鋰電池是怎樣儲存電力的
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-02-16 12:30
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鋰電池要選擇鋰這種金屬元素作為核心材料，是因?yàn)殇囋谠刂芷诒碇袑儆诒容^活潑的金屬，比較容易失去電子。所以用鋰作為電池材料可以提高單體電壓。
電解液中的鋰離子（離子狀態(tài)的鋰元素）需要在電池中能夠充分流動，但電子必須被隔絕，否則會引起短路。
在不帶電狀態(tài)下，鋰離子和電子都被束縛在了正極一端，鋰離子會與正極材料形成化合物，此時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但電池本身不具備什么電勢能。
一旦給電池充電，電子就會隨著外部導(dǎo)線在外部電源的作用下移動到負(fù)級，并儲存在負(fù)級材料中，鋰離子也會透過隔膜被吸引到負(fù)級材料中儲存，此時(shí)電池處于高勢能狀態(tài)（也就是帶電狀態(tài)）。負(fù)級材料由石墨制成，由于石墨具有蓬松的孔狀結(jié)構(gòu)，所以能夠束縛電子。負(fù)級發(fā)生的并非化學(xué)反應(yīng)，而是物理反應(yīng)，鋰離子和電子并沒有在負(fù)級形成化合物，而是通過物理手段把他們束縛住，從而產(chǎn)生電勢能。
一旦給電池接入外部負(fù)載，電子就會隨著導(dǎo)線流入正極，從而驅(qū)動負(fù)載做功，此時(shí)鋰離子也會透過隔膜返回到正極材料中。在正極材料中，鋰離子和電子再次相遇，形成穩(wěn)定狀態(tài)的化合物。
當(dāng)然，如果正負(fù)極之間的隔膜一旦失去絕緣作用，電子直接從電池內(nèi)部奔向正極就會形成短路，從而引發(fā)爆炸，所以隔膜的穩(wěn)定性對鋰離子電池的安全起到了至關(guān)重要的作用。
隔膜是一種化學(xué)材料，它具備兩個(gè)重要特性：既可以絕緣（防止電子通過）又可以透氣（能夠讓鋰離子順利通過）
▲可以阻隔電子流動但不會阻隔鋰離子流動的隔膜
在一個(gè)新的電池單體開始工作時(shí)，隨著鋰離子透過隔膜的左右遷移（從正極到負(fù)極，從負(fù)極到正極的過程），會在隔膜的負(fù)級一側(cè)形成一層SEI鈍化層，這個(gè)鈍化層可以讓電池變得更加穩(wěn)定，研發(fā)人員通過大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算出了最佳的厚度。這個(gè)過程大概需要消耗掉5%左右的鋰離子，所以會影響一部分電池容量。
在18650電池當(dāng)中，負(fù)級的電極是由銅制成的，正極則是由鋁制成的。將石墨涂抹到正極材料上，再將鋰化合物涂抹到負(fù)級材料上就形成了電極。
▲在電極之間插入隔膜就形成了鋰電池的雛形
再將電極和隔膜蜷曲成圓柱形再加入電解液，然后密封，就形成了我們需要的圓柱形18650鋰電池。
18650電池的放電電壓為3伏到4.2伏，在放電過程重，電壓也會隨之降低，一旦單體電壓低于3伏就會有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
所以我們需要一套電池管理系統(tǒng)來保護(hù)每一個(gè)電池單體不被過度充放電，這套系統(tǒng)簡稱BMS。在每一個(gè)由單體構(gòu)成的電池組中都配備了一套BMS控制系統(tǒng)。
由于環(huán)境溫度對電池的充放電影響極大，要想讓這么多電池單體在盡可能相同的溫度下工作，還需要設(shè)計(jì)一套冷卻系統(tǒng)。特斯拉采用了乙二醇作為冷卻介質(zhì)，也就是我們俗稱的水冷系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以保證每個(gè)電池單體的溫度盡可能一致，從而保證充放電程度盡可能一致。
日產(chǎn)LEAF采用的是軟包電池單體，它的電極沒有被卷曲，而是直接層疊而成，原理與上面介紹的圓柱形電芯一致，只是外部形態(tài)看起來有所區(qū)別，物理特性上也會由一些區(qū)別。特斯拉Model S采用的是圓柱形電芯構(gòu)成的電池組。
軟包形的電池單體在設(shè)計(jì)成電池組時(shí)，單體與單體之間縫隙更小。所以同樣帶電量的情況下，軟包電池的體積更小?？臻g利用率更高，便于電動車的總布置。并且軟包電芯比圓柱形電芯有更好的防穿刺安全性能。當(dāng)然，圓柱形電池由于其卷曲工藝，使得能量密度相對較高，并且電芯之間通過布置乙二醇水冷系統(tǒng)可以讓電池更加穩(wěn)定的工作。特斯拉新款的Model 3采用的21700電芯仍然是圓柱形。
