鋰離子電池

鋰離子電池首要是指在電極材料中運(yùn)用了鋰元素作為首要活性物質(zhì)的一類電池，首要包含鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。本文中講的鋰離子電池首要為鋰離子電池。

鋰離子電池是一種二次電池，它首要依托鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來作業(yè)，是能夠充放電的電池。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)首要包含正極、隔閡、負(fù)極、電解液和電池外殼。

正極：一般為錳酸鋰或者鈷酸鋰，鎳鈷錳酸鋰材料（俗稱三元），純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰則因?yàn)轶w積大、功能欠好或本錢高而逐漸淡出。

隔閡：為一種經(jīng)特別成型的高分子薄膜，薄膜有微孔結(jié)構(gòu)，能夠讓鋰離子自由經(jīng)過，而電子不能經(jīng)過。

負(fù)極：一般為石墨，或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳。

電解液：是電池中離子傳輸?shù)妮d體，一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成，首要效果是在鋰離子電池正、負(fù)極之間傳導(dǎo)鋰離子。

電池外殼：分為鋼殼（方型很少運(yùn)用）、鋁殼、鍍鎳鐵殼（圓柱電池運(yùn)用）、鋁塑膜（軟包裝）等，首要用來維護(hù)電池用。

鋰離子電池依據(jù)正極材料分首要包含鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰等，現(xiàn)在在車用方面較為老練的為磷酸鐵鋰離子電池和三元鋰離子電池，前者的代表是比亞迪，后者為特斯拉。

燃料動(dòng)力電池

燃料動(dòng)力電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)設(shè)備，又稱電化學(xué)發(fā)電器。

它是按電化學(xué)原理,即原電池作業(yè)原理,等溫的把貯存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能,因而實(shí)際進(jìn)程是氧化還原反應(yīng)。

燃料動(dòng)力電池首要由三部分組成，電極、電解質(zhì)和外部電路。

燃料動(dòng)力電池的電極是燃料發(fā)作氧化反應(yīng)與氧化劑發(fā)作還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所，首要包含陽極和陰極，厚度一般為200－500mm，其結(jié)構(gòu)與一般電池的平板電極不同為多孔結(jié)構(gòu)，目的是進(jìn)步燃料動(dòng)力電池的實(shí)際作業(yè)電流密度。

電解質(zhì)起傳遞離子和分離燃料氣、氧化氣的效果。為阻擋兩種氣體混合導(dǎo)致電池內(nèi)短路,電解質(zhì)一般為細(xì)密結(jié)構(gòu)。

外部電路一般有雙極板構(gòu)成，雙極板具有搜集電流、分隔氧化劑與還原劑、引導(dǎo)反應(yīng)氣體等效果，其功能首要取決于其材料特性、流場(chǎng)規(guī)劃及其加工技能。

常用的燃料動(dòng)力電池按其電解質(zhì)不同，能夠分為質(zhì)子交流膜燃料動(dòng)力電池（PEMFC）、固體氧化物燃料動(dòng)力電池（SOFC）、熔融碳酸鹽燃料動(dòng)力電池（MCFC）、磷酸燃料動(dòng)力電池（PAFC）和堿性燃料動(dòng)力電池（AFC）。

質(zhì)子交流膜燃料動(dòng)力電池（PEMFC）因?yàn)榫哂卸喾N功能優(yōu)勢(shì)，包含電池操作溫度低、發(fā)動(dòng)速度快等，是現(xiàn)在運(yùn)用較為老練和廣泛的燃料動(dòng)力電池，在全球出貨量和出貨兆瓦數(shù)方面占有主導(dǎo)地位。

燃料動(dòng)力電池的燃料首要是氫氣、甲醇等碳?xì)浠衔?。本文中的燃料?dòng)力電池首要以氫燃料動(dòng)力電池為例進(jìn)行剖析。

兩種電池的全方位比較

同為新動(dòng)力鋰電池，鋰離子電池輸入/輸出電能，實(shí)際上是先將輸入的電能儲(chǔ)備起來，待到用時(shí)再經(jīng)過輸出的設(shè)備輸出電能。

燃料動(dòng)力電池其實(shí)相當(dāng)于傳統(tǒng)轎車的內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)燒油，僅僅能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，不是儲(chǔ)能設(shè)備；燃料動(dòng)力電池?zé)龤錃?，也是能量轉(zhuǎn)化設(shè)備，不是儲(chǔ)能設(shè)備。

而鋰離子電池是儲(chǔ)能設(shè)備，所以嚴(yán)格來說，燃料動(dòng)力電池不是電池，是發(fā)動(dòng)機(jī)。

因而，燃料動(dòng)力電池是發(fā)電設(shè)備，而鋰離子電池是儲(chǔ)能設(shè)備。下表為兩種動(dòng)力鋰電池的歸納比較，比較要素包含歸納功能方面、本錢、方針支撐、資源束縛性、環(huán)境維護(hù)、商業(yè)化程度。

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能量密度

能量密度（Energydensity）是指在必定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中貯存能量的大小。電池的能量密度是電池均勻單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。

電池的能量密度又分為單體電芯的能量密度和電池體系的能量密度，電池體系的能量密度低于單體電芯。

鋰離子電池體系歸于封閉體系，因?yàn)槭苤朴阡囋靥匦裕熏F(xiàn)在在鋰離子電池中能量密度最高的三元鋰離子電池為例，其單體能量密度也僅為1.08MJ/kg（電池包體系衰減20%）。

未來假如要進(jìn)步鋰離子電池的能量密度，需依托全固態(tài)電池技能的打破，但其能量密度上限也不高。

燃料動(dòng)力電池體系歸于開放性體系，其能量密度實(shí)質(zhì)上取決于儲(chǔ)氫量，氫氣自身的能量密度為143MJ/Kg，并且現(xiàn)在燃料動(dòng)力電池體系能量密度超過350wh/kg，未來跟著儲(chǔ)氫技能的進(jìn)步，能量密度進(jìn)步仍有十分大的空間。

功率密度

功率密度是動(dòng)力鋰電池最大輸出功率與電池體系質(zhì)量或體積的比值。

鋰離子電池體系假如進(jìn)步其輸出功率使其能夠高功率放電，一般解決辦法是添加電池?cái)?shù)量，這樣一起會(huì)加大整個(gè)電池體系的分量，即使Tesla選用了現(xiàn)在能量密度最好的三元電池，其電池組件分量都接近半噸。

因而鋰離子電池體系高功率放電與高續(xù)航路程無法兼容，功率密度進(jìn)步有限。

燃料動(dòng)力電池本質(zhì)上能夠理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電體系，因而輸出功率比較穩(wěn)定，一般為了最大進(jìn)步放電功率只需附加動(dòng)力鋰電池體系即可，如豐田Mirai配套了鎳氫電池。

燃料動(dòng)力電池體系作為一個(gè)開放動(dòng)力體系，輸出功率進(jìn)步簡(jiǎn)單，附加的電池也不會(huì)添加過多分量，豐田Mirai功率密度到達(dá)了2036W/kg。

安全性

無論搭載鋰離子電池的純電動(dòng)汽車仍是搭載燃料動(dòng)力電池的轎車，只需是轎車那么安全性就是最重要的指標(biāo)。

鋰離子電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，假如單純追求高能量密度，那么整個(gè)鋰離子電池體系就相當(dāng)于炸彈。

因而現(xiàn)在干流工藝道路中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性較好，電池溫度到達(dá)500~600度時(shí)才開端分化，根本不要太多的維護(hù)輔佐設(shè)備。

Telsa選用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250~350度就會(huì)分化，安全性差。

其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)的電池，大幅降低了單個(gè)電池漏液，爆破帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

可是假如剖析特斯拉轎車發(fā)作的事端，要么是細(xì)微的磕碰，要么是靜態(tài)狀況，但電池卻著火了，因而其安全性方面還存在許多問題。

燃料動(dòng)力電池自身安全性很好，其用于車載后，因而其安全性首要來自于儲(chǔ)氫體系。

但經(jīng)過很多的實(shí)驗(yàn)證明，比較汽油和天然氣這兩種常見的車用可燃?xì)怏w，氫氣的安全性并不差。

并且現(xiàn)在車用儲(chǔ)氫設(shè)備都選用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度磕碰測(cè)試中都能夠做到毫發(fā)無損。

即使車禍導(dǎo)致走漏，因?yàn)闅錃獗埔鬂舛雀?，在爆破前一般就現(xiàn)已開端焚燒，反而很難爆破。

并且氫氣分量輕，溢出體系的氫氣著火后會(huì)敏捷向上升起，反而必定程度上維護(hù)了車身和乘客。因而跟著商業(yè)化推進(jìn)，其整體安全性是可控的。

牢靠性

電池的牢靠性指的是電池發(fā)作事端導(dǎo)致其損失電能存儲(chǔ)才能的概率。

鋰離子電池的牢靠性與其安全性問題有很大的關(guān)聯(lián)，可是卻不是一個(gè)概念。鋰離子電池發(fā)作安全性事端，必定將導(dǎo)致其損失電能存儲(chǔ)才能。

但鋰電損失電能存儲(chǔ)才能并不都是發(fā)作安全性事端而導(dǎo)致，比方因?yàn)槿萘刻畬?dǎo)致的電池失效。

鋰離子電池體系是由成百上千個(gè)單體電芯經(jīng)過串并聯(lián)組裝在一起的，因而整個(gè)電池體系的不牢靠性將被急劇放大。

從國(guó)內(nèi)純電動(dòng)轎車所積累的數(shù)據(jù)來看，鋰離子電池體系的牢靠性現(xiàn)在還不能令人滿意。

而燃料動(dòng)力電池從上個(gè)世紀(jì)70年代就現(xiàn)已運(yùn)用于航天飛機(jī)，美國(guó)國(guó)際燃料動(dòng)力電池公司（IFC）出產(chǎn)的第三代AFC（標(biāo)稱/極限功率7.0/12.0KW）后來成為美國(guó)航天飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)力源。

現(xiàn)在全球正在或者行將執(zhí)役的慣例特種大多選用PEMFC（質(zhì)子交流膜燃料動(dòng)力電池）作為主動(dòng)力鋰電池體系。

俄羅斯、韓國(guó)、澳大利亞、以色列和意大利的新型慣例特種都選用PEMFC燃料動(dòng)力電池技能，大型PEMFC電堆單純就技能層面而言現(xiàn)已開展到了高度完善牢靠的程度。

因而燃料動(dòng)力電池具有極高的牢靠性。

環(huán)境溫度適應(yīng)性

因?yàn)檗I車運(yùn)用地域的廣泛性，有關(guān)新動(dòng)力轎車而言，溫度適應(yīng)性就十分重要了，其能適應(yīng)什么樣的溫度規(guī)劃則取決于動(dòng)力鋰電池自身。

當(dāng)時(shí)，鋰離子電池在零度以上的生活環(huán)境中功能不會(huì)受到到影響，可是零度以下出現(xiàn)的問題是其急需解決的難題。

鋰電的低溫功能首要取決于溫度對(duì)電極材料的電導(dǎo)、離子擴(kuò)散系數(shù)以及電解液電導(dǎo)率的影響。

低溫下電解液的粘度增大電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電池極化急劇添加。特別當(dāng)鋰離子電池在接近零度時(shí)，其功能急劇下降，-20℃幾乎無法正常作業(yè)。

并且低溫下頻頻充放電會(huì)嚴(yán)重惡化鋰離子電池的壽命，并且簡(jiǎn)單導(dǎo)致負(fù)極析出鋰而帶來安全隱患。

燃料動(dòng)力電池在發(fā)動(dòng)以后，因?yàn)殡姵刈陨淼淖鳂I(yè)原理睬放熱，即使是在很低的環(huán)境溫度下燃料動(dòng)力電池電堆的溫度也會(huì)很快穩(wěn)定在80~90℃的正常作業(yè)溫度規(guī)劃。

豐田和本田公司的燃料動(dòng)力電池轎車現(xiàn)已做到了-30℃發(fā)動(dòng)，可是有關(guān)燃料動(dòng)力電池而言，仍然要持續(xù)進(jìn)步其在低溫下的功能，-40℃是未來的首要方針。