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一文看懂動力電池充放電過程

來源:CST三交產研汽車 瀏覽次數:910 發布日期:2018-04-23

2018年,新能源汽車領域硝煙四起,長續航成為各家車企競相爭奪國內市場的重型武器。各大車企都在以超長續航的新款車來招攬需求越來越高端的眾多消費者。2月底,騰勢500正式亮相;3月底,吉利正式推出帝豪EV450新款車型;4月初,比亞迪一口氣推出秦EV450、e5 450、宋EV400三款新車型,續航均在400公里以上。

但是從技術角度來講,動力電池才是核心,才是決定電動汽車擁有超長續航能力的關鍵。以交流慢充和直流快充兩種充電方式為例,正確、合適的使用方式不僅能夠最大限度地發揮動力電池的動力,而且可以延長電池的使用壽命。從知識普及的角度,在動力電池現有能量密度技術水平基礎上,有必要讓消費者了解動力電池的充放電過程,各電池材料對充放電能力的影響,從而培養正確的使用習慣,延長動力電池的使用壽命,確保電動汽車的持續長久續航。

充放電 電子互逃

目前,各大電動汽車企業使用的比較盛行的動力電池類型主要有兩種,一是磷酸鐵鋰電池,二是三元鋰電池。然而不論是哪一種電池,其充電的過程大致可以以下四個階段,即恒流充電階段、恒壓充電階段、充滿階段、浮充充電階段。

在恒流充電階段,充電電流保持恒定,充入電量快速增加,電池電壓也隨之上升。到了恒壓充電階段,顧名思義,充電電壓會保持恒定,雖然充入電量會繼續增加,但是電池電壓上升緩慢,充電電流也會下降。到了電池充滿階段,充電電流下降到低于浮充轉換電流,充電器充電電壓降低到浮充電壓。在浮充充電階段,充電電壓會保持為浮充電壓。

鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在整個充電過程中,正極上的電子會通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極穿過電解液,穿過隔膜材料,最終到達負極,并在此停留與“駐地”的電子結合在一起,被還原成Li鑲嵌在負極的碳素材料中。資料顯示,作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量也就越高。

相反,當電池放電時(即使用電池的過程),鑲嵌在負極碳素材料中的Li失去電子,負極上的電子通過外部電路“運動”到正極上,正鋰離子Li+從負極越過電解液,越過隔膜材料,到達正極,并與“駐地”的電子電子結合在一起。同樣,返回正極的鋰離子越多,放電的容量也就越高。

保效率 四大材料

在動力電池充放電過程中,各類關鍵性材料(比如正極材料、負極材料、隔膜、電解液等)各起到哪些作用?

第一是正極材料,就正極材料而言,其活性物質一般為錳酸鋰或鈷酸鋰,鎳鈷錳酸鋰等材料,主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。

第二是負極材料,負極材料大體分為碳負極、錫基負極、鋰過渡金屬氮化物負極、合金類負極、納米級負極、納米材料這幾種。其中,實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。就納米氧化物材料而言,據悉,根據2009年鋰電池新能源行業的市場發展最新動向,一些公司已經開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在傳統的石墨,錫氧化物,納米碳管里面,極大地提高鋰電池的充放電量和充放電次數。

第三是電解質溶液,通常采用鋰鹽,如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)等。由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓,因此鋰離子電池常采用有機溶劑,但是有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結構,導致其剝脫,并在其表面形成固體電解質膜導致電極鈍化。而且還可能帶來易燃、易爆等安全性問題。

第四是隔膜,作為電池的關鍵零部件之一,隔膜性能的優勢決定電池的界面結構和內阻,進而影響電池的容量、循環性能,充放電電流密度等關鍵特性。一般而言,常用的隔膜有單層和多層隔膜等幾種類型。據了解,國產的一些公司會選稍厚一點的隔膜,部分企業使用的隔膜厚度有的達到31層。由于隔膜生產較高的技術門檻,國內鋰離子電池隔膜技術與國外尚有一些差距。

資料顯示,隔膜是一種特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結構,在吸收電解液后,可隔離正、負極以防止短路。同時給鋰離子電池提供實現充放電功能、倍率性能的微孔通道,實現鋰離子的傳導。在電池過充或者溫度變化較大時,隔膜通過閉孔來阻隔電流傳導以防止爆炸。

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