电动汽车动力蓄电池及管理技术课件 第一章 电动汽车动力蓄电池概述

电动汽车动力蓄电池发展概述目录01电池的定义与发明02蓄电池技术的早期发展03干电池与碱性蓄电池的发展0420世纪电池技术的革新05锂离子电池的发展与突破06动力电池技术与应用现状07蓄电池分类电池的定义与发明01-电池（Electricbattery）是将化学能转化为电能的装置，由一个或多个电化学电池组成，通过化学反应产生电流为外部设备供电。-狭义定义：将自身储存的化学能转换为电能的装置；广义定义：包括将其他形式"预存能量"转化为电能的装置。-基本结构包含电解质及正、负电极，通过电化学反应形成电流。010203电池的定义与科学内涵-1780年，意大利解剖学家路易吉·伽伐尼（LuigiGalvani）在青蛙解剖实验中发现：双手持不同金属器械接触蛙腿时肌肉会抽搐，单一金属则无此现象。-该现象揭示了"生物电"的存在，为电池发明奠定理论基础（图1伽伐尼和青蛙实验）。0102伽伐尼的生物电发现图1伽伐尼和青蛙实验-意大利物理学家亚历山德罗·伏特（AlessandroVolta）推断电流产生源于金属与液体的反应，通过不同金属片浸在溶液中的实验验证猜想。01-1799年，伏特成功制成世界上首个电池"伏特电堆"，由多层金属片与电解液交替堆叠而成，实质为串联电池组。02-早期电池采用液态电解液（如硫酸），存在搬运困难、安全性差等问题，限制了应用范围。03伏打电堆的诞生蓄电池技术的早期发展02-1830年，威廉·斯特金解决"伏特电堆"的弱电流和极化问题，显著延长电池寿命。-1836年，英国科学家丹尼尔对"伏特电堆"进行结构优化，将锌（Zn）和铜（Cu）分别置于硫酸锌（ZnSO₄）和硫酸铜（CuSO₄）溶液中，通过盐桥或离子膜连接两种电解质，发明"丹尼尔电池"（图2丹尼尔电池）。早期电池性能改进图2丹尼尔电池-1859年，法国科学家普兰特·加斯顿发明铅酸电池，可充电重复使用，称为"铅酸蓄电池"，至今已有100多年历史。01铅酸蓄电池的发明与应用-电极主要由铅及其氧化物构成，电解液是硫酸溶液，按结构分为排气式蓄电池和免维护铅酸蓄电池。02-放电状态：正极主要成分为二氧化铅，负极为铅；充电状态：正负极均转化为硫酸铅。03-典型结构包括管式正极板、负极板、电解液、隔板、电池槽及附件（图1-4铅酸蓄电池）。04-优势：价格低廉、电流输出能力强、电压稳定；缺点：比能量低、寿命较短、需定期维护（传统型号需检查电解液密度和液面高度并补充蒸馏水）。05-免维护铅酸蓄电池通过氧循环机制（正极氧气在负极被吸收）减少水分损耗，实现无需补液的使用便利性。06图3铅酸蓄电池干电池与碱性蓄电池的发展03-结构组成：1-金属帽（+）、2-石墨棒（正极）、3-锌外壳（负极）、4-二氧化锰（阴极）、5-潮湿的氯化铵糊状液体（电解质）、6-金属末端（-）。-特点：结构简单、成本低廉，至今仍是产量最大的干电池，但属于一次性电池，无法重复使用。-1860年，法国科学家乔治·雷克兰士（GeorgeLeclanché）发明碳锌电池，采用糊状电解液，标志着干电池的诞生（图4碳锌电池及其构造）。010203碳锌干电池的诞生图4碳锌电池及其构造01-1899年，瑞典工程师沃尔德玛·杨格纳（WaldmarJungner）研制出镍镉（Ni-Cd）电池，属于碱性蓄电池。02-结构：正极采用氢氧化亚镍与石墨混合物，负极采用镉粉与氧化镉粉，电解液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。03-性能特点：重量轻、耐冲击、循环寿命长，通常通过添加少量氢氧化锂（15-20g/L）提升性能。04-工作原理：充电时，正极板活性物质变为氢氧化镍，负极板变为金属镉；放电时，正极板变为氢氧化亚镍，负极板变为氢氧化镉。镍镉电池的研制0201-1902年，托马斯·爱迪生（ThomasEdison）成功研制出可充电镍铁（Ni-Fe）电池，并在数年后实现商业化应用。-属于碱性蓄电池，采用氧化镍正极、铁负极及氢氧化钾电解液，具有重量轻、寿命长、维护简便等优点，但存在能量效率较低的缺点（图5镍铁电池）。镍铁电池的开发图5镍铁电池20世纪电池技术的革新04-20世纪初受机械与电气化发展影响，电池技术一度停滞；20世纪中叶后，新材料和新工艺推动电池技术进入快速发展阶段。新能源电池的出现-1954年，太阳能电池问世，通过光电转换实现能量利用，因资源无限、清洁环保被视为应对能源危机的重要解决方案。-1984年，荷兰飞利浦公司研制出镍氢（Ni-MH）电池，正极采用Ni(OH)₂，负极选用储氢合金，电解液为6mol/L氢氧化钾溶液，配备高保液性隔膜（图6镍氢电池）。-镍氢电池优势：相较于铅酸电池，能量密度高、重量轻、体积小及循环寿命长。图6镍氢电池Part01-1912年，吉尔伯特·牛顿·刘易斯（GilbertNewtonLewis）首次提出并研究锂电池，1970年实现商品化。锂电池的早期探索Part02-早期锂电池以二氧化锰为正极、金属锂为负极，无需充电即可输出3V以上电压，放电倍率高。Part03-缺陷：循环性能较差，充放电过程中产生的锂枝晶（纤维状结晶）易刺穿隔膜，引发内短路、燃烧或爆炸，严重阻碍商业化进程。锂离子电池的发展与突破05-1970年，英国化学家斯坦利·惠廷厄姆（M.StanleyWhittingham）率先研制出首款锂离子电池，采用硫化钛锂（LiₓTiS₂）作为阴极，金属锂作为阳极，电池电压达2.5V，可循环充放电1100次。Part.01-安全性改进：为解决金属锂活性过高导致的安全隐患，科学家探索以石墨替代金属锂作为负极，利用石墨结构稳定、可有效储存锂离子的特性。Part.02-1981年，MichelArmand首次提出"摇椅式电池（Rockingchairbatteries,RCB）"概念，即锂离子电池，正负极均采用锂嵌合物，锂以离子形式嵌入材料空隙中，避免金属锂的不稳定性。Part.03锂离子电池的技术演进-1980年，约翰·古迪纳夫（JohnB.Goodenough）团队开发层状钴酸锂（LiₓCoO₂）阴极，将电压提升至4V；1983年进一步发现聚合阴离子正极可产生更高电压，结合石墨负极解决锂枝晶问题，奠定现代锂离子电池基础。01关键材料技术突破-1989年，MichaelM.Thackeray与古迪纳夫团队发现尖晶石型锰酸锂是优异的正极材料，具有成本低、结构稳定、导电导锂性能良好等特点，分解温度高、氧化性弱于钴酸锂，可有效抑制燃烧爆炸风险。02-日本吉野彰（AkiraYoshino）将阳极材料由石墨改为石油焦，实现锂离子电池轻量化和耐久性，大幅提升充放电循环次数。0301-锂离子电池优势：能量密度高、循环寿命长、充放电性能好、使用电压高、无记忆效应、污染小和安全性高。02-技术演进关键突破：a)1991年索尼公司首次实现商业化应用，采用碳负极与含锂化合物正极结构，初期容量为600mAh；b)1995年索尼推出100Ah车用电池，开启电动汽车应用先河；c)1996年AkshayaPadhi和古迪纳夫团队开发LiFePO₄正极材料，借橄榄石结构实现耐高温（>60℃）、抗过充等安全突破；d)1999年聚合物锂离子电池面世，采用固态/胶态电解质，重量减轻30%以上，支持柔性封装设计。03-2019年诺贝尔化学奖：约翰·古迪纳夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰因在锂离子电池领域的革命性贡献被授予该奖项。商业化进程与技术特点动力电池技术与应用现状06-动力电池是新能源汽车的核心能源装置，主要为电动汽车、混合动力汽车等提供动力来源。01-根据电化学体系差异，动力电池可分为锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池、镍镉电池、钠硫电池及燃料电池等。02-早期电池技术受限于比能量、比功率、循环寿命、安全性及成本等因素，制约了在电动汽车领域的应用。03动力电池的类型与特点-随着全球能源与交通领域对清洁技术的重视，动力电池技术取得显著突破，锂离子电池在安全性与能量密度方面的提升，为电动汽车的规模化推广奠定重要基础。-目前，锂离子电池凭借其高能量密度、长循环寿命等优势，已成为新能源汽车的核心动力源之一（图7搭载锂离子电池的新能源汽车）。0102锂离子电池的应用优势图7搭载锂离子电池的新能源汽车蓄电池分类07物理电池是指能够利用光、热、物理吸附等物理能量发电的电池，典型的物理电池有太阳能电池、超级电容器和飞轮电池。物理电池飞轮电池是一种高效、清洁的储能装置，具有充放电迅速、环境友好等特点，在新能源汽车领域具有重要应用价值。工作原理为：车辆行驶或制动时，外部电能驱动电机带动飞轮高速旋转，将电能转化为动能储存；当车辆加速或爬坡时，飞轮带动电机发电，将动能转化为电能输出，从而为车辆提供动力支持。按工作原理分类生物电池是一种将生物质能直接转换为电能的装置。其核心原理基于生物体内的氧化还原反应，该反应在能量代谢过程中产生并储存生物质能。常见的生物电池类型包括微生物电池、酶电池和生物太阳能电池等。生物电池01化学电池是指利用化学反应来发电的装置。化学电池02按工作原理分类按正极材料分类锌系列电池：锌锰电池、锌银电池等。铅系列电池：铅酸蓄电池等。镍系列电池：镍镉电池、镍氢电池、镍铁电池等。锂系列电池：磷酸铁锂电池、三元聚合物锂电池等。锰系列电池：锂锰电池、碱锰电池等。空气（氧气）系列电池：锌空气电池、铅空气电池等。按电解质的性质分类酸性电池：电解质呈现酸性的电池，如铅酸蓄电池的电解质是硫酸的水溶液。碱性电池：电解质呈现碱性的电池，如镍氢电池的电解质是氢氧化钾的水溶液。中性电池：电解质为盐溶液、呈现电中性的电池，如锌锰干电池、海水电池等。有机电解液电池：如锂离子电池的电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、添加剂等原料按一定比例配置而成。按工作性质和存储方式分类一次电池：也称为原电池，是指电量放完后不能充电再使其恢复的电池，如锌锰干电池和锂纽扣电池都属于一次电池。二次电池：也称为蓄电池或可充电电池，是指在电池放电后可通过充电的方式使活性物质激活而继续使用的电池。如当前电动汽车所采用的镍氢电池、三元聚合物锂电池等都是二次电池。化学电池的分类二次电池工作原理：充电时，在外加电场作用下，正极材料失去电子被氧化，负极材料得到电子被还原，最终达到满电状态；放电时，在正负极材料间电势差的作用下，正极材料得到电子被还原，负极材料失去电子被氧化，最终达到完全放电状态。燃料电池：也称为连续电池，通过持续供给活性物质（如氢气与氧气）实现稳定发电，典型代表包括氢氧燃料电池和金属燃料电池。其工作原理为：氢气在阳极（负极）经铂催化剂作用解离为质子（H⁺）和电子（e⁻），质子穿过质子交换膜到达阴极（正极），电子则通过外电路形成电流；阴极侧的氧与质子、电子结合生成水。该过程无CO、CO₂、硫或颗粒物排放，仅产物为水，具有高效清洁特性。储备电池：储备电池是一类特殊形式的原电池，其电极活性物质与电解质分开存放，无自放电，储存时间可达5~10年且不需维护。当需要使用电池时，可用电解液或水（溶剂）临时将其激活，一次完成放电，如镁-氯化银电池。按工作性质和存储方式分类按工作原理分类谢谢大家车载动力电池应用情况和基本特性02040301CONTENTS主流锂离子电池的车载应用概况动力电池市场应用现状与趋势动力电池基本特性各类电池特性对比分析目录主流锂离子电池的车载应用概况01表1目前主流锂离子电池的车载应用情况|电池类型|典型供应商|代表车企/车型|能量密度（Wh/kg）|优缺点||----------|------------|--------------|-------------------|--------||镍钴锰（NCM）|宁德时代、LG新能源|宝马iX3、蔚来ET7|200~300|高能量密度，但成本高、热稳定性一般||镍钴铝（NCA）|松下|特斯拉Model3/Y长续航版|250~300|能量密度最高、但安全性较低||磷酸铁锂（LFP）|比亚迪、宁德时代|比亚迪汉、特斯拉Model3|140~180|低成本、高安全性、能量密度低||锰酸锂（LMO）|日产、东芝|日产Leaf、本田FitEV|100~150|成本低、寿命短、适合混动/低端车型|.|钛酸锂（LMO-LTO）|东芝|三菱i-MiEV|70~100|超快充、超长寿命，但能量密度极低|主流锂离子电池车载应用情况对比磷酸铁锂电池（LFP）特性：安全性高（热失控温度>500℃）、成本低，但能量密度较低（140~180Wh/kg）。应用：中低端车型及部分长续航优化车型，如比亚迪汉EV（刀片电池，续航700km+）、特斯拉Model3标准版（宁德时代LFP电池）。供应商：比亚迪、宁德时代（麒麟电池）、国轩高科等。三元锂电池（NCM/NCA）特性：能量密度高（200~300Wh/kg），但热稳定性较差，成本较高。应用：主要适配长续航高端车型，如特斯拉Model3/Y（NCA电池，续航600km+）、宝马iX3（NCM811电池）、蔚来ET7（半固态NCM电池，续航1000km）。供应商：宁德时代（NCM523/811）、LG新能源（NCM712）、松下（NCA）。锰酸锂电池（LMO）特性：成本低、安全性好，但能量密度（100~150Wh/kg）和循环寿命受限。应用：经济型车型，如日产Leaf、本田FitEV。供应商：日产、东芝等。主流动力电池材料体系特性及应用动力电池市场应用现状与趋势02高端车型电池应用当前，高端车型仍以高镍三元（NCM/NCA）为主，追求长续航（如特斯拉、蔚来）。01中低端市场电池应用在中低端市场中，LFP电池占比提升（比亚迪、特斯拉标准版）。02不同市场层级电池应用特点在未来技术中，固态电池（半固态NCM）、钠离子电池将成新重点方向。未来电池技术发展方向动力电池基本特性03此外，若未定期充满电，硫酸盐晶体的析出会降低电极孔隙度，限制活性物质反应，造成容量衰减。然而，其比能量与比功率较低，且充放电方式对寿命影响显著：长期过充电易导致活性物质脱落，放电深度低于20%或反复过放会急剧缩短寿命。铅酸电池因其电压稳定性好、成本低廉，目前仍广泛应用于旅游观光车、电动叉车、AGV及短途公交等领域。未来研究重点在于提升比能量及改善高倍率部分荷电状态下的循环寿命，以拓展其在电动汽车领域的应用潜力。铅酸电池然而，镍氢电池的推广应用仍存在以下限制：一是低温环境下容量衰减，高温时充电耐受性降低；二是原材料成本较高，尤其是金属镍价格昂贵。02此外，镍氢电池虽储能能力较强，但过放电易导致不可逆损伤，需将荷电状态（Stateofcharge,SOC）控制在较窄范围内，实际可用能量比例较低。例如，丰田Prius仅能利用电池总容量的20%。03商用混合动力汽车（HEV）普遍采用镍氢电池，其比能量高于镍镉电池且环境友好，同时在体积比能量和比功率方面显著优于铅酸电池。01镍氢电池锂离子电池主要由石墨阳极、锂金属氧化物阴极及有机电解液构成，具有轻量化、高比能量（单体电压约3.7V）等优势。相较于镍氢电池，其工作电压更高、体积更小、循环寿命更长，且无记忆效应、自放电率低、环境友好。目前电动汽车领域主要采用磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池热稳定性优异、安全性高、成本较低，适用于小型电动汽车及插电式混合动力汽车（PHEV）；但其比