BMS应用软件开发 — 2 单体电池的基本结构和工作原理

目录

1 单体电池基本组成

2 单体电池封装形式

3 电池充放电过程

4 不同电池材料性能差异

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1 单体电池基本组成

单体电池其基本组成包括以下几个关键部分：

正极：正极材料通常由锂的金属氧化物构成，如锂钴氧化物（LiCoO2）、锂锰氧化物（LiMn2O4）、锂铁磷酸盐（LiFePO4）或锂镍锰钴氧化物（NMC）。正极材料在充放电过程中参与锂离子的嵌入和脱出。

负极：通常由石墨或其衍生物构成，这些材料具有层状结构，可以嵌入锂离子。在一些新型电池中，负极材料可能会使用硅或锡等其他材料。

电解液：由锂盐（如六氟磷酸锂LiPF6）溶解在有机溶剂（如碳酸乙烯酯EC、碳酸二甲酯DMC等）中组成。电解液的作用是传导锂离子，同时在电池内部形成离子通道。

隔膜：一种多孔的绝缘材料，如聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP），它允许锂离子通过，但阻止电子通过，从而防止电池内部短路。

极耳：包括正极耳和负极耳，是电池内部电极与外部电路连接的部分。通过极耳，电池可以对外输出电能或者接受外部充电电流。

外壳：电池的外壳可以是钢壳、铝壳或软包形式，它的作用是保护电池内部结构，同时在一定程度上提供机械强度。

安全阀：在某些电池设计中，安全阀用于在电池内部压力过高时释放压力，防止电池破裂或爆炸。

2 单体电池封装形式

圆柱：标准化较好，只有1865、2170、4680三种形式。

方形：工艺较简单，对电芯有保护，成组难度小，能量密度比圆柱高。但是没有标准化，型号太多、工艺难统一。以前方形主要是用卷绕，现在比如说刀片电池开始用叠片工艺。

软包：纤薄的形式使能量密度更大，但强度低、制造工艺要求高，对成组的要求也高一些。

3 电池充放电过程

如下图锂离子电池在放电和充电过程中的基本工作原理。

在锂电池放电时，整个过程就像一场井然有序的 “离子大迁徙”。负极由锂插层石墨构成，此时，负极中的锂离子会从石墨中脱离出来，成为自由的锂离子。这些锂离子通过电解液作为 “通道”，朝着正极方向移动。与此同时，电子从负极的铜制集电器出发，沿着外部电路奔向正极的铝制集电器，为外部设备提供电能。在正极，锂离子和电子与锂 - 金属氧化物发生反应，使得正极材料得到电子和锂离子，完成整个放电过程。这一过程中，化学能被转化为电能，驱动外部设备工作。

锂电池充电过程与放电过程恰好相反。当外部电源接入时，电子从电源流入负极的铜制集电器。正极的锂 - 金属氧化物在外部电源的作用下，失去电子和锂离子。失去的锂离子通过电解液向负极移动，就像归家的游子，最终嵌入到负极的锂插层石墨中。在这个过程中，电能被转化为化学能储存起来。随着充电的进行，越来越多的锂离子回到负极，直到电池充满电，为下一次的放电过程做好准备。整个充放电过程是一个可逆的化学反应，这也是锂电池能够反复使用的关键所在。

4 不同电池材料性能差异

三元锂电池：正极材料采用镍钴锰酸锂（NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）三元材料。其中，镍、钴和锰（或铝）是主要的活性元素，而锂则是离子迁移的主要载体。

优势：三元锂电池具有较高的能量密度，能够提供更长的续航里程。较好的高温性能：三元锂电池在高温环境下性能相对稳定。

劣势：三元锂电池在高温或短路等异常情况下可能发生热失控，存在安全隐患。成本较高：由于使用了较昂贵的镍、钴等元素，三元锂电池的成本相对较高。

磷酸铁锂电池：正极材料是磷酸铁锂（LiFePO4），其由锂离子、铁离子和磷酸根离子组成。

优势：磷酸铁锂电池的热稳定性较高，不易发生热失控等安全问题。磷酸铁锂电池具有较长的循环寿命，能够支持电动汽车的长期使用。磷酸铁锂电池的成本相对较低，不含贵重金属元素。

劣势：相对于三元锂电池，磷酸铁锂电池的能量密度较低，限制了电动汽车的续航里程。磷酸铁锂电池在高温环境下的性能相对较差。