动力电池学习笔记-工作原理

点击上面↑“电动车小白”关注，记得加☆“星标”

01

动力电池的工作原理

锂离子电池是一种二次电池（ 充电电池 ），在充放电过程中 ，Ｌｉ＋在两个电极之间往返嵌入和脱嵌 。 1９８０年 ， Ａｒｍａｎｄ正式提出摇椅式电池概念 ，示意图如下图所示 。

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， 到达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。当电池放 电时 ， 嵌在负极碳层中的锂离子脱出， 又运动回到正极 。因锂离子电池具有高能量密度 、 高功率密度及场循环寿命 ， 广泛应用于电动汽车、 储能、 便携电力设备等领域中。 锂离子电池在使用过程中会受到温度的影响。低温条件下，电池的电性能差 ，放出的比容量较低；高温条件下，电池的电性能好，但副反应增多 ，因此循环寿命缩短；单体电池表面温度不均会导致电池表面出现应力 ，使电池发生不可逆的破坏 ，降低模组的电性能。此外 ，过充电、过放电或短路等不当使用 ，会使锂离子电池温升过快 ，电池内部一系列副反应发生，导致锂离子电池健康状态下降，最终可能导致热失控，出现冒烟、起火甚至爆炸现象， 影响人身安全。锂离子电池有多种类型和形式。 除根据外部形态分为圆柱电池、方形电池、纽扣电池和软包电池外，也可根据电极材料分为镍钴锰（NCM） 、 铝镍钴 （NCA）、镍酸锂（LNO）、 钴酸锂（LCO）、磷酸铁锂（LFP）、钛酸锂 （LTO）等 。

02

动力电池的老化机理

锂离子电池是一个复杂的电化学系统 ， 其老化 过程源于许多不同的电化学反应及其互相作用 。 这些反应互相耦合，发生在相似的时间和空 间尺度上，因此很难用统一的机理和模型描述 。 锂离子电池老化机理包含三种主要模式：锂库存损失（LossofLithiumlnventory，LLI） ， 电极活性物质损失（LossofActiveMaterial，LAM）和电导损失（ConductivityLoss，CL） 。电池正常工作时，锂离子在正负极材料中的反复嵌入和脱嵌实现充放电。锂库存损失主要表现为可逆锂离子的总量减少，在传输过程中，锂离子与电解液中的化学物质发生副反应，导致锂离子无法再参与到充放电过程中， 发生容量损失。容量损失过程主要发生在循环 的初始阶段和充电结束时，此时电解质在电极／电解质界面上发生分解，在石墨负极表面形 成Ｓ ＥＩ膜 ， 造成锂库存损失。充电结束时 ， 锂离子会集中在电极表面，导致金属锂析 出，形成锂电镀或锂枝晶， 同样会造成锂库存损失。活性物质损失通常表现为电极材料中部分活性组分失去参与充放电反应的能力。电极材料在循环过程中发生剥离、 降解等作用，导致部分电极材料不再参与充放电过程。活性物质损失可能有多种因素共同导致，比较常见的是由于充放电过程中电极材料体积变化产生的机械应力导致开裂、正极材料在电解质中的分解和溶解反应等。

电导损失的成因比较复杂 。一般来说，电解液 、 电极材料和电气连接部分（ 如集电器 ）的 劣化都会导致电池内阻的增加 。 如ＳＥＩ膜的 形成和增厚，或电池结构变形及损伤等 。

上图展示了锂电池老化模式的原理。 图ａ） 展示电池正常工作时情况，图ｂ） 展示了理库存损失的原理，图ｃ）展示了电极活性物质损失的原理 。