关于电动汽车动力锂离子电池的知识
关于电动汽车动力锂离子电池的知识
电动汽车（EV）的快速发展离不开其核心动力源——锂离子电池。从基本原理到实际应用，本文将为您全面解析电动汽车中锂离子电池的关键技术和未来前景。
了解锂离子电池
在深入探讨电动汽车中的锂离子电池之前，让我们先了解一下什么是锂离子电池，以及为什么它们在电动汽车领域如此重要。
锂离子电池并非隐藏在层层复杂性背后的神秘技术。其核心由四个主要部分组成：阳极、阴极、电解质和隔膜。想象一下乒乓球比赛——锂离子就像球一样，在电池充电和放电时在阳极和阴极之间来回穿梭。电解质充当这种交换的媒介，而隔膜则防止阳极和阴极短路，就像裁判确保公平比赛一样。
锂离子电池分类
锂离子电池是采用锰酸锂、磷酸锂或钴酸锂等锂化合物作为正极，以能嵌入锂离子的碳材料为负极，采用有机电解质构成的电池。目前纯电动汽车使用的储能装置主要也是锂离子电池。
外观分类
锰酸锂电池
采用锂锰氧化物材料作为正极的电池，标称电压为3.7V，因其成本低廉、安全性好而被广泛应用。锂锰氧化物（LiMn2O4）具有尖晶石结构，理论容量为148mAh/g，实际容量为90~120mAh/g，工作电压范围为3~4V。主要优点是锰资源丰富、价格低廉、安全性高、制备比较容易。缺点是理论容量不高；材料在电解液中会慢慢溶解，即与电解液的相容性不是很好；在深度充放电过程中，材料容易发生晶格畸变，导致电池容量衰减较快，特别是在较高温度下使用时。
磷酸铁锂电池
采用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂（LiFePO4）具有橄榄石晶体结构，其理论容量为170mAh/g，未经掺杂改性其实际容量高达110mAh/g。通过对磷酸铁锂进行表面改性，其实际容量可高达165mA*h/g，非常接近理论容量，工作电压约为3.4V。磷酸铁锂具有稳定性高、安全可靠性更高、更环保、价格低廉的特点。磷酸铁锂正极材料被认为是最有前途的动力电池正极材料。其缺点是电阻率大，电极材料利用率低。目前，碳复合磷酸铁锂被广泛用作正极材料。碳复合磷酸铁锂正极材料根据充放电特性和使用要求分为能量型和功率型。
氧化钴锂离子电池
采用钴酸锂作为正极材料的锂离子电池。钴酸锂电池具有电化学性能优越、加工方便、性能稳定、一致性好、比容量高、综合性能突出等特点，但安全性较差、成本较高。
镍钴锰锂离子电池
采用镍钴锰三元材料作为正极的锂离子电池。镍钴锰锂离子电池具有能量密度高、功率密度高、循环寿命长、易加工、安全性好等特点。
锂离子电池结构
正极：正极材料由含锂的过渡金属氧化物组成，锰氧化物锂离子电池以锰氧化物锂为主要原料，磷酸铁锂离子电池以磷酸铁锂为主要原料，镍钴锂离子电池以钴酸锂为主要原料，镍钴锰锂离子电池以镍钴锰锂为主要原料。在正极活性物质中添加导电剂和树脂粘结剂，涂覆在铝基体上，呈薄层分布。
负极：负极活性物质由碳材料和粘合剂混合制成，然后与有机溶剂混合形成糊状，并以极薄的一层涂在铜基上。
光圈：隔膜的作用是关闭或堵塞通道，一般采用聚乙烯或聚丙烯等材料制成的微孔膜。所谓关闭或堵塞作用，是指当电池温度异常升高时，作为离子通道的孔隙被堵塞或阻塞，使电池停止充放电反应。隔膜可以有效防止电池因外部短路引起电流过大而产生异常发热现象，一旦出现这种现象，电池就无法正常使用。
电解液：电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了溶解主要电解液成分的锂盐，优先选用介电常数高、与锂离子相容性好的溶剂，也就是不阻碍离子移动的低粘度有机溶液。而且，在锂离子电池的工作温度范围内，必须为凝固点低、沸点高的液态。电解液对活性物质具有化学稳定性，必须很好地适应充放电反应过程中发生的剧烈氧化还原反应。由于使用单一溶剂难以满足上述苛刻条件，因此电解液一般采用几种不同性质的溶剂混合使用。
安全阀门：为了保证锂离子电池的安全，一般都会控制外部电路或在电池内部安装安全装置，切断异常电流。即便如此，在使用过程中，也可能有其他原因导致电池内部压力异常升高，这时安全阀就会释放气体，防止电池破裂。安全阀其实是一次性不可修复的破裂膜，一旦进入工作状态，就会对电池进行保护，使电池停止工作，所以它是电池的最后一道保护手段。
锂离子电池的工作原理
锂离子电池正极材料必须具有能接受锂离子的位置和扩散途径。目前应用性能较好的正极材料是具有高插锂电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂化合物，如锂化合物LiCoO2、LiNiO2或尖晶石结构的LiMn2O4。这些正极材料的插锂电位可达4V以上；负极材料一般采用锂碳插层化合物LixC6；电解液一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。
如下图所示，充电时，锂离子在正极脱嵌，经电解液进入负极，同时由于隔膜的作用，电子只能通过外电路从正极流向负极，形成充电电流，维持正负极电荷平衡。同样，放电时，锂离子在负极脱嵌，流向正极，电子在外电路形成放电电流。
电池反应过程不消耗电解液，也不产生气体，只有锂离子在正负极之间移动，因此锂离子电池的结构可以做成完全封闭的。再加上在正常情况下，电池充放电过程中不会发生其他副反应，所以锂离子电池的充电效率很高，甚至达到100%。
锂离子电池的要求
锂离子电池的要求分为单体电池、电池模块和电池组件的要求。锂离子单体电池的要求与镍氢单体电池的要求相同。锂离子电池模块的要求与镍氢电池模块的要求除低温放电容量、荷电保持能力和容量恢复能力外，其他要求均相同。
低温放电容量：当锂离子电池模块按规定的方法进行测试时，其放电容量不应低于初始容量的70%。
电荷保持率：锂离子电池模块按规定的方法进行测试时，其室温和高温荷电保持率均不应小于初始容量的85%。
容量恢复：当锂离子电池模块按规定的方法进行测试时，容量恢复应不低于初始容量的90％。
锂离子电池组件是指由一个或多个锂离子电池模块、电路设备（保护电路、锂离子电池管理系统、电路及通讯接口）等组成，用于向用电设备提供电能的电源系统。锂离子电池组件的主要技术要求如下。
接口和协议：组成锂离子电池组的电池管理系统的接口与协议包括电路接口与接口协议、通信接口与通信协议。电路接口与接口协议包括充电控制引导接口与接口协议、单体电池电压监测电路接口与接口协议、充放电控制电路接口与接口协议、I/O充放电接口电路与接口协议；通信接口与通信协议包括内部通信接口与通信协议、充放电通信接口与通信协议、用户通信接口与通信协议。
正负输出连接：组成锂离子电池组件的锂离子电池模块的正负极连接可采用螺栓连接或插拔连接，正负极连接处应有明显的极性标记，正极采用红色标记和红色连接线，负极采用黑色标记和黑色连接线。
功耗：具体是指组成锂离子电池组件的电池管理系统电路所消耗的峰值功率，应符合制造商提供的产品技术文件的要求。
锂离子电池的一致性：一致性是指组成锂离子电池模块及组件的单体电池性能的一致性特性。这些性能主要包括实际电能、阻抗、电极的电气特性、电气连接、温度特性差异、衰减速率等复杂因素。组成锂离子电池模块及组件的电池一致性特性应在规定的负载条件和荷电状态下进行测试。锂离子电池的一致性特性分为充电状态一致性特性和放电状态一致性特性。锂离子电池的一致性分为5个级别，超过5级的为不合格产品。
使用寿命：使用寿命分为标准循环使用寿命和操作循环使用寿命。磷酸铁锂电池标准循环使用寿命应大于等于1200次：锰酸锂电池标准循环使用寿命应大于等于800次。电动汽车用锂离子电池组的操作循环使用寿命可以用行驶里程来表示。
额定功率：当采用相同标称电压的锂离子电池模块组成锂离子电池组件时，电池组件的额定功率等于动力锂电池组件中功率最小的电池模块的功率与模块数量的乘积。当采用不同标称电压的电池模块组成电池组件时，电池组件的额定功率等于电池模块的额定功率除以电池模块的最小标称电压与电池组件标称电压的乘积。
结语
锂离子电池自诞生以来已经取得了长足的进步，在推动电动汽车市场增长方面发挥了重要作用。从其基本结构到其现状和未来前景，很明显，这项技术将继续存在——至少在可预见的未来。然而，与任何技术一样，它也存在一些需要解决的挑战，从供应链问题到环境问题。随着行业的不断发展，我们必须不断突破锂离子电池的极限，同时找到使其更具可持续性和可及性的方法。
电动汽车锂离子电池的未来前景一片光明，但需要整个行业持续创新和合作。无论是通过下一代电池、改进的回收方法还是全新的技术，电动汽车和地球的未来都取决于我们应对这些挑战的能力。