壳体，正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕，绝缘件，安全组件等。其中，红圈中的两个是安全结构，NSD针刺安全装置；OSD过充保护装置。电芯的构型第二章动力电池的组成及工作原理软包锂电池包（PouchCell）是在液态锂离子电池外面套上一层聚合物外壳，如图7.12所示。在结构上采用铝塑膜包装，软包锂电池的机械强度不高，在出现安全事故如内短路等情况下，电池容易鼓起排气，降低了爆炸的风险，在发生安全隐患的情况下软包电池多为只会鼓气裂开。电芯的构型第二章动力电池的组成及工作原理与软包和方形锂离子电池相比，圆柱形锂离子电池是商业化最早、生产自动化程度最高、当前成本最低的一种动力电池，基本保持着与软包和方形电池三分天下的局面，市面上常用的圆柱电芯为18650和21700两种，如图7.13所示，其中，“18”代表电芯圆柱直径18mm，“65”代表电芯圆柱高度65mm，最后的“0”代表电芯为圆柱形。圆柱电池的发展时间是最长的，技术也是最为成熟，标准化程度高。电芯的构型第二章动力电池的组成及工作原理模组数量

电池模组开发前优先确定模组中电芯数量，模组中电芯的数量通常会根据整车给予电池系统的空间来综合考虑，然后再根据单个模组的重量来进行限制。模组的构型第二章动力电池的组成及工作原理成组方式

电池系统电芯集成采用94Ah电芯2P160S，电池模组开发前需要确定模组中电芯串并联形式，串并联方案分为两种：第一种方案，电池模组中10支电芯采用2并5串的组合方式，系统中32个电池模组采用串联方式；第二种方案，电池模组中10支电芯采用1并10串的组合方式，系统中16个模组先进行串联，然后2个16串模组进行并联。截止目前统计，世界上几乎大多数的动力电池系统基本上都是采用先并后串的方式缺点有：若是一个电芯损坏，整个回路所有的电芯都将失去作用；若是两个串联回路电压不一致，将出现相互充放电情况。优点是，即使一个电芯损坏，与其并联的其它电芯可以继续通流工作，对于采用18650型的小电芯，该种方式优点更大。关于电芯大小以及并联数量的问题，通常来说，电芯大则并联数量少，优点是结构简单成组方便，缺点是电芯成品的差异将导致成组后各电池单体差异较大。缺点是结构复杂成组难度大，优点是成组后电池单体内的电芯数量众多，即使电芯存在一定差异。第二章动力电池的组成及工作原理成组结构

模组的成组结构由成组数量和方式决定，本文将介绍一种2P5S模组结构：模组中若干只电芯排列组合，电芯与电芯/端板之间布置一片硅胶垫；电芯底部布置一片环氧树脂板；侧板与电芯之间布置一片绝缘片；电芯上部放置一个绝缘板；电芯之间的串并联采用连接片，连接片与电芯极柱之间采用激光焊接方式；模组上方安装一个模组防护罩；模组正/负极处安装防护盖，具体结构请见图1.1。第二章动力电池的组成及工作原理除上述所述，电池模组中还包含了温度采集线束（含温度传感器）和电压采集线束，采集线束最终集成在一个插件上，见下图。第二章动力电池的组成及工作原理电池术语电压与电动势电动势E与物体在重力场中具有重力势能一样，电荷在电场中也具有相应的势能，电动势就是表示电场势能高低的物理量。电池的充放电过程是一个电化学过程，实质是通过物理化学反应实现的，在等温等压的条件下，反应过程中吉布斯自由能的变化∆GTP与电池体系的电动势E之间存在如下关系：式中：n为电极在电化学反应中转移电子的物质的量，单位为mol；F为法拉第常数，即1摩尔电子的电量，约为96500C或26.8Ah；E为可逆反应的电动势，代表化学能转换为电能的最高限度，单位为V；当电池中的电化学反应为不可逆反应时，电动势为E′，并且：第二章动力电池的组成及工作原理电池术语电压与电动势理论电压U

电池内部的能量转换过程是通过正负极材料的电化学反应实现的，在电化学反应过程中，正负极反应界面分别存在对应的理论电动势（可逆电动势），而正负极电动势差值即该电化学反应的理论电压：理论电压代表了电池电压的最高限度，不同正负极材料组成的电池，其理论电压是

不同的。电池的电压参数还有开路电压、截止电压、工作电压等。开路电压Uocv

开路电压指的是电池外电路没有负载或没有电流通过时正负极两端的电压。电池的开路电压Uocv一般小于电池的理论电压。截止电压Ucut

截止电压指的是电池在放电或充电时所规定的最低放电电压与最高充电电压。对于二次电池而言，截止电压是在考虑到电池容量与循环稳定性的基础上确定的，分为充电截止电压与放电截止电压。C/LiFePO4电池的充电截止电压与放电截止电压分别为4V与2.7V。第二章动力电池的组成及工作原理电池术语功率与比功率电池的功率是指在一定的放电条件下，单位时间内电池输出的能量，单位为瓦（W）或千瓦（kW）。单位质量或单位体积的电池输出的功率称为比功率，单位为W/kg或W/L。荷电状态常用SOC（StateofCharge）表示，是电池剩余电量的一种度量，具体指的是剩余电量占其可用容量的百分比。放电深度常用DOD（DepthofDischarge）表示，是电池放电程度的一种度量，具体指的是放出的容量占其可用容量的百分比。库伦效率在一定条件下，电池放电时放出的电量与充电时充入电量的百分比，叫做库伦效率，也称充放电效率。第二章动力电池的组成及工作原理电池术语能量效率在一定条件下，电池放电时放出的能量与充电时充入能量的百分比，叫做能量效率。储存性能储存性能是指电池在开路状态下，在一定的环境下（温度、湿度）储存一定时间后的电性能情况，主要检测电池的容量保持率、可恢复容量与不可恢复容量。电池寿命锂离子电池的寿命一般分为循环寿命与搁置寿命（也称日历寿命）。循环寿命指的是电池在一定的条件下（电压范围、充放电倍率、环境温度）进行充放电循环，当其放电容量衰减到某个定值时（通常规定为初始容量的80%）的循环次数。搁置寿命（日历寿命）就是指从生产之日起到到期日期，这期间包括搁置、老化、高低温、循环、工况模拟等不同测试环节。22第二章动力电池的组成及工作原理电池术语电池安全性为了确保电池在使用过程中的安全可靠，对电池的安全性要求通常较为严格，尤其是针对动力电池，在实际应用之前，电池必须通过全面的安全性能测试，具体测试内容包括：过充过放测试、短路测试、高低温测试、针刺测试、挤压测试、耐腐蚀测试、跌落震动等机械性能测试等。系统术语电芯（Cell）：组成电池模组（Module）和电池包（Pack）的最基本的元素，一般能提供的电压是3∼4V之间。常与单体混用，时常有电池系统每串只有一颗电芯。电芯一般按封装方式的不同分成三种：圆柱（Cylindrical）、方体（Prismatic）和软包（Pouch）。电池单体（Unit）：电池最基础的组成元素，由单电芯或多个电芯并联组成，提供3∼4V电压。第二章动力电池的组成及工作原理电池术语系统术语电池块（Block）：由电池单体并联组成。电池模组（Module）：由多个单体串联或并联组成，构成一个单一的物理组合，提供更高的电压和容量。例如，一个电池模块，使用四个单体串联提供名义上的12VDC的电压，或者多个单体（Cell）并联提供更大的容量。电池包（Pack）：由许多电池模组通过串联或并联组成的电池集合，同时，还包括电池管理系统（BMS）等，是电池厂最后提供给用户的产品。电池系统（System）：由一系列电池组或电池块串联或并联组成的独立的系统，包括电池包、正负极接触器等高压器件，可以对外提供电能。第二章动力电池的组成及工作原理工作原理

锂离子电池是一种二次电池，主要依靠锂离子在正极材料和负极材料之

间的嵌入与脱出，并同时通过得失电子的氧化还原反应来实现充放电。充电时，Li+从正极脱出，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，放电时则相反。电池构造

图2-1为锂离子电池内部构造示意图，锂离子电池外形有圆柱型、纽扣型、方型与薄片型，无论何种外形的锂离子电池，内部构造主要组成包括：正极

采用正极材料涂覆在集流体上，放电时发生还原反应，已成功商业化应用的正极材料主要为LiCO2、LiMn2O4、LiFePO4与三元素材料（Ni、Co、Mn）等。负极

采用负极材料涂覆在集流体上，放电时发生氧化反应，应用较多的是人造石墨，Li4Ti5O12与硅碳材料也有应用。电池壳

是一个完全密封的腔体，主要起到保护电芯内部组件的作用。第二章动力电池的组成及工作原理工作原理图2-1锂离子电池构造集流体顾名思义，就是收集电流的导体，通常正极极片的集流体采用铝箔，负极极片的集流体采用铜箔。铜箔的氧化电位是3.30V，不适合作为正极的集流体，铝箔的氧化电位是1.39V，但是铝比较特殊，可以形成致密氧化物阻止其被腐蚀氧化，所以可以作为正极的集流体。电解质

为锂离子的运动提供传输介质，可分为非水溶液体系电解液与固体电解质，非水溶液体系电解液一般由碳酸酯类有机溶剂和锂盐（

LiPF6

）两部分组成。隔膜

良好的电子绝缘体，为正、负极提供电子隔离，另一方面拥有良好的电解质离子通透性，保证锂离子在电解液中的良好传输。第二章动力电池的组成及工作原理工作原理电化学原理

图2-2锂离子电池工作原理示意图图2-2为锂离子电池的工作原理图示意图以石墨和层状LiCoO2为例，如图2-2所示，在正负极的电势差驱动下，锂离子在正负极材料之间完成脱嵌过程。充电过程中，锂离子从LiCoO2的晶格内脱出进入到电解液中，与此同时正极材料中的过渡金属Co原子失去一个电子，由正三价变为正四价。锂离子在进入电解液后与碳酸酯类分子产生溶剂化作用，并在电势差的驱动下向负极迁移，穿过隔膜、到达负极并去溶剂化插入石墨层间。与此同时电子从正极材料流出通过外电路流向负极，负极材料得到一个电子，保证了电池体系的电中性。放电时锂离子与电子的运动情况与上述相反。第二章动力电池的组成及工作原理工作原理电化学原理

锂离子电池在充放电过程中可以看做是锂离子在正负极材料之间可逆的脱嵌过程，人们形象的称之为“摇椅式电池”。电化学反应可以用以下电极反应过程表示：正极反应：负极反应：总反应：第二章动力电池的组成及工作原理工作原理充电过程

电池充电过程中，正极上的电子通过外部电路移动到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。此时：正极上发生的反应为：负极上发生的反应为：第二章动力电池的组成及工作原理工作原理放电过程

放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质是在电池正负极间加一个电阻让电子通过。由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路径不同，放电过程中，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。正极上发生的反应为：负极上发生的反应为：30第二章动力电池的组成及工作原理工作原理充放电特性

电芯正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2中拿走x个Li+后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取