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鋰離子動(dòng)力電池的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量：5867次  |  2019年08月18日  

鋰離子動(dòng)力電池的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及發(fā)展前景


2．1鋰離子電池的工作原理




鋰離子電池的工作原理是：電池充電時(shí)，正極材料中的鋰脫出來(lái)，穿過(guò)隔膜進(jìn)入到負(fù)極石墨中；電池放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極石墨中脫出來(lái)，穿過(guò)隔膜回到正極材料中。隨充放電的進(jìn)行鋰離子不斷的從正極和負(fù)極中嵌入和脫出。



2.2聚合物鋰離子的結(jié)構(gòu)



2.3鋰離子動(dòng)力電池的特點(diǎn)及發(fā)展前景


（1）單體電池工作電壓高達(dá)3.7V，是鎳鎘電池,鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰電池比能量高的一個(gè)重要原因。因此組成相同電壓的動(dòng)力電池組時(shí)，鋰電池使用的串聯(lián)數(shù)目會(huì)大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動(dòng)力電池中單體電池?cái)?shù)量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實(shí)際使用過(guò)程中電池組有問(wèn)題分析后，一般是其中一、兩個(gè)單體電池出問(wèn)題然后導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)問(wèn)題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個(gè)角度上講鋰電更適合動(dòng)力電池的使用。例如36V的鋰電只需要10個(gè)單體，而36V鉛酸電池需要18個(gè)單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個(gè)單格即六個(gè)單體電池組成。


（2）重量輕，比能量大，高達(dá)150Wh/Kg,是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個(gè)角度講鋰電消耗的資源就少，而且由于錳酸鋰電池中所用元素的儲(chǔ)量比較多，因此相對(duì)鉛酸、鎳氫電池可能會(huì)進(jìn)一步漲價(jià)，鋰電池成本反而是進(jìn)一步降低的。電動(dòng)自行車用鋰離子電池重量為2.2-4公斤，鉛酸電池的重量為12-20公斤，鋰電重量約為鉛酸電池的四分之一到三分之一，比鉛酸電池輕約10公斤（36V，10Ah電池），電池重量減輕了70％,整車總重量至少減輕了20％。加上一般鋰電車都是簡(jiǎn)易款的電動(dòng)自行車，由于電池和整車輕，相同電壓、相同容量的電池行駛里程更長(zhǎng)，普通的電動(dòng)車重量在40公斤以上,而鋰電池電動(dòng)自行車重量在7到26公斤之間。女士和老年人都可以輕易搬動(dòng),人力騎行也十分輕便，運(yùn)動(dòng)休閑兼得。


（3）體積小，高達(dá)到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計(jì)條件、設(shè)計(jì)空間和可能性。現(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設(shè)計(jì)師們的設(shè)計(jì)思想受到極大約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段的電動(dòng)自行車在結(jié)構(gòu)和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設(shè)計(jì)師們提供了展示設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)風(fēng)格的更大空間及條件。當(dāng)然同時(shí)也導(dǎo)致電動(dòng)自行車用鋰電池尺寸多種多樣，不利于鋰動(dòng)力電池行業(yè)的發(fā)展。鋰動(dòng)力電池行業(yè)也需要盡快制定電動(dòng)自行車用鋰離子電池國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，加速在電動(dòng)自行車領(lǐng)域鋰電對(duì)鉛酸電池的替代。當(dāng)然目前鋰電池是在不斷發(fā)展過(guò)程中的不同材料、不同工藝電池的體積有很大的差別，如何統(tǒng)一也是一個(gè)難點(diǎn)。




二次電池的能量密度


（4）循環(huán)壽命長(zhǎng)，循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次。以容量保持60%計(jì)，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到600次以上，使用年限可達(dá)3-5年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術(shù)的革新，設(shè)備的提高，電池的壽命會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)，性價(jià)比會(huì)越來(lái)越高。


（5）自放電率低，每月不到5%。


（6）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子電池可在-20℃～+55℃之間工作，尤其適合低溫使用，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時(shí)，由于電解液流動(dòng)性變差會(huì)導(dǎo)致性能大大降低。


（7）無(wú)記憶效應(yīng)，所以每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行充電。電池充放電深度，對(duì)電池的壽命影響不大，可以全充全放，我們循環(huán)測(cè)試就是全充全放的。


（8）特別適合用于動(dòng)力電池，除了鋰離子電池電壓高之外，由于鋰離子動(dòng)力電池組的保護(hù)板能夠?qū)γ恳粋€(gè)單體電池進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)，低功耗智能管理，具有完善的過(guò)充電、過(guò)放電、溫度、過(guò)流、短路保護(hù)、鎖定自恢復(fù)功能以及可靠的均衡充電功能，大大的延長(zhǎng)了電池的使用壽命。而其他類型電池（比如鉛酸電池）在使用過(guò)程中由于電池一致性、充電器等問(wèn)題，易產(chǎn)生電池過(guò)充、過(guò)放等問(wèn)題（由于成本等各方面的原因，鉛酸電池組內(nèi)不能對(duì)每一個(gè)單體電池進(jìn)行監(jiān)測(cè)和保護(hù)）。


（9）無(wú)污染，鋰電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱為“綠色電池”，國(guó)家重點(diǎn)扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛和鎘，國(guó)家必然會(huì)加強(qiáng)監(jiān)管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動(dòng)自行車出口的受限），相應(yīng)企業(yè)的成本也會(huì)增加。雖然鋰電池沒(méi)有污染，但從資源節(jié)約的角度考慮，鋰電池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考慮。


（10）存在安全隱患；由于鋰電池比能量高，材料穩(wěn)定性差，鋰電容易出現(xiàn)安全問(wèn)題，目前世界上知名的手機(jī)和筆記本電腦電池（正極材料為鈷酸鋰和三元材料）生產(chǎn)企業(yè)，日本三洋、索尼等公司要求電池的爆噴率控制在40個(gè)ppb(十億分之一)以下，國(guó)內(nèi)公司能達(dá)到ppm(百萬(wàn)分之一)級(jí)的就已經(jīng)不錯(cuò)了，而動(dòng)力電池的容量是手機(jī)電池容量的上百倍以上，因此對(duì)鋰電的安全性要求極高。雖然鈷酸鋰電池和三元材料的電池具有重量更輕，體積更小等優(yōu)點(diǎn)，但它們是不適合作動(dòng)力電池應(yīng)用于電動(dòng)車的。


(11)價(jià)格高；相同電壓和相同容量的鋰離子電池價(jià)格是鉛酸的3-4倍。隨著鋰離子動(dòng)力電池市場(chǎng)的擴(kuò)大，成本的降低，性能的提高，以及鉛酸電池價(jià)格的提高，兩、三年之后鋰離子動(dòng)力電池的性價(jià)比是有可能超過(guò)鉛酸電池的。


電池類型


電壓


/V


重量比能量


/Wh/kg


體積比能量


/Wh/L


循環(huán)壽命


/次


每月自放電率


有害物質(zhì)


鉛酸電池


2


30-45


60-90


300-500


4-5%


鉛


鎘鎳電池


1.2


40-60


100-150


500-1000


20-30%


鎘


鎳氫電池


1.2


60-80


150-200


500-1000


30-35%


/


鋰離子電池


3.7


110-190


250-500


500-2000


<5%


/




鋰離子電池


鉛酸電池


鎳氫電池


錳酸鋰、三元材料、鈷酸鋰電池


磷酸亞鐵鋰電池


單體電池標(biāo)稱電壓


3.7V


3.2V


2V


1.2V


24V所需單體電池?cái)?shù)


7串


（25.9V）


8串


(25.6V)


12串


一般用12V，10Ah的鉛酸電池串聯(lián)，而每只12V,10Ah的電池中有6個(gè)單格組成也就是由6節(jié)單體電池組成


20串


36V所需單體電池?cái)?shù)


10串


(37V)


12串


(38.4V)


18串


30串


48V所需單體電池?cái)?shù)


13串


(48.1V)


15串


(48V)


24串


40串



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