《电池原理与构造》课件.pptVIP

*************************************锂离子电池的工作原理锂离子摇椅机制锂离子在正负极之间来回嵌入/脱出，实现能量的存储和释放1充电过程锂离子从正极脱出，迁移至负极并在石墨层间嵌入放电过程锂离子从负极脱出，迁移回正极，电子通过外电路流动产生电流3电极反应充放电过程中电极材料经历可逆的化学变化，同时保持基本结构稳定锂离子电池的工作原理基于嵌入化合物概念，即锂离子可以在保持主体结构稳定的情况下，可逆地嵌入和脱出电极材料。这种机制避免了电极材料的显著结构变化，延长了电池的使用寿命。值得注意的是，锂离子电池中的锂始终以离子形态存在，不会变成金属锂，这与锂金属电池不同。这一特点提高了电池的安全性，但也限制了能量密度的进一步提升。锂离子电池的充电过程恒流充电阶段(CC)充电初始阶段，以恒定电流对电池充电，电池电压逐渐上升。此阶段锂离子从正极脱出，通过电解质迁移到负极并在石墨层间嵌入。电子则通过外电路从正极流向负极。恒压充电阶段(CV)当电池电压达到设定值(通常为4.2V)时，转为恒压充电。此阶段充电电流逐渐减小，锂离子继续缓慢嵌入负极，直到电流降至设定截止值(通常为0.05C)。微观过程充电过程中，正极材料中的锂离子减少(如LiCoO?→Li???CoO?+xLi?+xe?)，负极石墨吸收锂离子形成嵌锂化合物(如C+xLi?+xe?→Li?C)。这一过程将电能转化为化学能存储。充电管理电池管理系统(BMS)控制整个充电过程，监测电压、电流和温度等参数，防止过充电、过热等危险情况。适当的充电管理对延长电池寿命和确保安全至关重要。锂离子电池的放电过程负极脱锂放电开始时，嵌入石墨层间的锂离子开始脱出，同时释放电子。脱锂反应可表示为：Li?C→C+xLi?+xe?。这一过程涉及固体中锂离子的扩散和电子的释放。电子流动与能量转换电子通过外部电路从负极流向正极，在此过程中可被外部设备利用，将化学能转换为电能。电子流的大小（即电流）取决于外部负载的电阻和电池的内部特性。锂离子迁移同时，锂离子通过电解质从负极迁移到正极。这一过程受电解质离子电导率、温度和隔膜孔隙率等因素影响。锂离子的迁移速度直接影响电池的功率性能。正极嵌锂锂离子到达正极后，与从外电路来的电子结合，嵌入正极材料晶格中。以钴酸锂为例，反应可表示为：Li???CoO?+xLi?+xe?→LiCoO?。这一过程使正极材料恢复到充电前状态。放电终止随着放电继续，电池电压逐渐降低。当电压降至安全下限（通常为2.5-3.0V）时，需停止放电以防过放。此时电极材料并未完全转化，保留一定容量可保护电池。锂离子电池的性能参数参数名称单位典型值范围影响因素能量密度Wh/kg，Wh/L150-260Wh/kg电极材料、电池设计功率密度W/kg300-1500W/kg内阻、电极结构循环寿命次数500-3000次材料选择、充放电条件库仑效率%99-99.9%副反应程度、电极可逆性自放电率%/月3-5%温度、电池质量工作温度℃-20℃~60℃电解质组成、材料特性锂离子电池的性能参数之间存在相互制约关系，如提高能量密度可能会降低功率性能或安全性。不同应用场景对电池参数有不同要求，如电动汽车强调能量密度和安全性，而电动工具更注重功率密度和循环寿命。第六部分：电池性能与特性容量与电压电池存储能量的基本参数，决定使用时间和输出功率内阻与功率影响电池输出电流能力和热量产生的关键因素能量与功率密度衡量电池轻量化和紧凑性的重要指标循环寿命与稳定性决定电池使用寿命和长期可靠性的核心参数了解电池性能参数及其相互关系，对于选择合适的电池类型、优化使用条件以及评估电池系统至关重要。本部分将详细介绍各项性能指标的定义、测量方法及影响因素，帮助您全面理解电池技术的核心评价体系。电池容量容量的定义与单位电池容量是指电池在完全充电状态下能够提供的电量，表示电池储存电能的能力。常用单位为安时(Ah)或毫安时(mAh)。例如，一块容量为3000mAh的电池理论上可以提供3000mA电流持续1小时，或1500mA电流持续2小时。容量的计算公式为：C=I×t，其中C为容量，I为放电电流，t为放电时间。影响容量的因素电极材料：活性物质的理论容量和实际利用率放电电流：大电流放电通常会导致有效容量降低温度：低温会降低电池的可用容量放电截止电压：截止电压越低，可释放容量越多电池年龄：随着循环次数增加，容量会逐渐衰减容量的表示方法标称容量：制造商标注的理想