一文读懂新能源汽车的动力电池
作为新能源汽车三大件之一的动力电池，目前主要有镍氢电池、锂电池，超级电容，以及石墨烯电池。其中锂电池又有磷酸铁锂（LiFePO4），三元锂和锰酸锂电池。早期动力电池主要是镍氢电池，因为从能量密度和成本角度上 ...
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作为新能源汽车三大件之一的动力电池，目前主要有镍氢电池、锂电池，超级电容，以及石墨烯电池。其中锂电池又有磷酸铁锂（LiFePO4），三元锂和锰酸锂电池。 早期动力电池主要是镍氢电池，因为从能量密度和成本角度上来考虑，镍氢电池均比锂电池要好，镍氢电池能量密度是120Wh/kg，锂离子电池是90Wh/kg。随着后来20世纪80年代末期，索尼将钴酸锂和石墨结合，开发出了全新的可充电锂电池。整个电池中没有纯锂，因此安全性得到了很大提升。由于性能高、成本低、安全性能好，这种锂电池一经问世，立刻得到了广大消费者欢迎。且索尼公司在1991年率先把锂电池商业化，在那之后，日本企业基本上垄断了锂电池的产业链。当然，有垄断，就有破局者，这其中就得属韩国企业，比如三星SDI和LG化学。随着更多的企业加入，锂离子电池不仅在价格上越发便宜，而且在能量密度上，也持续增长，最终超过镍氢电池。但与此同时，锂离子电池也在向两极发展，一个是比亚迪汽车为代表的磷酸铁锂电池和宁德时代为代表的三元锂电池。  一.动力电池结构与原理  动力电池的直接作用是为电动汽车提供动力来源，自然而然要求其必须具有高能量、高功率、高能量密度;工作温度范围宽(-20~60℃); 使用寿命长(要求6~10年);安全可靠性高等。由于动力电池是电动汽车的动力源，用于驱动车辆行驶，因此动力电池系统设计要以满足整车动力和其他设计为前提，同时考虑蓄电池系统自身的内部结构、外部结构、整车空间和安全及管理等方面设计。考虑到动力电池质量大、体积大和整车空间布局有限，所以大部分纯电动汽车的动力电池都安装在车身底部。 整车厂针对要设计的整车，一般会在考虑安全设计、线束连接线设计、插接件设计等相关要求后，设计一个有限的动力电池系统空间大小，然后在有限的空间约束下，对蓄电池组、蓄电池管理系统、热管理系统、高压系统等进行布置。为了保证单体蓄电池及蓄电池组均匀散热，保证蓄电池的一致性，提高蓄电池系统的寿命与安全，设计时要考虑到一些整体和通用性原则，包括安全性好、高比能量、高比功率、温度适应性强、使用寿命长、安装维护性强、综合成本低等。 因此，纯电动汽车的动力电池系统整体结构一般由蓄电池组(含单体蓄电池、串联线等)、蓄电池信息采集器(BIC)、 托盘、防火隔热棉、密封盖、高压维修开关、冷却管道等组成。 二.单体蓄电池 单体蓄电池形状主要分为圆柱形，方形和软包3种。它们是直接将化学能转化为电能的单元装置，包括电极、隔膜、电解质、外壳和端子，并被设计成可充电。  三.磷酸铁锂蓄电池的结构和基本原理 1.磷酸铁锂蓄电池的结构 磷酸铁锂(LiFePO4) 蓄电池一般包括: 正极、负极、电解质、隔膜、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘材料、安全阀、密封圈、正温度控制端子、蓄电池壳等。其中正极、负极、电解质以及隔膜的不同或者它们的工艺不同，蓄电池的性能和价格也不同。磷酸铁锂(LiFePO4）蓄电池又简称LFP。  磷酸铁锂电池的内部结构 2.磷酸铁锂蓄电池的基本原理 磷酸铁锂蓄电池的工作原理是:蓄电池充电时，正极中的锂离子脱出来，经过电解质，穿过隔膜进入到负极材料中;蓄电池放电时，锂离子又从负极中脱离出来，经过电解质，穿过隔膜回到正极材料中。 从磷酸铁锂蓄电池的工作原理可知，磷酸铁锂蓄电池的充放电过程需要锂离子和电子的共同参与，而且锂离子的迁移速度与电子的迁移速度要平衡，这就要求锂离子蓄电池的正负电极必须是离子和电子的混合导体，而且其离子导电能力和电子导电能力必须一致。但是磷酸铁锂的导电性能很差，而石墨负极的导电性虽然要好一些，但是要实现大倍率放电，仍然需要改善负极的导电性，使其电子导电能力与锂离子从石墨中脱嵌的能力平衡。 四. 三元锂蓄电池的结构和基本原理 1.三元锂蓄电池的结构 “三元锂蓄电池”全称是“ 三元聚合物锂蓄电池”，三元聚合物锂蓄电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂三元正极材料的锂蓄电池，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整，三元材料做正极的蓄电池相对于钴酸锂蓄电池安全性要高。 2.三元锂蓄电池的基本原理 镍钴锰三元材料中，3种元素主体价态分别是+2价、+3价和+4价，Ni为主要活动性元素。  它的阳极采用能吸藏锂离子的碳极，放电时，锂变成锂离子，脱离蓄电池阳极，到达锂蓄电池阴极。锂离子在阳极和阴极之间移动，电极本身不发生变化。这是三元锂蓄电池与金属锂蓄电池本质上的差别。三元锂蓄电池的阳极为石墨晶体，阴极通常为二氧化锂。充电时，阴极中锂原子电离成锂离子和电子，并且锂离子向阳极运动与电子合成锂原子。放电时，锂原子从石墨晶体内阳极表面电离成锂离子和电子，并在阴极处合成锂原子。所以，在该蓄电池中锂永远以锂离子的形态出现，不会以金属锂的形态出现。 五.总结 随着更多企业的涉足、锂电池能量密度的提高以及安全性能的重视，磷酸铁锂和三元锂电池谁才是购车者首要选择对象，历来都争议不少，但是对于目前而言，两者都各有优势和劣势。2023 年世界动力电池大会上，苗圩说:“我们统计，在2019年6月的时候，三元电池装机量占比75%，磷酸铁锂电池装机量占25%。当时，三元电池占绝对的优势。但是这两年发生了逆转，今年第一季度，磷酸铁锂电池装机量占比达到68.2%，三元电池仅占31.7%。  实际上，随着行业对电池的认识不断推进，电池的竞争已经从磷酸铁锂和三元材料的竞争，转为电池包技术和工艺创新的竞争。因为，大家觉得实现使用安全才是一条现实的道路。  ·END· |
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