新能源汽车动力电池系统课件：动力电池化学原理

新能源汽车动力电池系统

动力电池化学原理电动汽车与新能源汽车概述0102目录Contents主流动力电池技术03新型动力电池技术原理与探索传动系统布置形式04动力电池性能对比与未来发展方向

PART1动力电池基础原理与核心术语动力电池工作原理01充放电过程中锂离子迁移机制：

02电化学反应本质：依靠锂离子在正负极材料间的嵌入与脱出，同时通过得失电子的氧化还原反应实现充放电，维持电池体系电中性核心术语与关键参数电压类

核心术语与关键参数电压类

图1.1核心术语与关键参数电压类标称电压：标识电池的近似电压，用于区分电化学体系常见电池体系的单体标称电压见表1.1表1.1常见电池体系的单体标称电压核心术语与关键参数电压类放电终止电压：指电池放电时，电压下降到不宜再继续放电的最低工作电压，也称为放电截止电压。

不同类型、放电条件的电池，对容量和寿命要求不同，所以规定的放电终止电压

也不同。通常，低温或大电流放电时，因电极极化大、活性物质利用不充分、电压下降快，终止电压规定得低；小电流长时间放电时，由于电极极化小、活性物质利用较充分、电压下降慢，终止电压规定得高。充电限制电压：指按规定的充电制度，电池由恒流充电转入恒压充电时的最大电压值，也称为充电终止电压。

不同电化学体系的电池充电限制电压也不同，如铅酸蓄电池的充电限制电压一般为2.4V，磷酸铁锂电池的充电限制电压一般为3.8V。核心术语与关键参数容量类

核心术语与关键参数容量类

核心术语与关键参数容量类

核心术语与关键参数电池能量

核心术语与关键参数电池能量

核心术语与关键参数电池能量

核心术语与关键参数电池能量同样电池中必然包含不参与电池反应的物质，这导致电池的质量效率总是小于1。这类物质主要有以下几类：过剩的活性物质：设计电池时，正、负两个电极的活性物质无法恰好等量，总有一极的活性物质过剩；这种过剩有时是必需的（如密封的镍镉蓄电池、锌-氧化银电池中，负极活性物质需有25%~75%的过剩量，防止充电时负极产生氢气）。电解质溶液：部分电池的电解质溶液不参与反应，部分参与反应的电解质溶液也需要一定过剩量。电极添加剂：如导电物质、膨胀剂、吸收电解质溶液的纤维素等，部分添加剂质量占电极总质量比例较大。电池的外壳、电极的板栅、骨架等。核心术语与关键参数电池功率与功率密度

核心术语与关键参数电池功率与功率密度

核心术语与关键参数

核心术语与关键参数

核心术语与关键参数放电电流

放电电流指电池放电时电流的大小，直接影响电池各项性能指标，因此谈及电池容量或能量时，需说明放电电流大小或放电条件，放电率常用“时率”和“倍率”两种形式表示：

核心术语与关键参数荷电状态

荷电状态（SOC）反映电池的剩余电量状况，是电池使用过程中的重要参数，以百分比形式呈现，数值在0-100%之间。：

核心术语与关键参数自放电特性

自放电特性主要包括自放电和自放电率两部分：

核心术语与关键参数电池寿命

电池寿命主要包括循环寿命和贮存寿命两部分：

循环寿命定义：蓄电池经历一次充电和放电为一个循环（周期）；在一定放电制度下，电池容量降低至某一规定值前，所能耐受的循环次数，是衡量蓄电池性能的重要参数。影响因素：除正确使用与维护外，还包括①电极活性表面积在充放电中不断减小，工作电流密度上升、极化增强；②电极上活性物质脱落或转移；③电极材料发生腐蚀；④循环中电极生成枝晶，造成电池内部微短路；⑤隔膜老化、损坏；⑥活性物质在充放电中发生不可逆晶形改变，活性降低。贮存寿命定义：电池自放电后，可用容量下降到某一规定容量所经过的时间，也称搁置寿命；电池长期搁置后容量变化的特性为贮存性能。贮存特点：电池贮存时内部常存在自放电现象。干态贮存（无电解液）若密封不严，水分、空气进入会使正/负极活性物质发生微电池腐蚀，自行氧化还原为热能；湿态贮存（带电解液）自放电更明显，贮存寿命更短。因此，储备电池常采用干态贮存（使用时加电解液激活），可长期保存。

PART2主流动力电池技术——三元电池与铁锂电池

三元电池材料结构特性

三元电池化学机理

三元电池材料改性方法

铁锂电池（磷酸铁锂体系）材料结构特性

铁锂电池（磷酸铁锂体系）化学机理

铁锂电池（磷酸铁锂体系）材料改性方法

PART3新型动力电池技术原理与探索

发展背景20世纪80年代研发，早期因能量密度低于锂离子电池被忽视，近年因钠资源丰富、成本低重新受关注。核心差异

钠离子电池钠离子电池技术概述技术优势钠盐电导率较高，可选用低浓度电解液，进而降低生产成本。钠资源丰富且价格低廉，原料成本优于锂离子电池。钠离子电池无过放电特性，能够放电至0V。锂离子与铝在低于0.1V（vs.Li⁺/Li）时会发生合金反应，钠离子不会（为电池结构设计等提供优势，如铝可作为集流体等）。充电

钠离子电池工作原理放电

钠离子电池工作原理核心突破以固态电解质替代液态电解质，解决传统锂离子电池能量密度、安全性瓶颈，被视为下一代电池技术固态电池技术概述与液态电池差异工作原理相同（锂离子迁移实现充放电），但电解质为固态，兼具离子传导和隔膜功能（阻隔正负极短路）固态电池锂离子电池由阴极、阳极两个金属（或复合）电极组成，浸没在作为电解质的锂盐溶液（导电液体）中，锂盐溶液为阴阳极间的可逆化学反应提供必需离子。固态电池工作原理与液态锂离子电池相同，主要区别在于电解质形态，固态电池电解质为固体，传统液态电池电解质为液体（如图a为固态电池，电解质采用固态物质；图b为传统液态电池，电解质是液态物质）。固态电池工作原理固态电池与液态电池对比安全性固态电解质不可燃、耐高温，避免电解液泄漏和短路，根除热失控风险固态电池关键特性与技术核心技术

固态电池核心特点以金属为阳极、空气中氧气为阴极反应物（开孔式结构），理论能量密度高、成本低，类型包括锂空气、锌空气、铁空气等

金属空气电池技术概述电解质分类水系电解质（不易燃、导电好，但金属负极易自腐蚀）、非水系电解质（缓解腐蚀，但可燃、导电差）金属空气电池性能问题充放电性能差，金属阳极枝晶生长、体积波动致界面不稳定，固体电解质与电极接触不良（界面电阻大）

金属空气电池技术挑战发展方向研发固态电解质（提升热稳定性和能量密度）、优化催化剂（解决多步催化反应不确定性）金属空气电池PART4动力电池性能对比与未来发展方向

不同体系动力电池性能对比性能参数铅酸电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池（三元）锂离子电池（铁锂）钠离子电池工作电压（V）2.01.21.23.6-3.73.2接近锂离子电池质量比能量（W・h/kg0-505060-70≥300150-200低于锂离子电池循环寿命（次）300-500300-600300-700≥1000≥2000待产业化验证月自放电率（%）20-3025-3015-301-31-5较低记忆效应有有无无无无有害物质铅镉无无无无电池重量重重重较轻较轻较轻核心目标提升能量