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2.1 锂电池定义与分类
锂电池是一种充电电池,又被称为二次电池或蓄电池,工作原理为通过锂离子(Li + )在正负极之间移动来实现充放电功能。锂电池主要依靠含锂元素的正极、碳元素的负极、介于正负极之间的电解液和隔膜这四部分运作。
当充电时,锂离子从电池的正极脱嵌,通过电解液,穿过隔膜,运动到负极。而碳材料组成的负极呈层状,且有许多微孔,达到负极的锂离子将嵌入到碳层的微孔中,达到富锂状态,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。当电池放电时,嵌在负极的锂离子将原路返回至正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。在充放电这一过程中,锂离子从正极运动到负极,再由负极返回到正极(见图 2-1)。
锂电池可分为多种,按照正极材料的不同,可分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂和镍钴铝酸锂等(见图 2-2);按照电解质的不同,可分为液锂电池和聚合物电池,两者工作原理基本相同,不同的是前者的电解液以液态存在,而后者以固态或胶态聚合物来充当电解液。
钴酸锂被广泛应用于消费电池领域,而非采用容量更占优势的三元电池,主要原因是钴酸锂工艺最为成熟,且制作工序简单,压实密度也大于三元电池。在 3C 体积较小的设备中,优势更为明显。而动力电池方面,主流车厂一般采用磷酸铁锂和三元电池作为主要解决方案,磷酸铁锂在安全和循环性能上更为突出,且价格相对便宜,在补贴退坡趋势下,可有效降低车企成本。而三元电池中的钴在中国产量较低,多数需要进口,成本很高;镍钴铝和镍钴锰在高温工作环境下结构不稳定,安全性能稍差,但三元电池能量密度高,循环性能好,振实密度高,可为电动汽车带来更长的续航里程以及更快的充电效率。
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