锂电池是如何储存电量的

特斯拉ModelS采用18650圆柱形锂电池——这点基本已是路人皆知了,但这种电池的内部构造是什么样的?它是如何工作的?为什么可以实现充放电功能,它的性能由什么决定?电池除了圆柱形以外还有什么其它形态?你清楚吗?本期来为大家解读.

你一定曾想象过,把锂电池单体扒开,看看里面到底有什么.当然这样做是很危险的,我们可以用模拟的方式带大家了解锂电池内部的构造.

电池被打开后,可以清晰的看到内部构成的材料和构造形态,它的正电极是由金属铝制成,负电极是由金属铜制成.之间还有电解液和石墨,并且在两个电极之间还有一层隔膜.这就是一个18650圆柱形电池的基本构成形态.

之所以锂电池要选择锂这种金属元素作为核心材料,是因为锂在元素周期表中属于比较活泼的金属,比较容易失去电子.所以用锂作为电池材料可以提高单体电压.

电解液中的锂离子(离子状态的锂元素)需要在电池中能够充分流动,但电子必须被隔绝,否则会引起短路.

在不带电状态下,锂离子和电子都被束缚在了正极一端,锂离子会与正极材料形成化合物,此时处于稳定状态,但电池本身不具备什么电势能.

一旦给电池充电,电子就会随着外部导线在外部电源的作用下移动到负级,并储存在负级材料中,锂离子也会透过隔膜被吸引到负级材料中储存,此时电池处于高势能状态(也就是带电状态).负级材料由石墨制成,由于石墨具有蓬松的孔状结构,所以能够束缚电子.负级发生的并非化学反应,而是物理反应,锂离子和电子并没有在负级形成化合物,而是通过物理手段把他们束缚住,从而产生电势能.

一旦给电池接入外部负载,电子就会随着导线流入正极,从而驱动负载做功,此时锂离子也会透过隔膜返回到正极材料中.在正极材料中,锂离子和电子再次相遇,形成稳定状态的化合物.

当然,如果正负极之间的隔膜一旦失去绝缘作用,电子直接从电池内部奔向正极就会形成短路,从而引发爆炸,所以隔膜的稳定性对锂离子电池的安全起到了至关重要的作用.

隔膜是一种化学材料,它具备两个重要特性:既可以绝缘(防止电子通过)又可以透气(能够让锂离子顺利通过)

▲可以阻隔电子流动但不会阻隔锂离子流动的隔膜

在一个新的电池单体开始工作时,随着锂离子透过隔膜的左右迁移(从正极到负极,从负极到正极的过程),会在隔膜的负级一侧形成一层SEI钝化层,这个钝化层可以让电池变得更加稳定,研发人员通过大量实验计算出了最佳的厚度.这个过程大概需要消耗掉5%左右的锂离子,所以会影响一部分电池容量.

在18650电池当中,负级的电极是由铜制成的,正极则是由铝制成的.将石墨涂抹到正极材料上,再将锂化合物涂抹到负级材料上就形成了电极.

▲在电极之间插入隔膜就形成了锂电池的雏形

再将电极和隔膜蜷曲成圆柱形再加入电解液,然后密封,就形成了我们需要的圆柱形18650锂电池.

18650电池的放电电压为3伏到4.2伏,在放电过程重,电压也会随之降低,一旦单体电压低于3伏就会有损坏的风险.

所以我们需要一套电池管理系统来保护每一个电池单体不被过度充放电,这套系统简称BMS.在每一个由单体构成的电池组中都配备了一套BMS控制系统.

由于环境温度对电池的充放电影响极大,要想让这么多电池单体在尽可能相同的温度下工作,还需要设计一套冷却系统.特斯拉采用了乙二醇作为冷却介质,也就是我们俗称的水冷系统.这套系统可以保证每个电池单体的温度尽可能一致,从而保证充放电程度尽可能一致.

日产LEAF采用的是软包电池单体,它的电极没有被卷曲,而是直接层叠而成,原理与上面介绍的圆柱形电芯一致,只是外部形态看起来有所区别,物理特性上也会由一些区别.特斯拉ModelS采用的是圆柱形电芯构成的电池组.

软包形的电池单体在设计成电池组时,单体与单体之间缝隙更小.所以同样带电量的情况下,软包电池的体积更小.空间利用率更高,便于电动车的总布置.并且软包电芯比圆柱形电芯有更好的防穿刺安全性能.当然,圆柱形电池由于其卷曲工艺,使得能量密度相对较高,并且电芯之间通过布置乙二醇水冷系统可以让电池更加稳定的工作.特斯拉新款的Model3采用的21700电芯仍然是圆柱形.

■总结

从电池的构造和原理不难了解,电池的带电性能(包括能量密度和充放电性能)主要取决于正极材料的失去电子能力.从元素周期表中不难发现,锂是最适合作为正极材料的金属材质.而负级材料的携带电子和离子性能也决定了电池的能量密度.目前最主流的包括18650电池上使用的是石墨.这种材料价格便宜,表面孔洞密度高,在天然材质中是属于平衡成本和效益的最佳材质.当然研发人员也在尝试用硅作为负级材料,它拥有比石墨更好的物理性能.另外,通过人工制造的纳米材料也可以用于负级,负级材质孔洞越小能够携带的电子就越多,不过后者还处于实验室研发阶段.