课题二 新能源汽车动力电池

五、镍氢电池的负极材料
镍氢电池负极材料为储氢合金，在充电和放电过程中发生吸氢和放氢反应， 涉及电极表面电化学及体相扩散过程。 储氢合金应满足如下要求。 ①合金的储氢容量高。 ②有良好的电催化活性。 ③在强碱性电解质溶液中，化学性较稳定，在氢的阳极氧化电位范围内具 有较强的抗氧化能力。 ④充放电效率高。 ⑤具有良好的电和热的传导性。 ⑥循环使用寿命长，反复充放电过程中，合金不易粉化。
任务六
金属空气电池
一、金属空气电池简介
金属空气电池是一类特殊的燃料电池，也是新一代绿色二次电池的代表之一。
二、金属空气电池的结构及工作原理
如图2-26所示，金属空气电池主要由正极、负极、电解液三大部分组成。 金属空气电池的工作原理如下。
1. 正极（空气电极） 2. 负极（金属电极）
3. 电解液
六、镍氢电池的充放电特性
1. 充电特性
图2-7为镍氢电池的充电特性图。
2. 放电特性
图2-8为镍氢电池的放电特性图。
3. 温度特性
图2-9为镍氢电池 各温度下的充电电压。 图2-10为镍氢电池各 温度下的放电特性。
4. 自放电
镍氢电池有一定程度的自放电行为，图10为镍氢电池的自放电特性。可能 产生自放电的机制如图2-11所示。
锂离子电池的工作原理如图2-14所示。
四、锂离子电池的正极材料
（1）氧化钴锂（LiCoO2） （2）氧化镍锂（LiNiO2） （3）氧化锰锂（LiMn2O4） （4）多元材料
五、锂离子电池的负极材料
负极材料也是锂离子电池的主要部分，它的好坏直接影响到电池的性能。对 负极材，有以下要求。 ①具有较低的氧化还原电位，接近金属锂的电位，使电池的输出电压高。 ②Li+能够大量地在主体材料中可逆脱嵌，比容量值大。 ③在Li+的脱嵌过程中，主体结构稳定，变化小，以获得好的循环性能。 ④氧化还原电位随插锂数目的变化应尽可能少，以使电压不发生显著变化， 保持稳的充放电。 ⑤有较好的电子电导率和离子电导率，减少极化，利于大电流充放电。 ⑥Li+在材料中有较大的扩散系数，利于快速充放电。 ⑦容易获得，成本不高，环保性好。
2. 金属氧化物材料电极 3. 导电聚合物材料电极
4. 复合材料电极
五、超级电容电池的特性
①充电速度快。只要充电几十秒到几分钟就可达到其额定容量的95％以 上，而现在使用最广泛的铅酸蓄电池充电通常需要几个小时。 ②循环使用寿命长。深度充放电循环使用次数可达50万次，如果对超级 电容电池每天充放电20次，连续使用可达68年，且没有“记忆效应”。 ③大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小。大电流能量循环 效率≥90%。 ④功率密度高。可达300 W/kg～5 000 W/kg，相当于普通蓄电池的数 十倍；比能量大大提高，铅酸蓄电池一般只能达到0.02 kWh/kg，而超级电容 电池目前研发已可达10 kWh/kg。 ⑤产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想 的绿色环保电源。 ⑥充放电线路简单，无需像充电电池那样的充电电路，安全系数高，长期 使用免维护。 ⑦超低温特性好。使用环境温度范围宽达－40 ℃～＋70 ℃。 ⑧检测方便。剩余电量可直接读出。 ⑨单体容量范围通常在0.1 F～1 000 F。
8. 放电速率（放电率）
一般用电池在放电时的时间或放电电流与额定电流的比例来表示。 时率：电池以某种电流放电直到电池的电压降低到终止电压时，所经过的 放电时间。 倍率：电池以某种电流放电的数值为额定容量数值的倍数。
9. 自放电率
指电池在存放时间内，在没有负荷的条件下自身放电，使得电池容量损 失的速度。自放电率用单位时间（月／年）内电池容量下降的百分数来表示。
三、铅酸电池的工作原理
1. 充放电电化学反应
铅酸电池放电过程，如图2-19所示。
2. 充电时的氧循环
铅酸电池充电过程，如图2-20所示。
四、铅酸电池的充放电特性
1. 放电特性
铅酸电池的放电特性，如图2-21所示的放电曲线AB段。
2. 充电特性
电极表面硫酸浓度迅速增大，电池端电压沿着如图2-22所示的充电曲线 AB段急剧上升。
三、金属空气电池的类型和特点
1. 锌空气电池
（1）锌空气电池的类型
①中性锌空气电池。 ②低功率大荷电量锌空气湿 电池。将烧结或粘接式活 性炭 电极和板状锌电极组合成电极组 浸入李有氢氧化钠溶液的容器中 （图2-27）。 ③高功率锌空气电池。
（2）锌空气电池的技术上存在的问题
2. 铝空气电池
3. 锂空气电池
正、负极发生如下反应。
四、镍氢电池的正极材料
镍氢电池的正极以质量轻、孔隙率高的泡沫镍作为电极基体，起导电和电 极骨架的作用，泡沫镍的使用可增加电池容量。 泡沫镍基体的要求： ①为增加活性物质填充量，要求有足够高的孔隙率。 ②有合理的孔隙结构。 ③有足够的强度，好的延伸率，良好的反复弯曲性能。 ④有大的比表面积，质量分布均匀，以利于基体与活性物质颗粒的接触和 电极反应的进行。 ⑤良好的导电性。
2. 隔膜
隔膜的主要作用：在正、负极板间起绝缘作用，防止正负极板短路，使电 池结构紧凑；隔膜上有许多微孔，使电解液中正负离子顺利通过；阻缓与隔离 脱落的正负极板活性物质；防止正负极板因震动而损伤。 AGM材料隔膜具有如下特征。 ①优良的耐酸性能和抗氧化能力。 ②厚度均匀一致，无针孔、无机械杂质。 ③材料孔径小、孔率高。 ④优良的吸附性能，保留电解液能力强。 ⑤电阻小。 ⑥具有一定强度，保证工艺上的可操作性。 ⑦杂质少，尤其是铁、铜的含量低。
七、镍氢电池的特性
镍氢电池的优点如下： ①比能量达50～70 Wh/kg，比功率达150～300 W/kg。 ②使用寿命较长，循环充放电达1 000次。 ③耐过充、过放电能力较强。 ④绿色环保，无铅、镉等对人体有害金属的污染。 ⑤使用温度范围宽，可以在-23～55℃下正常工作。 镍氢电池的缺点如下： ①自放电损耗较大，月损失20%～40%。 ②对温度敏感，温度对放电电压和容量有较大影响。 ③目前成本较高，是铅酸电池价格的5倍以上。 ④单体电池电压较低，为1.2 V。
二、铅酸电池的结构
铅酸蓄电池的主要部件有正负极板、电解液、隔膜、电池壳、电池盖、安 全阀，另外还有端子、连接条、极柱等附件。图2-18为普通铅酸电池结构图。
1. 极板
正负极板是由板栅和活性物质组成。正极活性物质主要成分为二氧化铅 (PbO2)，呈棕红色，负极活性物质主要成分为海绵状铅(Pb)，呈深灰色。
课题二
汽车蓄电池
学习任务
1.解燃油汽车面临的问题。 2.掌握新能源汽车的定义。 3.掌握新能源汽车的分类。 4.了解新能源汽车的结构原理。
5.熟悉新能源汽车的发展现状。
技能要求
1.能够描述各电池的机构组成；
2.能够描述各电池的工作原理；
3.能够分析各电池的放电特性。
任务一 电池概述
一、电池的分类
3. 电解液
胶体电解质铅酸电池的优点如下。 ①电解质凝胶化，使电池绝不漏液，比一般的铅酸电池多灌10%～50%的电 解液。 ②充电接受能力强，容量衰减慢，能量转换效率高。 ③自放电率小。 ④循环寿命长，使用循环寿命在500次以上。 ⑤耐低温，在-20℃状态下放电，接近常温状态性能。
4. 电池壳、电池盖
2. 电池容量(A·h)
指充满电的电池在指定的条件下放电到终止电压时输出的电量。
3. 能量（W·h，kW·h）
是指在按一定标准所规定的放电制度下电池所输出的电能，它决定电动汽车 的行驶距离。
4. 功率(W，kW)
指在一定的放电制度下，电池在单位时间内所输出的能量。电池的功率决定 电动汽车的加速性能和最高转速等。
任务八
氢燃料电池
一、氢燃料电池简介
锂离子电池负极材料主要有以下几种。
（1）石墨材料
（2）非石墨材料
任务四
铅酸电池
一、铅酸电池简介
铅酸电池自发明以来已有150余年的历程，在基础理论、性能等方面持续 发展，很长时期内在化学电源中占据重要地位。目前形成了很大的产业链，在 交通、通信、电力、航海、航空等领域有广泛的应用。早期的电动车辆多以铅 酸电池为能量源。
任务三 锂电池
一、锂电池简介
1. 锂金属电池
锂金属电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料、使用非水电解质溶液的 电池。
2. 锂离子电池
锂离子电池指的是以两种不同的能够可逆地插入及脱出锂离子的嵌锂化合 物分别作为电池正极和负极的二次电池体系。
二、锂电池的结构
锂离子电池的结构如图2-13所示。
三、锂离子电池的工作原理
化学电池常见的分类方法有三种： ①按电解液种类分类。 ②按电池所用正、负极材料的不同。 ③按工作性质和储存方式的不同。
二、电池的工作原理
电池基本工作原理如图2-3所示。
三、电池的性能参数
1. 电压(V)
电池电压参数包括电动势、开路电压、工作电压、额定电压和截止电压等。 电动势：电池正负极之间的平衡电极电位差。 开路电压：电池在开路时的端电压，等于正极电位与负极电位之差。 工作电压：分为放电电压和充电电压。 额定电压：电池在标准规定的条件下工作时应达到的电压，可作为验收电池 质量和电池选用的依据。 截止电压：分为放电截止电压和充电截止电压。
任务七
飞轮电池
二、飞轮电池的结构
飞轮电池是一种典型的机电一体化装置，由飞轮电池本体、电力电子装置 及控制器三部分组成（图2-31）。
三、飞轮电池的工作原理
图2-33所示是飞轮电池原理的示意图。飞轮电池充放电工作过程如图234所示。
四、飞轮电池特性
飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点， 主要表现在如下几个方面。 ①能量密度高。储能密度可达100 ～200 W·h/kg，比功率可达5 000 W/kg ～10 000 W/kg。 ②能量转换效率高。工作效率高达90%。 ③体积小、重量轻。飞轮直径约为20 cm多，总质量在10 kg多。 ④工作温度范围宽。对环境温度没有严格要求。 ⑤使用寿命长。不受重复深度放电影响，能够循环几百万次运行，预期寿 命长达25年，可供电动汽车行驶500万km。 ⑥低损耗、低维护。磁悬浮轴承和真空环境使机械损耗可以被忽略，系统 维护周期长。