EV电池分类

Posted 2020-08-07 天戈朱

      在电池的大家族中，蓄电池的种类是最多的，共同的特点是可以经历多次充电、放电循环，反复使用，这也正是蓄电池作为电动汽车动力源的基础。当然，并不是所有的蓄电池都适合应用于电动汽车，从全球新能源汽车的发展来看，最常用的还是铅酸电池、镍氢电池以及锂离子电池。 

• 容量:在一定放电条件下可从电池获得的电量.称为容量.以Q表示，单位为Ah.

1. 1. 电化当量越小.电池容量越大。
   2. 恒电阻时.常以电池从开始放电到终止电压所能维持的时间来表示。
   3. 刚制做出来.尚未使用的一次电池或刚完全充电的二次电池.以规定的温度和放电率放电到一定终止电压的容量称为额定容量，常用C来表示。
   4. 放电率是电池的放电速率.常用小时率(放电时间)和倍率(电流)来表示。例如电池的额定容量为10Ah.以2A电流放电，则小时率为10Ah/2A=5h，这是5小时率，以C/5表示;或进行5小时放电，则倍率为10Ah/5h=2A.表示为0.2C

• 比能量: 又称能量密度。电池对外作功输出的电能为电量与电压之乘积，比能量为单位重量或单位体积电池对外输出的能量。单位为Wh.kg-1或Wh.L-1。

1. 1. 例如铅酸电池.Pb十PbO2+H2SO4-2PbSO4,活性物质为Pb,PbO2.H2SO4.总的电化当量,k=3.866+4.463+2x1.830=11.989. E理取E0(=2.045 V).理论比能量为170.5Wh.kg-‘。铅酸电池的实际比能量为10~50Wh.kg-‘.比理论比能量低得多。原因:①计算比能量时所用的电动势数值只适用于平衡状态.当电流通过时电池的电压会下降;（2）实用的电池还有容器、集电极等辅助材料。从一些常见电池的能量看.可见锌银电池和碱性锌空气电池其有较大的比能量

• 比功率:这是单位时间电池的比能量。比功率的大小表征电池能承受的工作电流的大小。功率较大，则可用较大的电流放电。

1. 1. 例如银锌电池在中等电流密度下放电时，比功率可达100W.kg-‘以上;而锌锰干电池在小电流密度下工作时.比功率只能达到10kg-‘。
   2. 比功率与内阻有关，因为电池的实际功率为电池的内阻越大，比功率越小.也就是高速率放电性能差。
   3. 电池以高倍率放电时，比功率虽然增大.但由于极化增大.电池的电压降低很快.因此比能量降低;反之，电池以低倍率放电时.比功率降低而比能量增大

铅酸电池:

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• 铅酸电池是最为常用的一种车用蓄电池，已有150年的历史，可算是人类历史上的一个伟大发明
• 铅酸电池的电动势约为2V，常用串联方式组成6V或12V的蓄电池组
• 铅酸电池由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成；极板是用铅合金制成的格栅，电解液为稀硫酸，两极板均覆盖有硫酸铅
• 铅蓄电池不宜放电过度，否则使和活牲物质混在一起的细小硫酸铅晶体结成较大的晶体，这不仅增加了极板的电阻，而且在充电时很难使它再还原，直接影响蓄电池的容量和寿命
• 铅酸电池的优点：

1. 1. 放电时电动势较稳定
   2. 使用温度及使用电流范围宽
   3. 能充放电数百个循环
   4. 贮存性能好（尤其适于干式荷电贮存）
   5. 造价较低，因而能应用于电动汽车

• 铅酸电池的缺点：

1. 1. 比能量（单位重量所蓄电能）小
   2. 对环境腐蚀性强

• 主要应用于公园里的游客观光车，高尔夫球场送客车，车间里的运货车，火车站、飞机场的旅客运输车，这一系列广义上的电动汽车都是使用铅酸电池作为其动力源的，

镍氢电池：

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• 镍氢电池是作为电动汽车电池的另一个主要选择，尤其是在混合动力汽车上有着广泛的应用
• 镍氢电池是早期的镍镉电池的替代产品，优点：

1. 最环保的电池之一，其以能吸收氢的金属代替镉(Cd)，不再使用有毒的镉，可以消除重金属元素对环境带来的污染问题
2. 镍氢电池相比于铅酸电池和镍镉电池有着较大的能量密度比，这意味着可以在不为电动汽车增加额外重量的情况下，使用镍氢电池能有效地延长车辆的行驶时间
3. 镍氢电池在电学特性方面与镍镉电池亦基本相似，但又大大减小了镍镉电池中存在的“记忆效应”
4. 放电特性平稳
5. 放电曲线非常平滑，发热量小

• 镍氢电池缺点：

1. 1. 镍氢电池具有较高的自放电效应，约为每个月30%或更多，这是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈
   2. 电动汽车电池充得越满，自放电速率就越高；当电量下降到一定程度时，自放电速率又会稍微下降。电池存放处的温度对自放电速率有十分大的影响
   3. 建议：长时间不用的镍氢电池最好是充到40%的“半满”状态
   4. 镍氢电池较高的成本也是制约其在车辆上广泛应用的瓶颈

• 镍氢电池参考数据：

1. 1. 标称电压一1.2V
   2. 能量／重量一(30-80)W·h/kg
   3. 能量／体积一(140- 300)W·h／L
   4. 自放电率=一般为每月30%，低自放电型号为每年15%～30%
   5. 充放电循环次数一(500～1000)次

• 镍氢电池中的“金属”部分实际上是金属互化物,它们主要分为两大类。最常见的是AB5一类，A是稀土元素的混合物（或者）再加上钛(Ti)，B则是镍(Ni)、钴(Co)、锰(Mn)还有（或者）铝(Al)。而一些高容量电池的“含多种成分”的电极则主要由AB2构成，这里的A则是钛(Ti)或者钒(V)，B则是锆(Zr)或镍(Ni)，再加上一些铬(Cr)、钴(Co)、铁(Fe)和（或）锰(Mn)
• 这些化合物扮演的都是相同的角色：可逆地形成金属氢化物。电池充电时，氢氧化钾(KOH)电解液中的氢离子(H+)会被释放出来，由这些化合物将它吸收，避免形成氢气（H2)，以保持电池内部的压力和体积。当电池放电时，这些氢离子便会经由相反的过程而回到原来的地方

锂离子电池：

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• 锂电池只是一个统称，如果按照其正极材料等进行细分的话，还会有钴酸锂、锰酸锂以及磷酸铁锂。目前市面使用三元锂电池的厂家更多
• 锂电池通常分两大类：

1. 锂金属电池：锂金属电池一般是使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池
2. 锂离子电池：锂离子电池内部主要由正极、负极电解质和隔膜组成，锂离子电池的正、负极及电解质根据所使用材料的不同，会使电池有着不同的性能表现以及不同的名称, 说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池、钴酸锂、锰酸锂以及三元锂电池（三元镍钴锰）

• 作为电动汽车最新也是最佳的车用蓄电池选择，锂离子电池相对于镍氢电池与铅酸电池有以下十个优点:

1. 1. 锂离子电池单体标称电压高达3.6V，是镍氢电池的3倍，铅酸电池的近2倍
   2. 锂离子电池重量轻，比能量大，高达150W．h/kg，是镍氢电池的2倍，铅酸电池的4倍，因此重量是相同能量的铅酸电池的三分之一到四分之一，这个特点是锂离子电池作为车用动力蓄电池的一个十分大的优势
   3. 锂离子电池体积小，高达400W·h／L，因此体积是相同能量的铅酸电池的二分之一到三分之一，提供了更合理的结构和更美观的外形的设计条件，设计空间和可能性，为电动汽车合理高效的整车布置保证
   4. 锂离子电池循环寿命长，循环次数可达1 000次，以容量保持60%计算，电池组100%充放电循环次数可以达到600次以上，使用年限可达3～5年，寿命约为铅酸电池的两到三倍
   5. 锂离子电池自放电率低，每月不到5%，是镍氢电池的六分之一
   6. 锂离子电池允许工作温度宽，低温性能好，锂离子电池可在一20～55℃之间工作
   7. 锂离子电池无记忆效应，而镍氢电池有轻微的记忆效应。所以锂离子电池每次充电前不必像镍氢电池一样需要放电，可以随时随地进行充电。电池充放电深度，对电池的寿命影响不大，可以全充全放
   8. 锂离子电池中基本不存在有毒物质，无污染，比铅酸电池绿色环保
   9. 锂离子动力电池的主要材料锂(Li)、锰(Mn）、铁（Fe）、钒（V）等在我国都是富产资源，为锂电汽车提供了材料保证，也对成本的控制起到相当大的作用。
   10. 我国的小功率锂离子电池早已经产业化，形成了上下游结合的产业链．锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟

• 通常我们说得最多的动力电池主要有磷酸铁锂电池以及三元锂电池（三元镍钴锰）

磷酸铁锂：

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• 磷酸铁锂电池：指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。 锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等
• 金属交易市场，钴(Co)最贵，并且存储量不多，镍(Ni)、锰(Mn)较便宜，而铁(Fe)存储量较多。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是挺便宜的。它的另一个特点是对环境环保无污染
• LiFePO4作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳(石墨)组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装
• LiFePO4电池在充电时，正极中的锂离子Li通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的
• 优点：寿命长、充放电倍率大、安全性好、高温性好、元素无害、成本低
• 缺点：能量密度低、振实密度低（体积密度）
• 磷酸铁锂主要用途就是动力系统领域，比如电动汽车、军事航天、电动工具以及UPS，由于其有着出色的结构稳定性、安全性能以及较长的使用寿命，所以更加适合用在动力系统领域中使用
• 代表车型就是比亚迪的一部分车

三元锂：

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• 三元锂：指的是正极材料使用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2）三元正极材料，负极是石墨的三元动力电池，而在实际研发应用中，还有一种正极是三元，负极是钛酸锂的，通常被称为"钛酸锂"，其性能比较安全，寿命比较长，不属于普通所说的"三元材料
• 优点：三元锂电池能量密度高，循环性能好于正常钴酸锂。目前，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂电池水平
• 缺点：三元材料动力锂电池主要有镍钴铝酸锂电池、镍钴锰酸锂电池等，由于镍钴铝的高温结构不稳定，导致高温安全性差，且pH 值过高易使单体胀气，进而引发危险，目前造价较高

锰酸锂：

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• 优点：振实密度高、成本低
• 缺点：耐高温性差，锰酸锂长时间使用后温度急剧升高，电池寿命衰减严重（比如日产电动车LEAF）

钴酸锂：

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• 通常用于3C产品，安全性极差，不适合做动力电池