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一文看懂动力电池充放电过程

来源:CST三交产研汽车 浏览次数:567 发布日期:2018-04-23

2018年,新能源汽车领域硝烟四起,长续航成为各家车企竞相争夺国内市场的重型武器。各大车企都在以超长续航的新款车来招揽需求越来越高端的众多消费者。2月底,腾势500正式亮相;3月底,吉利正式推出帝豪EV450新款车型;4月初,比亚迪一口气推出秦EV450、e5 450、宋EV400三款新车型,续航均在400公里以上。

但是从技术角度来讲,动力电池才是核心,才是决定电动汽车拥有超长续航能力的关键。以交流慢充和直流快充两种充电方式为例,正确、合适的使用方式不仅能够最大限度地发挥动力电池的动力,而且可以延长电池的使用寿命。从知识普及的角度,在动力电池现有能量密度技术水平基础上,有必要让消费者了解动力电池的充放电过程,各电池材料对充放电能力的影响,从而培养正确的使用习惯,延长动力电池的使用寿命,确保电动汽车的持续长久续航。

充放电 电子互逃

目前,各大电动汽车企业使用的比较盛行的动力电池类型主要有两种,一是磷酸铁锂电池,二是三元锂电池。然而不论是哪一种电池,其充电的过程大致可以以下四个阶段,即恒流充电阶段、恒压充电阶段、充满阶段、浮充充电阶段。

在恒流充电阶段,充电电流保持恒定,充入电量快速增加,电池电压也随之上升。到了恒压充电阶段,顾名思义,充电电压会保持恒定,虽然充入电量会继续增加,但是电池电压上升缓慢,充电电流也会下降。到了电池充满阶段,充电电流下降到低于浮充转换电流,充电器充电电压降低到浮充电压。在浮充充电阶段,充电电压会保持为浮充电压。

锂离子电池的充放电过程,就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中,同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌(习惯上正极用嵌入或脱嵌表示,而负极用插入或脱插表示)。在整个充电过程中,正极上的电子会通过外部电路跑到负极上,正锂离子Li+从正极穿过电解液,穿过隔膜材料,最终到达负极,并在此停留与“驻地”的电子结合在一起,被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。资料显示,作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量也就越高。

相反,当电池放电时(即使用电池的过程),镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子,负极上的电子通过外部电路“运动”到正极上,正锂离子Li+从负极越过电解液,越过隔膜材料,到达正极,并与“驻地”的电子电子结合在一起。同样,返回正极的锂离子越多,放电的容量也就越高。

保效率 四大材料

在动力电池充放电过程中,各类关键性材料(比如正极材料、负极材料、隔膜、电解液等)各起到哪些作用?

第一是正极材料,就正极材料而言,其活性物质一般为锰酸锂或钴酸锂,镍钴锰酸锂等材料,主流产品多采用锂铁磷酸盐。

第二是负极材料,负极材料大体分为碳负极、锡基负极、锂过渡金属氮化物负极、合金类负极、纳米级负极、纳米材料这几种。其中,实际用于锂离子电池的负极材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中间相碳微球、石油焦、碳纤维、热解树脂碳等。就纳米氧化物材料而言,据悉,根据2009年锂电池新能源行业的市场发展最新动向,一些公司已经开始使用纳米氧化钛和纳米氧化硅添加在传统的石墨,锡氧化物,纳米碳管里面,极大地提高锂电池的充放电量和充放电次数。

第三是电解质溶液,通常采用锂盐,如高氯酸锂(LiClO4)、六氟磷酸锂(LiPF6)、四氟硼酸锂(LiBF4)等。由于电池的工作电压远高于水的分解电压,因此锂离子电池常采用有机溶剂,但是有机溶剂常常在充电时破坏石墨的结构,导致其剥脱,并在其表面形成固体电解质膜导致电极钝化。而且还可能带来易燃、易爆等安全性问题。

第四是隔膜,作为电池的关键零部件之一,隔膜性能的优势决定电池的界面结构和内阻,进而影响电池的容量、循环性能,充放电电流密度等关键特性。一般而言,常用的隔膜有单层和多层隔膜等几种类型。据了解,国产的一些公司会选稍厚一点的隔膜,部分企业使用的隔膜厚度有的达到31层。由于隔膜生产较高的技术门槛,国内锂离子电池隔膜技术与国外尚有一些差距。

资料显示,隔膜是一种特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔结构,在吸收电解液后,可隔离正、负极以防止短路。同时给锂离子电池提供实现充放电功能、倍率性能的微孔通道,实现锂离子的传导。在电池过充或者温度变化较大时,隔膜通过闭孔来阻隔电流传导以防止爆炸。

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