動力電池系統介紹（一）

• 一、鋰離子電池材料組成
• • 1.1 正極材料
  • 1.2 負極材料
  • 1.3 電解液
  • • 1.3.1 電解質
  • 1.4 隔膜
  • 1.5 集流體材料
• 二、鋰離子充放電過程
• • 2.1 充電過程
  • 2.2 放電過程
  • 2.3 不可逆消耗及其安全性

一、鋰離子電池材料組成

鋰離子電池是新能源汽車目前使用最普遍的動力電池，主要由正極材料、負極材料隔膜和電解液等構成。

1.1 正極材料

正極材料在鋰電池中的總成本占據40%以上的比例，并且其性能直接影響了鋰電池的各項性能指標，所以征集材料在鋰電池中占據核心地位，征集材料的性能和價格等是制約鋰電池進一步向高能量長壽命和低成本發展的瓶頸，發展高能鋰離子電池的關鍵技術之一是正極材料的開發。

鋰鈷氧化物 ：也被稱做鈷酸鋰（LiCoO₂）,是目前市場上應用最廣泛的正極材料之一。LiCoO₂具有二維層狀結構，適合鋰離子的脫嵌，其理論容量為274mAh/g，但在實際應用中，由于結構穩定的限制，最多把晶格中的一般鋰離子脫出，因此實際比容量為140mAh/g左右，其平均工作電壓高達3.7V。鋰鈷氧化物一般采用高溫固相法制備。該種方法工藝簡單，容易操作，適宜量產。由于鋰鈷氧化物制備容易，而且具有電化學性能高、循環性能好、性能穩定以及充放電性能優良等優點，所以他是最早被規模化用于利電子的正極材料。

鋰鎳氧化物 ：也被稱做鎳酸鋰（LiNiO₂），鋰鎳氧化物的結構為立方巖鹽，與鋰鈷氧化物相同，但其價格比鋰鈷氧化物更低。它的理論容量為276mAh/g，實際比容量為140-180mAh/g，工作電壓范圍為2.5V~4.2V。鋰鎳氧化物擁有高溫穩定性好，自放電率低，無過充電及過放電限制、無污染等優點。此外，它還是目前研究的正極材料中實際放電容量較高的。但由于要求其在富氧氣氛下合稱，工藝條件控制要求較高且已生成非計量化合物，條件苛刻，制備困難，所以作為鋰電池的正極材料使用的并不多。

鋰錳氧化物 ：按照結構分為LiMnO₂和尖晶石型LiMn₂O₄兩種，LiMnO₂屬于正交晶系，巖鹽結構，氧原子呈扭變四方密維結構分布，理論比容量達到286mAh/g，充放電范圍為2.5V-4.3V，LiMn₂O~4屬于尖石型結構，立方晶系，可以產生4.0V的高電壓平臺，理論容量為148mAh/g，與鋰鈷氧化物容量接近。使用鋰錳氧化物作為正極材料生產的電池，安全性好，耐過充放電。

鋰鐵氧化物：LiFePO₄，橄欖石型結構，屬于正交晶系。鋰鐵氧化物理論比容量為170mAh/g，理論電壓為3.5V。它充放電前后結構變化小，循環性能好，高溫穩定性好，并且在室溫條件下充放電可接近理論容量、缺點是在高倍率下極化大，可逆容量下降快，且不能進行大電流充放電。

鎳鈷錳復合氧化物(三元）：由于引入鎳鈷錳，所以存在明顯的三元協同效應。Ni—有效提高其材料容量；Co—其層狀結構得到明顯的穩定；Mn—降低材料成本，提高安全性；三元正極材料的充放電平臺高，性能更佳，但需要注意其混合比例。

1.2 負極材料

負極材料在充電過程中，鋰離子和電子的載體，起著能量的儲存與釋放的作用。在電池成本中，負極材料約占5%~15%，是鋰離子電池的重要原材料之一。

石墨類負極 ：。石墨理論容量為372mAh/g，但是所有碳素材料在經過首次充電時都會存在由于副反應帶來的不可逆容量損失，隨著負極電位的降低，直到電解液中成分在負極表面形成一種穩定的鈍化膜（SEI）而停止。雖然石墨的低電位、與電解質形成界面膜、離子遷移速度慢導致充放電倍率較低，層狀結構的石墨在鋰離子嵌入和脫嵌會發生10%左右是形變，影響電池壽命。但目前為止，石墨仍是應用最廣的負極材料

硅 ：硅的理論容量值高達4200mAh/g，是目前發現理論容量最高的負極材料，前景廣闊。硅的電壓平臺比石墨高，充電時不易析鋰，同時安全性能也較高，資源豐富。但是，在充放電過程中，硅的充放電機理與石墨不同，它是合金化反應，伴隨著大的體積變化，造成材料結構的破壞和機械化，導致電極材料與集流體的分離，進而失去電接觸，導致容量迅速衰減，循環性能惡化。由于劇烈的體積效應，硅表面的SEI膜處于破壞-重構的動態過程中，會造成特殊的鋰離子消耗，進一步破壞循環性能。
3.鈦酸鋰 ：鋰金屬負極，雖然具有較高的容量，但是其存在的固有的鋰枝晶等安全問題依然無法解決。

1.3 電解液

鋰電池電解液是電池中離子傳輸的載體，電解液在鋰電池正負極之間起到傳導離子的作用，是鋰離子電池獲得高電壓、高比能等優點的保證。在鋰電池成本中占比約15%.

液體電解液：無機/有機液體電解液

固體電解液：無機/有機固體電解液（純固體聚合物/凝膠聚合物）

熔鹽電解質：現在市場廣泛使用的是電解質鋰鹽。電解質鋰鹽要求易溶于有機溶質，易于解離，以保證電解液有較好的的電導率；具有較好的電化學和化學穩定性；具有環境友好性，分解產物對環境影響較小；易于制備和純化，且嘉和較便宜。目前最常用的是六氟磷酸鋰（LiPF₆）。

1.3.1 電解質

電解質中需要加入添加劑改善電池性能：
1）成膜添加劑：優良的SEI膜（固體電解質薄膜）具有有機溶劑不溶性，允許鋰離子自由的進出電極而溶劑分子無法穿越，從而阻止溶劑分子共插對電極破壞，提高電池的循環效率和可逆容量等性能。
2）導電添加劑：對提高電解液到店鞥里的添加劑的研究主要著眼于提高導電鋰鹽的溶解和電離以及防止溶劑共插對電極的破壞。
3）阻燃添加劑：在電池中添加一些高沸點。高閃點和不易燃的溶劑可提高電池的穩定性，改善電池的安全性。
4）過充保護添加劑：通過在電解液中添加合適的氧化還原對，在正常充電時這個氧化還原對不參加任何化學或電化學反應，而當電池充滿電或略高于該值時，添加劑開始在正極上氧化，然后擴散到負極發生還原反應，從而防止電池過充。
5）改善低溫的添加劑：低溫性能為拓寬鋰離子電池適用范圍的重要因素之一，通過添加劑使電池在低溫下也具有優良的循環性能。

1.4 隔膜

隔膜在正負極之間起電子絕緣、提供鋰離子遷移微孔通道的作用，是保證電池體系安全、影響電池性能的關鍵材料。盡管隔膜不直接參與電極反應，但它影響電池動力學過程，決定著電池的充放電、循環壽命、倍率等性能。
給電池提供安全保障是從隔膜制造材料的基本屬性體現的，安全性要求決定著隔膜必須具有出眾的絕緣性、機械強度、化學穩定性、電化學穩定性和熱穩定性。因此，制造隔膜的材料智能從絕緣性好、具有良好的成膜性能、力學性能和易加工的聚合物及其復合材料中選擇。目前已商品化的主流材料是聚丙烯微孔膜和聚乙烯微孔膜。

1.5 集流體材料

鋰離子電池集流體的主要材料是金屬箔（如銅箔、鋁箔），主要作用是為電化學反應提供電子通道，加快電荷轉移，減少電化學極化，提高充放電效率；通俗來說其功用是將電池活性物質產生的電流匯集起來，以便形成較大的電流輸出，因此集流體應與活性物質充分接觸，并且內阻應盡可能小，這也是鋰離子電池為什么選用價格較高的銅箔和鋁箔的主要原因。
銅箔具有良好的導電性、柔韌性和適中的電位，耐卷繞和碾壓，生產技術較成熟，因而成為鋰離子電池負極集流體的首選材料。銅箔在鋰離子電池中既是負極活性材料的載體，優勢負極電子的收集與傳導體，因此對其有特殊的技術要求，即必須具有良好的導電性，表面能均勻地涂覆負極材料而不脫落，并且具有良好的耐腐蝕性。
鋰離子電池使用鋁箔作為正極集流體和軟包裝鋁塑膜的阻隔層。與銅箔工藝要求相似。

二、鋰離子充放電過程

鋰離子電池實質上是一種鋰離子濃度差電池，經過Li離子在正負極間的往返嵌入和脫嵌形成充電和放電過程。

2.1 充電過程

Li離子正極脫嵌后經過電解質與隔膜嵌入負極，負極處于富鋰態，正極處于貧鋰態，同時電子的補償從外電路供給到碳負極，保持負極的電平衡；

2.2 放電過程

放電過程與充電過程相反，Li離子從負極脫嵌，經過電解質和隔膜回到正極，正極處于富鋰態，而此時電子從負極流出，通過銅箔匯集成電流供外電路使用。

2.3 不可逆消耗及其安全性

理想充放電情況下，不會破壞正負極材料的晶體結構，也不會有材料的損失，也就是說鋰離子電池反應是理想的可逆的電化學反應。
但是，實際上鋰離子電池幾乎每時每刻都存在著對電池材料的不可逆消耗：電解液分解、活性物質的溶解、金屬鋰沉積等……這些消耗經過多次的累積，會減少電池的容量，影響電池的充放電性能，甚至影響鋰離子電池的安全使用。例如，鋰離子電池在熱沖擊、過充過放或短路等極端情況下，內部的活性物質及電解液等將發生激烈的電化學反應，產生大量的熱量和氣體，極有可能造成熱失控的嚴重后果。
因此，在鋰電池選材需要謹慎考量。與此同時，在電池的使用過程中，還需對其進一步的監控管理，也就是所謂的動力電池管理系統BMS(battery management system)，以后再細細說來。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的动力电池系统介绍（一）——锂离子电池材料组成及其充放电过程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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