浅析动力电池各种概念及原理

我们将通过最浅显易懂的方式解读动力电池的相关概念、结构及工作原理，让大家对动力电池有更深入的理解。

一、若干重要概念

1、电压（V）

①开路电压：指电池在没有连接外电路或者外负载时的电压。开路电压与电池的剩余能量有一定的联系，电量显示就是利用这个原理。

②工作电压：是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差,又称负载电压。在电池放电工作状态下，当电流流过电池内部时，必须克服内阻的阻力，故工作电压总是低于开路电压。

③放电截止电压：指电池充满电后进行放电，放完电时达到的电压（若继续放电则为过度放电，对电池的寿命和性能有损伤）。

④充电限制电压：充电过程中由恒流变为恒压充电的电压。

电池充放电电压变化曲线

2、电池容量（Ah）

①定义：电池容量是指电池所能够储存的电量多少，容量是电池电性能的重要指标，它由电极的活性物质决定。

②单位：容量用C表示，单位用Ah（安时）或mAh（毫安时）表示。

③公式：C=It,即电池容量（Ah）＝电流（A）x放电时间（h）。

④举例：容量为10安时的电池，以5安培放电可放2小时，以10安培放电可放1小时。

⑤影响因素：电池的实际容量主要取决于以下几个因素：活性物质的数量、质量，活性物质的利用率。

⑥额定容量：在规定条件下测得的，由制造商给定的蓄电池容量。

⑦可用容量：在规定条件下，从完全充电的蓄电池中释放的电量。

⑧理论容量：假设活性物质完全被利用，蓄电池可释放的容量。

3、电池能量（Wh）

①定义：指电池储存的能量的多少，用Wh来表示

②公式：能量（Wh）＝额定电压（V）×工作电流（A）×工作时间（h)。

③举例：3.2V15Ah单体电芯的能量为48Wh，3.2V100Ah电池组的能量为320Wh。

电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标，容量不能决定做功的多少。

4、能量密度（Wh/Kg）

①定义：指单位体积或单位质量所释放的能量，通常用体积能量密度（Wh/L）或质量能量密度（Wh/kg）表示。

②举例：如一节锂电池重325g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其能量密度为113Wh/kg，下表为理论值，在实际应用情况中需要考虑电池结构中的壳体、零件等各方面因素。

目前锂电池的能量密度是镍镉和镍氢电池的3和1.5倍，能量密度的高低是由材料密度与结构决定的。

5、功率与功率密度

①功率是指在一定的放电制度下，单位时间内电池输出的能量，单位为W或kW。

②功率密度又称比功率，是单位质量或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池及电池包是否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。

6、放电倍率（A）

①定义：放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（C）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。

②举例：以10Ah电池举例，以2A放电,则放电倍率为0.2C，以20A放电,则放电倍率为2C。

7、充电方式

①CC/CV：CC即恒流，以固定的电流对电池充电；CV即恒压，以固定的电压对电池充电，充电电流会随着电池充满逐渐下降。

②涓流充电：指以小于0.1C电流对电池充电，一般在电池接近充满电时，迚行补充充电时采用，若电池对充电时间没有严格要求的话，建议采用涓流充电方式充电。

③浮充电：随时对蓄电池用恒压充电，使其保持一定的荷电状态。

8、充、放电深度（SOC DOD）：电池保有容量数值的表示方法。

①荷电状态state-of-charge（SOC）：蓄电池放电后剩余容量与全荷电容量的百分比。

②放电深度depth ofdischarge（DOD）：表示蓄电池放电状态的参数，等于实际放电容量与额定容量的百分比。

③深度放电deep discharge：表示蓄电50％或更大的容量被释放的程度。

④举例：充、放电深度以百分比率来表示，如：容量为10Ah的电池放电后容量变为2Ah，可以称为80%DOD；容量为10Ah的电池，充电后容量为8Ah，80%SOC。形容满充满放，通常称为100%DOD。

9、内阻（m?）

①定义：电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部受到的阻力。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。

②分类：电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻是由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成，极化内阻包括电化学极化与浓差极化引起的电阻。

③影响因素：电池内阻是一个非常复杂而又非常重要的特性，影响内阻的因素有材料、结构等。

④产生结果：由于内阻的存在，当电池放电时，电流经过内阻要产生热量，消耗能量，电流越大，消耗能量越多，所以内阻越小，电池的性能越好，不仅电池的实际工作电压高，消耗在内阻上的能量也少。

10、自放电率（％/月）

①定义：电池在储存过程中，容量会逐渐下降，其减少的容量与电池容量的比例，称为自放电率。

②原因：由于电极在电解液中的不稳定性，电池的两个电极发生了化学反应，活性物质被消耗，转为电能的化学能减少，电池容量下降。

③影响因素：环境温度对其影响较大，过高温度会加速电池的自放电

④表示：电池容量衰减（自放电率）的表达方法和单位为：%/月。

⑤产生结果：电池自放电将直接降低电池的容量，自放电率直接影响电池的储存性能，自放电率越低，贮存性能越好。

11、循环寿命（次）

①定义：二次电池经历一次充放电称为一个周期或一次循环，电池在反复充放电后，容量会逐渐下降，在一定的放电条件下，电池容量降至80%时，电池所经受的循环次数就是循环寿命。

②影响因素：不正确使用电池，电池材料，电解质的组成和浓度，充放电倍率，放电深度（DOD%），温度，制作工艺等都对电池的循环寿命有影响。

12、记忆效应

①定义：电池的记忆效应是指未完全放电的电池，在下一次充电时所能充电的百分比。

②原因：电池内物质产生结晶，如镍镉电池中,Cd不断聚集成团形成大块金属镉，降低了负极的活性。

③避免：为了消除电池的记忆效应，在充电之前，必须先完全放电，然后再充电。

锂离子电池无记忆效应。

13、放电平台

指放电曲线中电压基本保持水平的部分。放电平台越高、越长、越平稳，电池的放电性能越好。

14、电池组的一致性

由多个单体电芯串连、并联在一起就组成了电池组。电池组的整体性能和寿命取决于其中性能较差的一个电芯，这就要求电池组中每个电芯性能的一致性要高。除了单体电芯本身性能的误差和原材料质量的好坏，最主要原因是制造工艺，工艺的改进对提高电池的质量非常重要。

15、化成

电池制成后，通过一定的充放电方式将其内部正负极活性物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、贮存等综合性能的过程称为化成。电池经过化成后才能体现其真实的性能。同时化成过程中的分选过程能够提高电池组的一致性，使最终电池组的性能提高。

二、锂电池结构与原理解读

1、锂电池基本结构

主要材料：正极、负极、电解液、隔膜

结构：圆形、方形；叠片、卷绕

形态：聚合物(软包装)、液态锂离子(钢壳)

2、锂电池工作原理

正极材料：LiMn2O4，负极材料：石墨

充电时正极的Li+和电解液中的Li+向负极聚集，得到电子，被还原成Li镶嵌在负极的碳素材料中。放电时镶嵌在负极碳素材料中的Li失去电子，进入电解液，电解液内的Li+向正极移动。

3、锂电池组成原理

①正极构造

LiMn2O4(锰酸锂)+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铝箔）正极

②负极构造

石墨+导电剂(乙炔黑)+粘合剂(PVDF)+集流体（铜箔）负极

4、充电过程

电源给电池充电,此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为LiMn2O4 ==Li1-xMn2O4+Xli++Xe(电子)

负极上发生的反应为6C+XLi+Xe==LixC6

5、放电过程

电池放电，此时负极上的电子e从通过外部电路跑到正极上，正锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。

正极上发生的反应为Li1-xMn2O4+xli++xe(电子) ==LiMn2O4

负极上发生的反应为LixC6 == 6C+xLi+xe