第4章动力电池系统

5、功率与功率密度
（1）功率：电池在一定放电制度下，单位时间内输出 的能量。单位W或kW。 （2）功率密度：单位质量或单位体积电池输出的功率， 也称为比功率，单位W/kg或W/L。
电动汽车，质量比能量影响电动汽车的整车质量和 续驶里程，体积比能量影响电池的布置空间。 比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速 和爬坡能力的重要指标。
第4章 动力电池系统
• 4.1 动力电池简介 • 4.2 锂离子动力电池 • 4.3 其他电池 • 4.4 动力电池管理系统 • 4.5 动力电池组的使用寿命 • 4.6 动力电池的梯次利用与回收
4.1 动力电池简介
4.1.1 动力电池的基本结构 电池：化学能→直流电能，直流电能→化学能
电池的组成部分
2、容量：电池在一定的放电条件下所能放出的电量，用 C表示，单位A.h或mA.h
（1）理论容量：计算得出，是电池容量的最大极 限值。 （2）额定容量：也叫标称容量，是验收电池质量 的重要技术指标。 （3）实际容量：在实际工作中，放出的电量。
3、内阻
（1）放电时，端电压低于电动势和开路电压；充电 时，端电压高于电动势和开路电压。 （2）内阻越小越好。 （3）电池内阻不是常数。包括欧姆内阻和极化内阻。
造成锂离子电池容量衰退的主要原因：
（1）正极材料的溶解 （2）正极材料的相变化 （3）电解液的分解 （4）过充电造成的容量损失 （5）自放电 （6）SEI界面膜的形成 （7）集流体的腐蚀
4.2.4 电性能
1、充放电特性
（1）两段式充电：第一阶段，恒流限压；第二阶段， 恒压限流。 （2）从电动汽车实际应用的角度看，恒流时间越长， 充电时间越短，更有利于应用。 （3）要防止电池过放电，避免对电池造成不可逆损 害。
4.2.2 工作原理
锂离子浓差电池
锂离子电池工作原理
锂离子电池工作原理
锂离子电池的工作原理
锂离子电池工作原理图
备注：锂电池与锂离子电池
锂电池 (Lithium Battery,
简写成LB)
锂一次电池 (又称锂原电 池, Primary
LB)
锂二次电池 (又称锂可充 电电池，
Rechargeable
4.提出了碳包覆解决磷酸铁锂（LiFePO4）正极 材料的导电性问题，为动力电池及电动汽车的 产业化奠定了基础。
锂离子电池的商品化
1990年日本SONY公司正式推出LiCoO2/石墨这种锂离子 电池，该电池成功的利用能可逆脱嵌锂的碳材料替代金属 锂作为负极，克服了锂二次电池循环寿命低、安全性差的 缺点，锂离子电池得以商品化。标志着电池工业的一次革 命。
锂离子电池区别于锂电池
【早期的锂电池】
锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所 以在介绍之前，先介绍锂电池。举例来讲，以前照相机里 用的扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化 锰或亚硫酰氯，负极是锂。电池组装完成后电池即有电压, 不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好，在充放 电循环过程中,容易形成锂结晶，造成电池内部短路,所以 一般情况下这种电池是禁止充电的。
由于他所作出的卓越贡献，他于1971年被电化学会授予 青年作家奖，于2004年被授予电池研究奖，并且被推举 为会员。
锂离子电池的产生
20世纪80年代末，日本Sony公司 提出者
层状结构的石墨 负极
锂离子电池
Байду номын сангаас
正极
锂与过渡金属的 复合氧化物
120-150Wh/kg 比能量 是普通镍镉电池
的2-3倍
电压 高达3.6V
目前所说的锂离子电池通常为锂二次电池。
“摇椅式电池”
20世纪80年代初，M.B.Armond首次提出用嵌锂化合物代替二次锂 电池中金属锂负极的构想。在新的系统中，正极和负极材料均采用锂离 子嵌入/脱嵌材料。
当对电池进行充电时，正极的含锂化合物有锂离子脱出，锂离子经过电 解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构，它有很多微孔，到达负极 的锂离子嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。当 对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离 子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通 常所说的电池容量指的就是放电容量。
60-120 30-50 110-160 100-130
300-500 200-300 500- 300-500 2000
1.25 低
30%
2
3.6
3.6
高
非常低
低
5%
10% ～10%
4.2.3 失效机理
理想：除了锂离子在正负极之间嵌入和脱出外，不 发生其他副反应，不出现锂离子的不可逆消耗。 实际：每时每刻都有副反应存在，也有活性物质的 不可逆消耗，如电解液分解、活性物质溶解、金属 锂沉积等，只是程度不同。
几种蓄电池的种类及外形。
图2-11 蓄电池的类型
4.1.2 动力电池的基本参数 1、端电压和电动势
（1）端电压：动力电池正极和负极之间的电位差。 （2）开路电压：没有负载情况下的端电压。 （3）负载电压：接上负载后处于放电状态下的电压。 又称工作电压。 （4）终止电压：电池充放电结束时的电压，分为充电 终止电压和放电终止电压。 （5）电动势（E）：组成电池的两个电极的平衡电极 电位之差。
1.1977年，首次发现并提出石墨嵌锂化合物作 为二次电池的电极材料。在此基础上，于1980 年首次提出“摇椅式电池”（RockingChair Batteries）概念，成功解决了锂负极材料的安 全性问题。
2.1978年，首次提出了高分子固体电解质应用 于锂电池。
3.1996年，提出离子液体电解质材料应用于染 料敏化太阳能电池。
（2）根据所用电解质材料不同：液态锂离子电池（LIB） 和聚合物锂离子电池（LIP）。
2、优点：
（1）工作电压高 （2）比能量高 （3）循环寿命长 （4）自放电小 （5）无记忆效应 （6）环保性高
输出电压高
能量密度高
安全，循环性好
锂离子电池 优点
自放电率小 快速充放电 充电效率高
无环境污染，绿色电池
4、能量与能量密度
（1）能量：电池在一定放电制度下所能释放出的电能。 单位W.h或kW.h。 （2）理论能量（W0）：电池的理论容量与其电动势的 乘积。 （3）实际能量（W）：电池放电时实际输出的能量。 （4）能量密度：单位质量或单位体积的电池所输出的 能量，也称为比能量，分为质量比能量和体积比能量。
6、荷电状态：SOC （1）描述电池的剩余电量。 （2）值为：剩余电量与相同条件下额定容量的比值。 （3）是相对量，一般用百分比的方式表示，SOC取值 为：0≤SOC ≤100% 。
7、放电深度：DOD，是放电容量与额定容量之比的百分数。
8、循环使用寿命 （1）电池充电和放电一次为一个循环。 （2）按一定测试标准，当电池容量降到某一规定值， （一般规定为额定值的80%）以前，电池经历的充放电 循环总次数。 （3）是评价电池寿命性能的重要指标。
【锂离子电池：炭材料锂电池】
后来，日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的 化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在， 只有锂离子，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电 池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到 负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负 极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充 电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池 的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。 回正极的锂离子越多，放电容量越高。
正极活性物质 负极活性物质 电解质 隔膜 外壳及导电栅 汇流柱 极柱 安全阀
铅蓄电池的结构
图6-6 单体铅蓄电池的结构 1—单格电池 2—盖 3—负极接线柱 4—电解液加入口 5—外壳 6—电极连接板 7—负极板 8—隔板 9—正极板 10—沉淀物存储槽 11—外隔板 12—极板连接板
13—单格电池正极接线柱 14—单格电池负极接线柱 15—活性物质
4.1.3 动力电池的分类
1、按电解液种类分
（1）碱性电池：电解质主要为KOH水溶液。 （2）酸性电池：电解质主要为H2SO4水溶液。 （3）中性电池：电解质主要为盐溶液。 （4）有机电解液电池：以有机溶液为介质。
2、按工作性质和储存方式分
（1）一次电池：即原电池，不能再充电使用的电池， 如：锌-锰干电池、锌-汞电池、锂电池。 （2）二次电池：可充电电池，如：铅酸电池、镉-镍 电池、氢-镍电池、锂离子电池。 （3）燃料电池：又称“连续电池”，即将活性物质连 续注入电池，使其连续放电的电池。如：氢-氧燃料电 池。 （4）储备电池：又称“激活电池”，使用前临时注入 电解液或用其它方法使电池激活。如：镁-氯化银电池。
LB)
锂一次电池发展史
当前 70年代
Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、 Li-SO2、Li-Ag2CrO4等
多种材料应用于锂一次电池
手表、计算器、植入式医疗设备
锂一次电池商品化
60年代的能源危机
锂一次电池大发展
20世纪50年代
开始锂一次电池的研究
锂二次电池的产生
循环100次形成的锂枝晶图
在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→ 负极→正极的运动状态。这就像一把摇椅，摇椅的两端 为电池的两极，而锂离子就在摇椅两端来回运动。人们 把这种电化学储能体系形象地称为“摇椅式电池” （Rocking-chair Cell）。
M. Armand
Armand教授是锂离子电池的奠基人之一， 是国际学术和产业界公认的、在电池领域具有 原始创新成果的电池专家。Armand教授主要原 创性学术贡献有：
在商业化锂一次电池的同时，人们发现许多层状无机硫族化 合物可以同碱金属发生可逆反应，这样的化合物统称为嵌入化合物。 在嵌入化合物基础上，锂二次电池诞生了，其中最具有代表性的是 1970年埃克森公司的M.S.Whittingham利用Li-TiS体系，制成首个锂 电池。但由于其枝晶所产生严重的安全隐患而未能成功实现商品化。
3、按电池所用正、负材料分
（1）锌系列电池 （2）镍系列电池 （3）铅系列电池 （4）锂系列电池 （5）二氧化锰系列电池 （6）空气（氧气）系列电池
4.2 锂离子动力电池
4.2.1 概述
1、分类
（1）根据正极材料不同：钴酸锂锂离子电池、锰酸锂 锂离子电池、磷酸铁锂锂离子电池和三原材料锂离子 电池。
9、自放电率 （1）在没有负荷的条件下自身放电。 （2）用单位时间（月或年）内电池容量下降的百分数表 示。
10、输出效率
（1）常用容量效率和能量效率表示。 （2）通常，能量效率为55%-85%，容量效率为65%95% 。 （3）对电动汽车，能量效率比容量效率更重要。
11、抗滥用能力：对非正常使用情况的容忍程度。
锂离子电池特点
与镍镉（Ni/Cd）、镍氢（Ni/MH）电池相比，锂离子电池的主要特点如下：
重量能量密度 （Wh/kg）
循环寿命 （至初始容量
80%） 单体额定电压(V)
过充承受能力
月自放电率 （室温）
镍镉电池 45-80 1500
1.25 中等 20%
镍氢电池 铅酸电池 锂离子 聚合物锂 电池 离子电池
12、成本 （1）一般以电池单位容量或能量的成本表示。 （2）单位为：元/(A.h)或元/(kW.h)。
13、放电制度：电池放电时所规定各项条件。
（1）放电电流：放电时电流的大小，通常用放电率表 示，即放电时的速率，有时率和倍率两种。 时率：以放电时间（h）表示的放电速率，即以一定 的放电电流放完额定容量所需的时间（h），常用C/n表 示。 倍率：在规定时间内放出其额定容量所输出的电流值。 数值上等于额定容量的倍数。如：3C放电。 （2）放电终止电压：放电时，电压下降到不宜再继续 放电的最低工作电压。
Manley Stanley Whittingham
1941 年 出 生 ， 于 牛 津 大 学 BA (1964), MA (1967), 和 DrPhil(1968)学位，目前就职于宾汉姆顿大学。Dr. Whittingham 是 发 明 嵌 入 式 锂 离 子 电 池 重 要 人 物 ， 在 与 Exxon公司合作制成首个锂电池之后，他又发现水热合成 法能够用于电极材料的制备，这种方法目前被拥有磷酸铁 锂专利的独家使用权的Phostech公司所使用。