第一部分動力電池講解

1、電池的分類依外形區(qū)分圓柱形 例：1號/2號/5號/7號等，部分鋰電池。鈕扣形 例：水銀電池，適用于電子表、助聽器等。 方形 例：9V電池，適用于無線麥克風(fēng)、玩具等。 薄片形 例：太陽能電池板，適用于計(jì)算機(jī)、戶外建物。依使用次數(shù)區(qū)分一次電池：用完即丟，無法重復(fù)使用者，如：碳鋅電池、堿性電池、水銀電池、鋰電池。二次電池：可充電重復(fù)使用者，如：鎳鎘充電電池、鎳氫充電電池、鋰充電電池、鉛酸電池、太陽能電池。電池發(fā)展史電池的誕生，基于人們對于獲取持續(xù)而穩(wěn)定的電流的需要。不過，電池的發(fā)明，是來源于一次青蛙的解剖實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的靈感，多少有些偶然。 1780年的一天，意大利解剖學(xué)家伽伐尼（Luigi Galva

2、ni）在做青蛙解剖時，兩手分別拿著不同的金屬器械，無意中同時碰在青蛙的大腿上，青蛙腿部的肌肉立刻抽搐了一下，仿佛受到電流的刺激，而如果只用一種金屬器械去觸動青蛙，就無此種反應(yīng)。伽伐尼認(rèn)為，出現(xiàn)這種現(xiàn)像是因?yàn)閯游镘|體內(nèi)部產(chǎn)生的一種電，他稱之為“生物電”。伽伐尼的發(fā)現(xiàn)引起了物理學(xué)家們的極大興趣，他們競相重復(fù)伽伐尼的實(shí)驗(yàn)，企圖找到一種產(chǎn)生電流的方法。而意大利物理學(xué)家伏特（Alessandro Volta）在多次實(shí)驗(yàn)后則認(rèn)為：青蛙的肌肉之所以能產(chǎn)生電流，大概是肌肉中某種液體在起作用。為了論證自己的觀點(diǎn)，伏特把兩種不同的金屬片浸在各種溶液中進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這兩種金屬片中，只要有一種與溶液發(fā)生了化學(xué)反

3、應(yīng)，金屬片之間就能夠產(chǎn)生電流。1799年，伏特成功制成了世界上第一個電池“伏特電堆”。這個“伏特電堆”實(shí)際上就是串聯(lián)的電池組。濕電池的誕生在十八世紀(jì)發(fā)電機(jī)誕生之前（發(fā)電機(jī)于十八世紀(jì)70年代誕生并得到完善），1836年，英國的丹尼爾對“伏特電堆”進(jìn)行了改良，又陸續(xù)有效果更好的“本生電池”和“格羅夫電池”等。Daniell電池（另有三個別名：因鋅電極的典型形狀而得名的“Crowfoot電池”，因重力使兩種硫酸鹽分開而得名的“重力電池”，以及因?yàn)槭褂靡后w電解質(zhì)而得名的“濕電池”，它與現(xiàn)代“干電池”正相反）是極為普遍的電報和門鈴供電裝置。Daniell電池是由銅極板和鋅極板以及硫酸銅和硫酸鋅組成的濕電

4、池。 要制作Daniell電池，將銅極板置于玻璃瓶的底部。向銅極板上倒入半瓶硫酸銅溶液。然后將鋅極板懸于瓶中（如圖所示），并慢慢將硫酸鋅溶液倒入瓶中。由于硫酸銅的密度大于硫酸鋅，因此硫酸鋅將“懸浮于”硫酸銅之上。顯而易見，這種方法在搬運(yùn)電池時會有較大危險性，但對于固定設(shè)備卻比較適合。 干電池的誕生 干電池的鼻祖在19世紀(jì)中期誕生。1860年，法國的雷克蘭士（George Leclanche）發(fā)明了碳鋅電池，這種電池更容易制造，且最初潮濕水性的電解液，逐漸被黏濁狀類似糨糊的方式取代，于是裝在容器內(nèi)時，“干”性的電池出現(xiàn)了。 1887年，英國人赫勒森（Wilhelm Hellesen）發(fā)明了最早的

5、干電池。相對于液體電池而言，干電池的電解液為糊狀，不會溢漏，便于攜帶，因此獲得了廣泛應(yīng)用。 如今，干電池已經(jīng)發(fā)展成為一個龐大的家族，種類達(dá)100多種。常見的有普通鋅-錳干電池、堿性鋅-錳干電池、鎂-錳干電池等。不過，最早發(fā)明的碳鋅電池依然是現(xiàn)代干電池中產(chǎn)量最大的電池。在干電池技術(shù)的不斷發(fā)展過程中，新的問題又出現(xiàn)了。人們發(fā)現(xiàn)，干電池盡管使用方便、價格低廉，但用完即廢，無法重新利用。另外，由于以金屬為原料容易造成原材料浪費(fèi)，廢棄電池還會造成環(huán)境污染。于是，能夠經(jīng)過多次充電放電循環(huán)，反復(fù)使用的蓄電池成為新的方向。 事實(shí)上，蓄電池的最早發(fā)明同樣可以追溯到1860年。當(dāng)年，法國人普朗泰（Gaston P

6、lante）發(fā)明出用鉛做電極的電池。這種電池的獨(dú)特之處是，當(dāng)電池使用一段時間電壓下降時，可以給它通以反向電流，使電池電壓回升。因?yàn)檫@種電池能充電，并可反復(fù)使用，所以稱它為“蓄電池”。 1890年，愛迪生發(fā)明可充電的鐵鎳電池，1910年可充電的鐵鎳電池商業(yè)化生產(chǎn)。如今，充電電池的種類越來越豐富，形式也越來越多樣，從最早的鉛蓄電池，鉛晶蓄電池，到鐵鎳蓄電池以及銀鋅蓄電池，發(fā)展到鉛酸蓄電池、太陽能電池以及鋰電池等等。與此同時，蓄電池的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，電容越來越大，性能越來越穩(wěn)定，充電越來越便捷。鋰電池的產(chǎn)生 在電池這個領(lǐng)域，鋰離子電池和燃料電池成為最令人矚目的明星。 其實(shí)整個電池的發(fā)展史也可以說是

7、一個“試試各種金屬能不能造電池”的歷史?，F(xiàn)在電池界最紅的金屬是“鋰”。鋰是所有金屬里最輕的，比水還輕，而且特別活潑，需要保存在石蠟里。實(shí)際上，當(dāng)初愛迪生就曾經(jīng)發(fā)明過鋰電池，但是由于鋰金屬的化學(xué)特性非常活潑，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高，所以鋰電池長期沒有得到應(yīng)用?，F(xiàn)在，人們對電池“求賢若渴”，這些問題也就不是問題了。恰好鋰電池具有能量重量比高、電壓高、自放電小、可長時間存放等優(yōu)點(diǎn)，所以它在近30年中取得了巨大發(fā)展。我們用的計(jì)算機(jī)、計(jì)算器、照相機(jī)、手表中的電池都是鋰電池。 鋰電池組裝完成后電池即有電壓，不需充電。這種電池也可以充電，但循環(huán)性能不好，在充放電循環(huán)過程中，容易形成鋰

8、枝晶（記憶效應(yīng)），造成電池內(nèi)部短路，所以一般情況下這種電池是禁止充電的。后來，索尼公司發(fā)明了以炭材料（石墨）為負(fù)極，以含鋰的化合物做正極，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。 鋰離子電池的優(yōu)勢十分明顯：工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長。鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極之間跑來跑去來充電和放電。這個領(lǐng)域最牛的技術(shù)是“層迭電池結(jié)構(gòu)”，也就是把好多個電池做成很薄的層然后迭在一起，這樣可以用很小的體積達(dá)到很高的效率。所以，鋰離子電池被廣泛應(yīng)用于汽車、筆記本、手機(jī)等行業(yè)。1600年Gilbert（美國）建立對電池的研究基礎(chǔ)。1791年Ga

9、vani（意大利）提出“動物電”學(xué)說。1800年Volta（意大利）制成了聞名當(dāng)且沿襲至今的“伏打電堆”并介紹鋅銀電池堆。1831年Farate（英國）宣布法拉第定律。1836年Danide（英國）發(fā)明丹尼爾電池。1840年Armstrong（英國）發(fā)明水力發(fā)電機(jī)。1842年W.R.grove創(chuàng)制了氫氧燃料電池。1859年P(guān)lante（英國）發(fā)明鉛酸電池1870年采用西門子發(fā)電機(jī)將鉛酸電池改為二次電池。1866年Siemen（德國）對發(fā)電機(jī)進(jìn)行改革。1868年Leclanche（法國）研制成功Z-MnO2電池并于1876年用樹脂作粘結(jié)劑改進(jìn)原電池。1888年Gassner（美國）發(fā)明糊式勒克謝

10、電池，其結(jié)構(gòu)形式沿用至今。1889年Jungner（瑞典）二次Z-Ag電池。1898年Jungner（瑞典）發(fā)明Cd-Ni堿性蓄電池。1900年Jungner（瑞典）堿性Z-MnO2電池研制成功。1901年Jungner（瑞典）與Edison（美國）合作發(fā)明Fe-Ni堿性蓄電池。1901年Michaelowski（俄羅斯）發(fā)明Z-Ni電池。1930年Drumm（愛爾蘭）首先制備出實(shí)用的Z-Ni電池。1932年Ackermann（德國）發(fā)明了燒結(jié)式電極板。(主要是鎳鎘)1939年1941年前蘇聯(lián)科學(xué)院院士A.H.PYMKUH研制成第一只實(shí)用型“氫氧燃料電池”。1947年Neumann（法國）成功

11、研制成密封式Cd-Ni電池。1950年前蘇聯(lián)、法、德燒結(jié)式開口Cd-Ni電池開始生產(chǎn)、堿性MnO2電池商品化。1960S美、前蘇聯(lián)研制成氫-鎳電池。1970S（美國）Li-SOCL2、Li-SO2在美國軍事及宇宙飛船上應(yīng)用。1984年（荷蘭）飛立浦公司解決了LaNi5合金在充放電過程中的容量衰減問題，拉開了MH-Ni電池開發(fā)熱潮。1990年（日本）日本索尼公司宣布制成了鋰離子蓄電池并于1992年商品化。1994年（美國）美國Bellcore公司宣布研制成功聚合物鋰離子電池。二、電池工作原理電池實(shí)際上是一個由大量可以生成電子的化學(xué)物質(zhì)組成的裝置，生成電子的化學(xué)反應(yīng)稱為“電化學(xué)反應(yīng)”。本章節(jié)從電池

12、的基本工作原理、電池內(nèi)部發(fā)生的實(shí)際化學(xué)反應(yīng)、電池未來的發(fā)展前景以及可能會取代電池的能量源等方面對電池進(jìn)行介紹。 如果你留意一下電池，便會發(fā)現(xiàn)它有兩個端子。一個端子標(biāo)記為（+）（正極），另一個端子標(biāo)記為（-）（負(fù)極）。在AA型、C型或D型電池（普通的手電筒電池）中，電池的兩端便是端子。在大型的汽車蓄電池中，有兩個較重的極柱用作端子。 電子聚集在電池的負(fù)極端子，如果在負(fù)極端子和正極端子之間連接一根金屬線，電子便會從負(fù)極端子迅速流向正極端子（并且會瞬間擊壞電池這種情況通常比較危險，尤其對于大型電池更是如此，因此切勿執(zhí)行此操作）。通常情況下，應(yīng)使用金屬線將某種類型的負(fù)載連接到電池，負(fù)載可以是燈泡、電動

13、機(jī)或類似無線電這樣的電路。 電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)可生成電子，兩個端子之間流動的電子數(shù)量取決于此化學(xué)反應(yīng)生成電子的速度（電池的內(nèi)部電阻）。電子從電池流入金屬線，并且必須從負(fù)極端子流向正極端子才會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這就是電池在閑置一年以后仍具有大量能量的原因除非電子從負(fù)極端子流向正極端子，否則將不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)連接金屬線后，將開始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 1800年，Alessandro Volta（伏特）發(fā)明了第一塊電池。為了制作這塊電池，他將鋅片、用鹽水浸泡過的吸墨紙和銀片交替堆疊在一起，如圖所示： （伏打電堆 圖示）這種結(jié)構(gòu)稱為伏打電堆。伏打電堆的頂層和底層必須是不同的金屬，如圖所示。如果用一根金屬線將

14、伏打電堆的頂部和底部連接在一起，便可以從電堆中測量到電壓和電流。電堆的高度不受限制，每增加一層都會使電壓按固定值遞增。 假設(shè)有一瓶硫酸（H2SO4），將鋅棒放入其中后，硫酸會立即將鋅棒溶解。隨后會看到鋅棒上生成了氫氣氣泡，此時鋅棒和硫酸將開始變熱。下面介紹了所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)： 硫酸分子離解為三個離子：兩個H+離子和一個SO4-離子。 鋅棒表面上的鋅原子失去兩個電子（2e-），變?yōu)閆n+ 離子。 Zn+離子與SO4-離子結(jié)合生成ZnSO4，后者溶解于硫酸。 鋅原子失去的電子與硫酸中的氫離子結(jié)合生成H2分子（氫氣）。因此我們看到鋅棒上產(chǎn)生了氫氣泡。 如果此時將一根碳棒放入硫酸中，則硫酸與碳棒之間不

15、會發(fā)生任何反應(yīng)。但如果在鋅棒與碳棒之間連接一根金屬線，則將發(fā)生兩個變化： 電子流經(jīng)金屬線并與碳棒上的氫結(jié)合，因此碳棒上開始產(chǎn)生氫氣泡。 熱量已經(jīng)減少。可以使用流經(jīng)金屬線的電子為電燈泡或相似負(fù)載供電，并可以測量金屬線的電壓和電流，而某些熱能已轉(zhuǎn)化為電子移動。 而電子很難移動到碳棒，因?yàn)樗鼈兏菀着c碳棒上的氫結(jié)合。該電池將產(chǎn)生0.76伏的特征電壓。最終，鋅棒將完全溶解，或硫酸中的氫離子被耗光，從而使電池“耗盡”。動力電池的評價條件在電動汽車上,電池系統(tǒng)是一項(xiàng)關(guān)鍵核心的部件.特別是在純電動汽車上,蓄電池作為唯一的動力源尤為重要.處于實(shí)際運(yùn)行的需要,電動汽車對電池的性能提出了一定的要求,主要包括:(1

16、) 能量密度高,以提高運(yùn)行效率和續(xù)航里程(2) 輸出功率密度高,以滿足駕駛性的要求(3) 工作溫度范圍寬廣,以滿足夏季高溫和冬季低溫的運(yùn)行需要(-40+50)(4) 循環(huán)壽命長，保證電池的使用年限和行駛總里程；(5) 無記憶效應(yīng)，以滿足車輛在使用的時候常處于非完全放電狀態(tài)下的充電需要(6) 自放電率小，滿足車輛較長時間的擱置需求。(7) 此外，還要求電池的安全性好、可靠性高以及可循環(huán)利用等。（1） 什么是比能量?比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位，W是瓦、h 是小時；kg是千克(重量單位)，L是升(體積單位)。小體積（小質(zhì)量）大能量是發(fā)展

17、趨勢。（2） 輸出能量密度高，可以理解為燃油車的馬力提供，對轉(zhuǎn)彎、上坡、加速效果影響大。電池對車輛的電流、電壓供給能力要高。 （3） 溫度涉及到電池的儲存、用途、安全性等方面。特殊用途的要承受極高溫度，如勘探鉆頭上的鋰電池要承受150高溫。但相對于動力電池溫度就相對低一些。在使用過程中曾有爆炸，前幾年的筆記本電腦電池爆炸事件。（4） 循環(huán)壽命：在電池組中電池以串聯(lián)形式進(jìn)行連接，因各個電池之間無法保障完全一致，在使用過程中各個電池會有較大損耗，所以電池組的循環(huán)次數(shù)一般小于單只電池的循環(huán)次數(shù)。 類型單只/次數(shù)電池組/次鉛酸電池8001000500聚合物鋰?yán)与姵?500200010001500次注

18、：數(shù)據(jù)基本屬于實(shí)驗(yàn)室測量得出，路測結(jié)果還會有較大差別；以電池能量降低到原有80%為標(biāo)準(zhǔn)(5) 電池記憶效應(yīng)定義：如果電池屬鎳鎘電池，長期不徹底充電、放電，易在電池內(nèi)留下痕跡，降低電池容量，這種現(xiàn)象稱為電池記憶效應(yīng)。意思是說，電池好像記憶用戶日常的充、放電幅度和模式，日久就很難改變這種模式，不能再做大幅度充電或放電。 鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。例：手機(jī)、筆記本電池初始使用都要進(jìn)行2到3次深度充放電（6）因?yàn)橹谱麟姵氐脑牧喜豢赡苁前俜种俚募儯倳须s質(zhì)混在中間，所以可避免地存在自放電現(xiàn)象。（電池內(nèi)部產(chǎn)生小的放電系統(tǒng)）自放電大小即自放電率與正極材料在電解液中的溶解性和它受熱后的不穩(wěn)定性（易自我分

19、解）有關(guān)?？沙潆婋姵氐淖苑烹娺h(yuǎn)比一次電池高。而且電池類型不同，電池每月的自放電率也不一樣。一般在10-35%變動。一次電池的自放電明顯要低得多，在室溫下每年不超過2%。儲存過程中與自放電伴隨的是電池內(nèi)阻上升，這會造成電池負(fù)荷力的降低，而在放電電流較大的情況下，能量的損失變化非常明顯。下表列出了正常儲存條件下自放電的近似值：類型形狀自放電率/月堿錳MnO2/Zn圓形電池約2%鋅碳MnO2/Zn圓形電池 4%鋰離子鋰MnO2圓形電池 約1%鋰離子鋰MnO2紐扣電池約1%鎳鎘電池 35% 鎳氫電池 35%鉛蓄電池 20-30%（7）安全性能受到外包裝、產(chǎn)品品質(zhì)、使用條件等因素影響。目前市場上鉛酸電池

20、安全性很高，鋰電池有很多產(chǎn)品采用軟包裝形式為避免脹氣等引發(fā)爆炸。類型特點(diǎn)價格安全性鉛酸電壓低、有污染、體積大、循環(huán)壽命短便宜高鋰電工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、能量高、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長貴有爆炸隱患電池管理系統(tǒng)智能型電池管理系統(tǒng)（BMS），用于檢測所有電池的電壓、電池的環(huán)境溫度、電池組總電流、電池的無損均衡控制、充電機(jī)的管理及各種告警信息的輸出。例：電池組作為串聯(lián)電路在使用電池管理系統(tǒng)中，可避免在使用過程中因單只電池?fù)p壞導(dǎo)致整個電池組無法使用情況。電池的主要性能包括額定容量，單位Ah來表示額定電壓：鋰電池一般3.7V，鉛酸2V左右充放電速率：大電流充電會使電池發(fā)熱有安全隱患，且損害電池使用壽命。小電流充電安全，但浪費(fèi)時間和效率阻抗：或?qū)е码姵乜s短使用壽命的東西壽命和自放電率：從結(jié)構(gòu)上看，鋰離子電池主要包含四部分：正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜及超薄銅箔鋁箔