钜大LARGE | 点击量：851次 | 2023年04月28日
动力电池的详细知识介绍
电池技术是一项伟大的发明，有着精彩而悠久的历史，电池英文“Battery”首次出现在1749年，它由美国发明家本杰明*富兰克林首次使用，当时他使用了一组串联的电容器来进行电学实验。
1786年，意大利解剖学家伽伐尼在做青蛙解剖时，发现生物电，并公布于学术界，1800年，伏打受到伽伐尼青蛙实验的启发，用铜、锡、食盐水为材料成功地制造了伏打电池，1836年，英国的丹尼尔对“伏特电堆”进行了改良。
他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌─铜电池，又称“丹尼尔电池”。
1860年，法国的普朗泰发明出用铅做电极的电池，也是蓄电池的前身；与此同时，法国的雷克兰士发明了碳锌电池，让电池技术走向了干电池领域。
电池技术商用始于干电池，它由英国人赫勒森在1887年发明，并于1896年在美国批量生产，与此同时，ThomasEdison在1890年发明可充电的铁镍电池，也于1910年实现商业化量产。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
至此以后，得力于商业化驱动，电池技术迎来了突飞猛进的时代，ThomasEdison在1914年发明碱性电池，SchlechtandAkermann在1934年发明镍镉电池烧结极板，Neumann在1947年开发出密封镍镉电池，LewUrry(Energizer)在1949年开发出小型碱性电池，由此迎来碱性电池时代。
进入1970年代以后，电池技术受能源危机的影响，逐步往物理电源方向发展，除了1954年就出现了的太阳能电池技术持续进步外，锂电池和镍氢电池也逐步被发明和商业应用。
什么是动力电池？
它与普通电池的区别
新能源汽车的动力来源一般主要是以动力电池为主。动力电池实际上就是为交通运输工具提供动力来源的一种电源。它与普通电池的主要区别为：
一、性质不同
动力电池是指为交通运输工具提供动力的电池，一般是相对于为便携式电子设备提供能量的小型电池而言；而普通电池是一种以锂金属或锂合金为负极材料，使用非水电解质溶液的一次电池，与可充电电池锂离子跟锂离子聚合物电池是不一样的。
二、电池容量不同
在都是新电池的情况下，用放电仪测试电池容量，一般动力电池的容量在1000-1500mAh左右；而普通电池的容量在2000mAh以上，有的能到3400mAh。
三、放电功率不同
一颗4200mAh的动力电池可以在短短几分钟内将电量放光，但是普通电池完全做不到，因此普通电池的放电能力完全无法与动力电池相比。动力电池与普通电池最大的差别，在于其放电功率大，比能量高。由于动力型电池主要用途为车用能源供给，所以相较于普通电池要有更高的放电功率。
四、应用不同
为电动汽车提供驱动动力的电池被称为动力电池，包括传统的铅酸电池、镍氢电池以及新兴的锂离子动力电锂电池，分为功率型动力电池（混合动力汽车）以及能量型动力电池（纯电动汽车）；手机、笔记本电脑等消费电子产品使用的锂电池一般统称为锂电池，以区别于电动汽车用的动力电池。
动力电池现有主要种类
目前市场上主流技术仍以铅酸电池技术、镍氢电池技术、燃料电池技术、锂电池技术为主。
铅酸蓄电池
铅酸蓄电池的应用历史最长，技术最为成熟，是成本、售价最低廉的蓄电池，已实现大批量生产。其中阀控式密封铅酸蓄电池（VRLA）一度成为重要的车用动力电池，应用在众多欧美汽车公司开发的EV和HEV上，例如通用在20世纪80年代和90年代分别开发出的Saturn和EVI电动汽车等。
但是，铅酸电池的比能量较低，续航时间短，自放电率高，循环寿命低；其主要原料铅的重量大，而且在生产和回收过程中可能产生重金属的环境污染。所以，目前铅酸电池主要用于汽车启动时的点火装置，以及电动自行车等小型设备。
镍氢电池
镍氢（Ni/MH）电池具有良好的耐过充、过放能力，不存在重金属污染问题，而且在工作过程中不会出现电解液增减现象，可以实现密封设计、免维护。与铅酸电池和镍镉电池相比，镍氢电池具有较高的比能量、比功率及循环寿命。
其缺点是电池具有的记忆效应较差，而且随着充放电循环的进行，贮氢合金逐渐失去催化能力，电池内压会逐渐升高，影响到电池的使用。此外，镍金属昂贵的价格，也导致成本较高。
在关键材料上，镍氢电池主要由正极、负极、隔膜和电解质构成，正极为镍电极（Ni(OH)2）；负极一般采用金属氢化物（MH）；电解质主要为液体，主要成份是氢氧化钾（KOH）。目前镍氢电池的研究重点主要在正、负极材料上，其技术研发相比较成熟。
车用镍氢电池已实现了批量生产和使用，是混合动力汽车研制中应用最多的车载电池类型。最典型的代表即目前混合动力汽车量产规模最大的丰田Prius。丰田与松下合资成立的PEVE公司是目前世界最大的镍氢动力电池制造商。
如今镍氢电池现阶段已经退出主流动力电池行列，那么为何丰田还会固执己见的坚守镍氢电池的阵营呢？
这就不得不说到镍氢电池最大的优势：超强的耐用性！
曾经美国著名的汽车媒体《消费者报告》对一台使用了十年后的第一代普锐斯进行了对比测试。测试结果显示，采用镍氢电池的第一代普锐斯车型在经过了10年行驶33万公里之后，将其与新车时的数据对比，无论是在油耗性能还是在动力性能都保持在同一水平，说明混动系统和镍氢电池组仍然工作正常。
此外，即便在使用十年跑了33万公里之后，这辆第一代普锐斯其镍氢电池组从未发生过问题，人们十年前所质疑因电池容量衰减将大幅影响油耗和动力性能的情况也没有出现。由此看来，一向严谨保守的日本人对于镍氢电池的钟爱确实有其独到的原因。
燃料电池
燃料电池是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。燃料和空气分别送进燃料电池，电就被生产出来。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。
和普通化学电池相比，燃料电池可以补充燃料，通常是补充氢气。一些燃料电池能使用甲烷和汽油作为燃料，但通常是限制在电厂和叉车等工业领域使用。氢燃料电池基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。
氢燃料电池的工作原理是：将氢气送到燃料电池的阳极板（负极），经过催化剂（铂）的作用，氢原子中的一个电子被分离出来，失去电子的氢离子（质子）穿过质子交换膜，到达燃料电池阴极板（正极），而电子是不能通过质子交换膜的，这个电子，只能经外部电路，到达燃料电池阴极板，从而在外电路中产生电流。
电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应给阴极板的氧，可以从空气中获得，因此只要不断地给阳极板供应氢，给阴极板供应空气，并及时把水蒸气带走，就可以不断地提供电能。
燃料电池发出的电，经逆变器、控制器等装置，给电动机供电，再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动，就可使车辆在路上行驶。与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60~80%，为内燃机的2～3倍。
燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车，氢燃料是完美的汽车能源！
氢燃料电池的特点：
1、无污染：燃料电池对环境无污染。它是通过电化学反应，而不是采用燃烧（汽、柴油）或储能（蓄电池）方式－－最典型的传统后备电源方案。燃烧会释放象COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。如上所述，燃料电池只会产生水和热。如果氢是通过可再生能源产生的，整个循环就是彻底的不产生有害物质排放的过程。
2、无噪声：燃料电池运行安静，噪声大约只有55dB，相当于人们正常交谈的水平。这使得燃料电池适合于室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。
3、高效率：燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。
4、氢燃料电池车的优势毋庸置疑，劣势也是显而易见。随着科技的进步，曾经困扰氢燃料电池发展的诸如安全性、氢燃料的贮存技术等问题已经逐步攻克并不断完善，然而成本问题依然是阻碍氢燃料电池车发展的最大瓶颈。
氢燃料电池的成本是普通汽油机的100倍，这个价格是市场所难以承受的。另外加氢站的背后，是一整套氢能源生产和运输网络作为支撑，而世界上绝大多数国家没有意愿和空间去大力发展一种不常用能源的体系化。
尤其氢能源的转化率较低，且在能源生产中会造成污染。另一方面是加氢站本身的建设要求与成本极高，需要专门的低温设备来满足能源存储需要。目前只有日本、韩国和美国加州有较多的加氢站，而这个较多其实也就是几十所左右。
进入2017，原本有些沉寂的燃料电池汽车市场仿佛突然有了一些回暖。
一方面是一直被寄予厚望的纯电动车电池技术升级连续遇到了瓶颈。而行驶里程太短和充电时间过长这两大因素依旧制约着新能源汽车的前景。
另一方面，是燃料电池汽车在多个领域的性价比正在不断提升。
原本高昂的燃料电池汽车生产成本正在经历快速下降。相比于处在竞争状态的中高档纯电动车，5分钟充满燃料的体验和500km以上的里程当然更具诱惑力。
锂离子电池
车用锂离子动力电池是在一次性锂电池基础上发展起来的，是目前纯电动车用电池研发的主要方向。锂离子电池具有无记忆性、自放电率低、环保、高比能量、高比功率等诸多优点，是继镍氢电池之后，最受研发机构和汽车厂商青睐的潜力车载电池。
锂离子电池特性
1、电压平台
锂离子电池由于采用的正负极材料不同，其单体电池的工作电压范围为3。7~4v，其中应用规模较大的磷酸铁锂单体电池工作电压为3。2v，是镍氢电池的3倍、、铅酸电池的2倍
2、比能量大
当前乘用车锂离子动力电池的能量密度接近200wh/kg，预计2020年达到300wh/kg
3、电池寿命短
由于电化学材料特性的制约，锂离子电池的循环次数没有取得突破，以磷酸铁锂为例，单体电池循环次数可以达到2000次以上，成组后仅为1000次以上。
4、对环境影响较大
锂离子电池采用轻金属锂，尽管不含汞、铅、有害重金属，被认为是绿色电池，对环境污染较小。
但实际上由于其正负极材料、电解液包含镍、金属物，美国已经将锂离子电池归类为一种包含易燃、锰、反应性、浸出毒性、腐蚀性、有毒有害性的电池，是目前各类电池中包含毒性物质最多的电池，并且因为其回收再利用的工艺较为复杂导致成本较高，因此目前的回收再利用率不高，废弃的电池对环境影响较大
5、成本依然较高
锂离子电池初期购置成本高，以目前车用动力电池主流产品磷酸铁锂电池为例，价格大约在2500元/kwh，随着电动汽车的普及，有望在2020年降低到1000元/kwh以下。
目前主流的纯电动车代表及其采用的锂离子动力电池比较
特斯拉与松下——钴酸锂电池
作为纯电动车领域的全球领导者，诞生自美国硅谷的特斯拉汽车凭借犀利的外形、3.2秒的百公里加速时间、以及超过400公里的续航能力，让大家对于电动车的看法有了颠覆性的改观，并且迅速成为挑战传统燃油车的一大代表车型。除了强悍的电动机以及出色的电源管理技术之外，特斯拉能够一炮而红的原因与其采用的钴酸锂电池不无关系。
早期的特斯拉MODELS车型使用的是日本松下18650钴酸锂电池，其单个大小略大于我们常见的5号干电池，但就是这样看似其貌不扬的电池，经过几千颗的相互并联，组成的电池组同样能够释放出了惊人的能量。
这种电池我们并不陌生，像笔记本电脑等电子数码设备使用的都是这种类型的电池，相比于其它电池类型，以松下18650电池为代表的钴酸锂电池的优点是技术颇为成熟，比能量高，此外，这类电池放电电流大，充电速度高，非常适合特斯拉这样以高性能为取向的电动车。
为了尽可能提高电池的能量密度，特斯拉将这些单颗3100mAh容量的18650锂电池，整齐排列组合形成一个个小的“电池盒”单元，再将这些单元进一步拼接构成一整块的动力电池组。最终总计8142颗18650电池组合成的电池组拥有超过85kWh的总容量，从而保证了特斯拉MODELS超过400公里的续航能力。
斯拉这种高密度的电池组合方式虽然带来了可观的电池总容量，但是钴酸锂电池热稳定性差，再加上将集成电池板平铺于车辆的底盘位置，这样就对电池的散热与安全性提出了更高的要求，为此特斯拉不得不设计出了复杂的电池保护程序以及独特的液冷散热系统来保证这套电池组的正常运作。
这一方面不仅加大了车身质量，对车辆的续航里程有一定的影响，当然最明显的则是无形中推升了车辆的制造成本，因此特斯拉卖出这样的售价也是有原因的。
比亚迪与磷酸铁锂电池
说到磷酸铁锂电池，我们一定不得不说目前国内最具规模的新能源车企比亚迪。这家以做手机锂电池起家，现如今已经成长为涵盖电池制造、传统与新能源汽车生产制造的综合大型企业。这其中，磷酸铁锂电池就是其最核心的产品，并且装备于比亚迪旗下的绝大多数车型上。
磷酸铁锂电池属于锂离子二次电池（用磷酸铁锂(LiFePO4)材料作电池正极），它的放电效率较高，价格也相比其他锂电池更有优势。早年间，搭载比亚迪“铁电池”的E6电动车成功为比亚迪打开了国内电动车市场，其投入深圳出租车市场运营的比亚迪E6电动车也是大获成功。
作为全球最先实现磷酸铁锂电池产业化的车企之一，比亚迪所采用的这类磷酸铁锂电池相比早期的锰酸锂电池，虽然在能量密度上并未有太大差别，但其热稳定性是目前动力锂电池中最好的。
当电池温度处于500-600℃高温时，其内部化学成分才开始分解，并且穿刺、短路、高温都不会燃烧或爆炸，而相比上面所说的松下钴酸锂电池（180-250℃时就内部化学成分就已处于不稳定状态），显然，磷酸铁锂电池的安全性要更高一筹。
除了安全性更高之外，磷酸铁锂电池的使用寿命也有一定的优势。从深圳出租市场投入运营的比亚迪E6使用效果上看，这些自2010年开始运营的850台E6电动出租车累计总行驶里程已经突破3亿公里，其中单车最高行驶里程超67万公里，至今这些车辆仍然运行良好，这也说明了磷酸铁锂电池的可靠性。这样成绩也让比亚迪E6成为我国电动出租车市场保有量最大的车型。
不过除了热稳定性这一突出的优势之外，磷酸铁锂电池的能量密度较三元锂电池以及钴酸锂电池仍有不小的差距，同样的电池容量，磷酸铁锂电池的重量更重、体积也更大，这也导致采用该电池类型的车辆续航里程表现一般。
当然，磷酸铁锂电池最大的痛点在于低温下的充电问题，当温度低于-5℃时，充电效率较低，不适合北方新能源汽车车主在冬天的充电需求，这也成为比亚迪目前最新的混动车型唐100、秦100暂时改用三元锂电池的重要原因。
目前使用最为广泛的三元锂电池
三元锂电池顾名思义是指电池是指正极材料中，除了锂外，还有镍钴锰，或者镍钴铝三种金属。相比磷酸铁锂和钴酸锂电池，三元锂电池的综合表现更为平均，能量密度不低，体积比能量也较高，而且价格也相对合理些因而被越来越多的新能源汽车厂家所采用。
三元锂电池作为近两年涌现出的一种新产品其特点在于其优点在于它具有能量密度高、循环寿命长、利于整车轻量化等优点对于提升车辆续航里程有很大帮助。此外更重要的原因则是随着产能的提升，三元锂电池的价格也进一步降低，正因为这些原因导致国内车企乘用车纷纷转向使用三元锂电池。
要说三元锂电池的缺点的话，那就是三元材料的脱氧温度是200℃，放热能量超过800J/g，并且无法通过针剌实验。这就表明了三元电池在内部短路、电池外壳损坏的情况下，很容易引发燃烧、爆炸等安全事故。
正是出于安全性的原因导致国家曾暂停过在商用车型上配备三元锂电池。不过后来随着技术的进步，尤其是在应用了陶瓷隔膜之后三元锂电池的安全问题已得到改善和解决。就目前市场情况来看，由于三元锂电池综合优势还是比较明显的，汽车厂商对于三元锂电池的关注度也在持续增加。
新型电池技术前瞻——物理电池
物理电池是依靠物理变化来提供、储存电能的电池统称，如“瞬间充满电的超级电容”、“比功率达5000-10000W/kg的飞轮电池”等都属于物理电池家族的成员。
超级电容
超级电容是一种介于传统电容与电池之间的电源元件，功率密度高达300-500W/kg，是普通电池的5-10倍。它主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，其间不发生化学反应，因此被归为物理电池的范畴。
相比化学电池，超级电容有三大明显优势：
1、反复充、放电次数达十万次（传统化学电池只有几百至几千次），寿命上要比化学电池高出很多；
2、超级电容在充、放电时的功率密度极高，瞬间可放出大量电能，可满足车辆更加宽泛的电力需求；
3、工作环境适应能力更佳，通常室外温度在-40℃～65℃时，其都能稳定正常工作（传统电池一般为-20℃～60℃）。
飞轮电池
飞轮电池是上世纪90年代提出的一种新概念电池，它是利用类似飞轮转动时产生能量的原理实现充、放电。
大名鼎鼎的“保时捷911GT3混合动力赛车”以及被评为当今四大神车之一的“保时捷918Spyder”均在两前轮处安装有飞轮电池，飞轮技术将制动所收集的动能转化为电能，并将能量贮存于一个飞轮之中。在加速过程中，该能量将转移至前轮，在提高加速的同时减少内燃机的燃油消耗。
由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，在小型场合还无法体现其优势。但在太空、大规模交通运输以及特种方面需要大型储能装置的场合，飞轮电池已得到逐步应用。
随着新能源汽车的发展，电池作为重要部件之一，能量密度在不断提高。
电池革命的关键在于材料，三元材料将成为主流的正极材料体系，石墨与软碳、硬碳等具备不同特性的负极材料混合应用也将成为负极材料的主流体系。
另外，石墨烯在我国已经开始进入中期试验阶段，量产后会大幅度提高电池的能量密度水平及寿命。
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