《電池基礎(chǔ)內(nèi)容》課件

電池基礎(chǔ)內(nèi)容本節(jié)課將介紹電池的基礎(chǔ)知識(shí)，包括電池的定義、類型、工作原理和應(yīng)用。電池定義及分類鋰離子電池鋰離子電池是目前應(yīng)用最廣泛的二次電池，其具有高能量密度、高循環(huán)壽命、工作電壓高、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等。鉛酸電池鉛酸電池是最早投入使用的電池類型之一，其成本低、安全性高、性能穩(wěn)定，但能量密度較低，主要用于汽車啟動(dòng)、電源備份等領(lǐng)域。鎳氫電池鎳氫電池是另一種常用的二次電池，其具有能量密度高、安全性好、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，主要用于混合動(dòng)力汽車、便攜式電子設(shè)備等。燃料電池燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，具有能量效率高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，未來在交通運(yùn)輸、電力供應(yīng)等領(lǐng)域有巨大潛力。電池工作原理1化學(xué)反應(yīng)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流2電子流動(dòng)電子從負(fù)極流向正極3能量轉(zhuǎn)換化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能電池工作原理基于化學(xué)反應(yīng)，通過電子從負(fù)極流向正極，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，為外部電路供電。電池性能參數(shù)參數(shù)單位描述容量mAh電池存儲(chǔ)電荷的能力能量密度Wh/kg單位質(zhì)量電池存儲(chǔ)能量的能力功率密度W/kg單位質(zhì)量電池釋放功率的能力循環(huán)壽命次電池充放電循環(huán)次數(shù)內(nèi)阻Ω電池內(nèi)部阻抗電壓V電池工作電壓電流A電池充放電電流溫度℃電池工作溫度電池化學(xué)反應(yīng)電池化學(xué)反應(yīng)是指電池在放電和充電過程中發(fā)生的化學(xué)變化。放電時(shí)，正極材料失去電子，負(fù)極材料獲得電子，電子從負(fù)極流向正極，產(chǎn)生電流。充電時(shí)，外部電源提供能量，將電子從正極轉(zhuǎn)移到負(fù)極，逆轉(zhuǎn)放電過程，恢復(fù)電池的電化學(xué)活性。電池正負(fù)極材料正極材料正極材料主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和釋放電子，決定電池的電壓和能量密度。鈷酸鋰錳酸鋰磷酸鐵鋰負(fù)極材料負(fù)極材料負(fù)責(zé)接收來自正極的電子，并發(fā)生鋰離子嵌入和脫出反應(yīng)。石墨硅錫電池隔膜材料隔膜功能隔膜是電池中不可或缺的一部分，起到隔離正負(fù)極的作用，防止短路發(fā)生。同時(shí)，隔膜還能允許離子通過，確保電池正常工作。主要類型常見的電池隔膜主要分為兩種：微孔膜和陶瓷膜。微孔膜價(jià)格低廉，但耐高溫性能差，陶瓷膜耐高溫性能好，但成本高。電解質(zhì)材料電解質(zhì)類型鋰離子電池電解質(zhì)主要分為液體電解質(zhì)、固體電解質(zhì)和半固體電解質(zhì)。液體電解質(zhì)有機(jī)溶劑和鋰鹽混合而成，具有高離子電導(dǎo)率，但易燃易爆，安全性低。固體電解質(zhì)無機(jī)固體材料制成，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和安全性能，但離子電導(dǎo)率較低。半固體電解質(zhì)液體電解質(zhì)與固體電解質(zhì)混合而成，兼具兩種電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，但成本較高。電池容量計(jì)算電池容量是衡量電池儲(chǔ)存電荷能力的重要指標(biāo)，通常以安培小時(shí)(Ah)或毫安培小時(shí)(mAh)表示。計(jì)算電池容量涉及電池的放電電流和放電時(shí)間，公式為：容量(Ah)=放電電流(A)×放電時(shí)間(h)。1Ah1Ah1安培小時(shí)表示電池在1安培電流下可以持續(xù)放電1小時(shí)。100mAh100mAh100毫安培小時(shí)表示電池在100毫安培電流下可以持續(xù)放電1小時(shí)。2000mAh2000mAh2000毫安培小時(shí)表示電池在2000毫安培電流下可以持續(xù)放電1小時(shí)。5000mAh5000mAh5000毫安培小時(shí)表示電池在5000毫安培電流下可以持續(xù)放電1小時(shí)。電池能量密度能量密度是指單位重量或體積的電池儲(chǔ)存能量，是衡量電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。能量密度越高，電池在相同重量或體積下可以儲(chǔ)存更多的能量，續(xù)航能力更強(qiáng)。不同類型的電池，能量密度差異較大。鋰離子電池的能量密度遠(yuǎn)高于鉛酸電池和鎳氫電池，是目前應(yīng)用最廣泛的電池類型之一。電池功率密度電池功率密度是指電池單位重量或體積所能輸出的功率，反映了電池放電能力的大小。不同類型的電池，功率密度差異很大。例如，鋰離子電池的功率密度明顯高于鉛酸電池，而燃料電池的功率密度最高。電池循環(huán)壽命電池循環(huán)壽命是指電池在充放電循環(huán)過程中，性能衰減到特定指標(biāo)時(shí)的循環(huán)次數(shù)。循環(huán)壽命定義指標(biāo)充放電循環(huán)次數(shù)容量衰減到初始容量的80%鋰離子電池一般為500-1000次影響因素電池材料、充放電速率、溫度、環(huán)境等高倍率充放電、高溫環(huán)境會(huì)加速容量衰減電池安全性11.內(nèi)部短路電池內(nèi)部發(fā)生短路，會(huì)導(dǎo)致電流急劇增加，產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)火災(zāi)或爆炸。22.過充過放過充會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部壓力升高，過放會(huì)導(dǎo)致電池容量下降，甚至損壞電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)。33.外部沖擊外部沖擊會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，引發(fā)內(nèi)部短路或電解液泄漏。44.溫度過高高溫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)加速，產(chǎn)生大量熱量，引發(fā)熱失控。電池?zé)崾Э貦C(jī)理1外部因素外部熱源、機(jī)械損傷、過充過放、短路等，引發(fā)電池內(nèi)部溫度升高。2內(nèi)部因素電池材料自身缺陷、電解液分解、正負(fù)極材料反應(yīng)，導(dǎo)致電池內(nèi)部熱量累積。3熱失控過程電池內(nèi)部溫度持續(xù)升高，最終導(dǎo)致電解液沸騰、氣體膨脹、電池爆炸或燃燒。電池常見故障分析漏液電池內(nèi)部電解液泄漏，可能導(dǎo)致電池?fù)p壞，甚至引發(fā)安全問題。常見的漏液原因包括電池內(nèi)部短路，電池密封不良，以及電池過度充電或放電。膨脹電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電池體積膨脹，甚至可能發(fā)生爆炸。常見的膨脹原因包括電池內(nèi)部短路，電池過度充電或放電，以及電池過熱。過熱電池內(nèi)部溫度過高，可能導(dǎo)致電池性能下降，甚至發(fā)生火災(zāi)或爆炸。常見的過熱原因包括電池內(nèi)部短路，電池過度充電或放電，以及電池周圍環(huán)境溫度過高。容量下降電池的容量下降，導(dǎo)致電池續(xù)航時(shí)間縮短。常見的容量下降原因包括電池老化，電池過度充電或放電，以及電池使用環(huán)境溫度過高或過低。電池充放電管理充電控制防止過充，電池過充會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。放電控制防止過放，過放電會(huì)導(dǎo)致電池性能下降。電流控制控制充電和放電電流，防止電池過熱。溫度控制控制電池工作溫度，延長(zhǎng)電池壽命。電池儲(chǔ)存與運(yùn)輸儲(chǔ)存環(huán)境避免高溫、潮濕和陽光直射環(huán)境。儲(chǔ)存溫度一般在-20℃到45℃之間。儲(chǔ)存時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)影響電池容量，建議定期檢查電池狀態(tài)。運(yùn)輸要求電池在運(yùn)輸過程中應(yīng)避免碰撞、擠壓和劇烈振動(dòng)。運(yùn)輸工具要選擇通風(fēng)良好、溫度適宜的車輛。應(yīng)按規(guī)定使用包裝材料，防止電池在運(yùn)輸過程中發(fā)生短路、漏液或爆炸等安全事故。電池檢測(cè)與維護(hù)定期檢測(cè)使用專業(yè)的電池檢測(cè)設(shè)備，檢查電池容量、電壓、電流、內(nèi)阻等參數(shù)，評(píng)估電池性能。清潔保養(yǎng)定期清潔電池表面，避免灰塵和污垢堆積，影響電池散熱和性能。安全存儲(chǔ)選擇干燥、陰涼、通風(fēng)良好的環(huán)境存放電池，避免高溫、潮濕或陽光直射。規(guī)范使用避免過度充電、過度放電、短路等不當(dāng)操作，延長(zhǎng)電池壽命。鋰離子電池工藝1材料制備正負(fù)極材料、電解質(zhì)、隔膜等2極片涂布將活性材料涂覆在金屬箔上3極片干燥去除溶劑，保證極片干燥4卷繞/疊片將極片、隔膜和集流體組裝成電池芯5注液成型注入電解液，完成電池組裝鋰離子電池的制造是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及多個(gè)步驟和關(guān)鍵工藝。從材料制備到電池組裝，每個(gè)環(huán)節(jié)都至關(guān)重要，對(duì)電池性能和壽命有直接影響。鋰離子電池結(jié)構(gòu)鋰離子電池一般由正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)組成。正負(fù)極分別由活性材料、導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑組成。隔膜將正負(fù)極隔開，允許鋰離子通過，防止電子直接接觸。電解質(zhì)是鋰離子在電池內(nèi)部傳輸?shù)慕橘|(zhì)。鋰離子電池特性高能量密度鋰離子電池的能量密度高，體積小，重量輕，適合用于便攜式電子設(shè)備。長(zhǎng)循環(huán)壽命鋰離子電池的循環(huán)壽命長(zhǎng)，可以反復(fù)充放電數(shù)百次或數(shù)千次，使用壽命長(zhǎng)。高功率密度鋰離子電池的功率密度高，可以快速充放電，適用于需要快速供電的應(yīng)用。工作溫度范圍廣鋰離子電池的工作溫度范圍廣，可以在較寬的溫度范圍內(nèi)正常工作。鋰電池研究進(jìn)展近年來，鋰電池技術(shù)取得了顯著進(jìn)步，在能量密度、循環(huán)壽命、安全性等方面都得到了顯著提升。研究人員不斷探索新型電極材料、電解質(zhì)和隔膜，以提高電池性能。同時(shí)，鋰電池的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，除了傳統(tǒng)的便攜式電子設(shè)備外，還廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)、航空航天等領(lǐng)域。10%能量密度新型材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能量密度大幅提升。500循環(huán)壽命先進(jìn)的電解質(zhì)和電極材料，循環(huán)壽命顯著延長(zhǎng)。100安全性改進(jìn)的電解液和安全設(shè)計(jì)，有效提高了電池安全性。100M市場(chǎng)規(guī)模鋰電池市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，未來發(fā)展前景廣闊。燃料電池工作原理燃料電池是一種將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其工作原理是利用燃料與氧化劑之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流。1氫氣燃料2氧氣氧化劑3電解質(zhì)離子通道4催化劑反應(yīng)加速燃料電池的核心是電化學(xué)反應(yīng)，在催化劑的作用下，氫氣在負(fù)極被氧化成質(zhì)子，電子則通過外部電路流向正極；氧氣在正極被還原成氧離子，與質(zhì)子結(jié)合生成水。燃料電池構(gòu)造和材料11.燃料電池組件主要包括陽極、陰極、電解質(zhì)、隔膜、密封件和集流器。22.陽極燃料在陽極氧化反應(yīng)，釋放電子產(chǎn)生氫離子，電子經(jīng)外電路流向陰極。33.陰極氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，消耗電子，產(chǎn)生氧離子，與氫離子結(jié)合生成水。44.電解質(zhì)允許氫離子通過，但不允許電子通過，從而形成電流。燃料電池性能指標(biāo)指標(biāo)描述單位功率密度單位面積產(chǎn)生的功率瓦特/平方厘米（W/cm2）能量密度單位質(zhì)量或體積儲(chǔ)存的能量瓦時(shí)/千克（Wh/kg）或瓦時(shí)/升（Wh/L）效率燃料轉(zhuǎn)化為電能的效率百分比（%）工作溫度燃料電池正常工作的溫度范圍攝氏度（℃）壽命燃料電池在性能衰減到一定程度之前的工作時(shí)間小時(shí)（h）成本燃料電池的生產(chǎn)和維護(hù)成本元/千瓦（元/kW）燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域汽車燃料電池汽車具有零排放，續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是未來汽車發(fā)展的重要方向。電力燃料電池發(fā)電效率高，清潔環(huán)保，可作為分布式電源，滿足小型社區(qū)或建筑的電力需求。便攜設(shè)備小型燃料電池可為手機(jī)、筆記本電腦等便攜電子設(shè)備提供電力，并具有較長(zhǎng)的使用壽命。航天燃料電池能夠提供高能量密度和可靠性，適合用于航天器和衛(wèi)星。新型電池發(fā)展趨勢(shì)固態(tài)電池固態(tài)電池使用固態(tài)電解質(zhì)，安全性更高，能量密度更高。鋰硫電池鋰硫電池理論能量密度高，具有成本優(yōu)勢(shì)，但循環(huán)壽命和倍率性能有待提高。金屬空氣電池金屬空氣電池理論能量密度高，可利用空氣中的氧氣作為反應(yīng)物，但技術(shù)挑戰(zhàn)較大。柔性電池柔性電池可彎曲、折疊，適用于可穿戴設(shè)備、電子皮膚等領(lǐng)域。電池回收與利用環(huán)境保護(hù)廢舊電池含有重金屬，會(huì)污染土壤和水源。回收利用可以減少環(huán)境污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。資源再利用電池中含有稀有金屬等寶貴資源，回收利用可以提取這些資源，節(jié)約資源消耗。經(jīng)濟(jì)效益回收利用可以創(chuàng)造新的產(chǎn)業(yè)鏈，帶來經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。電池技術(shù)發(fā)展方向高能量密度電池能量密度是關(guān)鍵指標(biāo)，高能量密度電池可延長(zhǎng)使用時(shí)間，減少充電頻率?？焖俪潆娍焖俪潆娂夹g(shù)能縮短充電時(shí)間，提高電池應(yīng)用效率，滿足快速發(fā)展需求。長(zhǎng)循環(huán)壽命長(zhǎng)循環(huán)壽命電池可以延長(zhǎng)使用周期，降低電池更換成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。安全性電池安全性至關(guān)重要，安全可靠的電池才能確保用戶安全，促進(jìn)電池應(yīng)用。電池應(yīng)用前景展望電動(dòng)汽車電動(dòng)汽車技術(shù)不斷發(fā)展，電池技術(shù)進(jìn)步為電動(dòng)汽