第4章-动力电池系统

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动力电池简介电池：化学能→直流电能，直流电能→化学能电池的组成部分正极活性物质电解质负极活性物质隔膜外壳及导电栅汇流柱极柱安全阀4.1.1动力电池的基本结构铅蓄电池的结构图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—活性物质几种蓄电池的种类及外形。图2-11蓄电池的类型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。4.1.2动力电池的基本参数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。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。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。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。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。（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。10、输出效率（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)。12、成本11、抗滥用能力：对非正常使用情况的容忍程度。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。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。4.1.3动力电池的分类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。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1、分类4.2.1概述（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。（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）环保性高锂离子电池优点无环境污染，绿色电池输出电压高能量密度高安全，循环性好自放电率小快速充放电充电效率高锂离子电池工作原理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的工作原理锂离子电池工作原理图锂一次电池(又称锂原电池,PrimaryLB)锂电池(LithiumBattery,简写成LB)锂二次电池(又称锂可充电电池，RechargeableLB)备注：锂电池与锂离子电池锂一次电池发展史当前70年代60年代的能源危机20世纪50年代多种材料应用于锂一次电池锂一次电池商品化锂一次电池大发展开始锂一次电池的研究手表、计算器、植入式医疗设备Li-MnO2、Li-CuO、Li-SOCl2、Li-SO2、Li-Ag2CrO4等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。循环100次形成的锂枝晶图锂二次电池的产生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。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。ManleyStanleyWhittingham锂与过渡金属的复合氧化物锂离子电池的产生锂离子电池比能量电压负极层状结构的石墨120-150Wh/kg是普通镍镉电池的2-3倍高达3.6V正极20世纪80年代末，日本Sony公司提出者锂离子电池区别于锂电池【早期的锂电池】锂离子电池(Li-ionBatteries)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。【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。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。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-chairCell）。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：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”（RockingChairBatteries）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。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。M.Armand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：镍镉电池镍氢电池铅酸电池锂离子电池聚合物锂离子电池重量能量密度（Wh/kg）45-8060-12030-50110-160100-130循环寿命（至初始容量80%）1500300-500200-300500-2000300-500单体额定电压(V)1.251.2523.63.6过充承受能力中等低高非常低低月自放电率（室温）20%30%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。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）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。1、充放电特性充电电流对充电特性的影响放电深度对充电特性的影响充电温度对充电特性的影响放电特性影响因素滥用情况：热冲击、过充电、过放电、短路等。危害：电池内部压力升高，可导致电池着火，甚至爆炸。2、安全性主要原因：（1）材料稳定性：正负电极、有机电解液相互作用的热稳定性是制约锂离子电池安全性的首要因素。（2）制造工艺：分为液态和聚合物锂离子电池消费类电子4.2.5典型应用消费类电子消费类电子消费类电子交通运输业交通运输业工业工具类电子新型电子产品仪器仪表产品仪器仪表产品仪器仪表产品医用设备仪器产品行政办公产品•DC600V客车电池系统采用锂离子电池，由独立的25.6V/40A·h锂离子电池模块串并