电池相关

下列思维导图描述传统锂电池、固态锂电池、氢燃料电池的工作原理和优劣势。

电池相关

• 氢燃料电池
  • 原理：负极氢气，正极氧气，通过催化剂、质子交换膜积累电压
  • 使用过程消耗氢气
  • 优势
    • 环保，反应后副产品是水
    • 很难爆炸
      • 浓度有要求
      • 温度要求高
      • 电池工作原理是 电化学过程不是点燃
    • 好运输、好储存
  • 劣势
    • 氢气制备不环保，涉及甲烷
    • 氢气制备需要大量能源
    • 氢气压缩需要耗能
    • 管道、加氢站基础投资高
• 锂电池
  • 原理：负极锂离子，正极锂的金属氧化物， 通过电解液，绝缘隔膜锂离子运动产生电压
  • 使用过程发生锂离子运动，充电将锂离子逼回负极实现循环使用
  • 能量对比
    • 电子效率上：氢100%，碳：66%，锂：33.3%
    • 能量密度上：汽油燃料是锂电池的40~50倍。锂电池里真正 核心参与电量供应的物质锂只占总质量的2%，其余98%都是 为了让电池正常充放电加入的（电解液、绝缘层、外壳等）
    • 实际对比上：考虑到发动机效率，同等重量能源， 燃油车是锂电动车17.5倍
  • 从经济性上考虑负极材料
    • 分子较小、物质较轻
    • 原子最外层电子较多
    • 元素周期表前十，考虑其他因素 只有5个候选：氢、碳、硼、铍、锂
      • 利用前两个元素 的就是汽油、柴油
  • 锂电池能量密度提升的瓶颈在正极，负极有余量， 如果正极能够匹配，能量密度会提升3~5倍
  • 衡量锂电池的三个关键因素
    • 能量密度：续航里程
    • 充放电速度：充电时间
    • 循环次数：电池寿命
  • 充电特性
    • 前半段恒流充电：电流不变、电压升高
      • 速度快
    • 后半段恒压充电：电压不再升高（约4.2V），电流减小
      • 速度较慢
    • 如果多个电池串联，最后还需要 通过电池管理芯片做电压均衡处理
      • 速度最慢
    • 兼顾充电速度 和电池寿命
  • 低温影响
    • 低温充电
      • 锂离子走失
      • 附着在府及附近，成为锂金属，造成“析锂”现象
      • 析锂后，燃点降低，锂离子减少，电池容量下降
        • 在温度正常后的 充放电过程中锂原子 基本可逆为锂离子
      • 解决方案
        • 电池热管理，预加热
        • 降低充电速度，更长时间充电
    • 低温使用
      • 降低锂离子在负极石墨层的扩散速度
      • 降低锂离子在电解液中的移动速度
      • 电池内阻增加，导致电池 电压降低，会被系统判定 为电量低，自动关机
• 固态锂电池
  • 原理：同锂电池，区别是无电解液、无隔膜，正负极之间是固体电解质
  • 是锂离子电池发展的必经之路
  • 优势
    • 更大能量密度：电池内节省空间，安置更大正极材料至少提高3~5倍
    • 更安全：无电解液，不会产生气体爆炸
  • 劣势：因电极和离子接触面减小，锂离子传输速度慢，内部电阻高，发热大 因此，大电流充放是弱点