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Vol.044 锂电池如何拯救当代生活?

看这个电量条,你焦虑吗?

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当代生活已经离不开各种便携电子设备,而这些设备都离不开电池,并且大部分都是锂离子电池。

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相比其他材料,锂有什么特殊之处?锂离子电池是如何工作的?

电池分为正极、负极、电解质三部分,通常靠氧化还原反应产生电。

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这是我们今天常见的铅酸蓄电池,塑料外壳里通常有六个单体电池串联而成,每个单体电池的正负极都有多个板片互相紧密穿插。

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其中正极是二氧化铅,负极是铅,而稀硫酸电解质中则含有硫酸氢根离子和氢离子。

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放电时,负极的铅会被电解质里的硫酸氢根离子氧化,生成硫酸铅和氢离子并放出电子。

电子经外部电路产生电流,并继续和正极的二氧化铅,以及电解质里的硫酸氢根离子、氢离子还原生成硫酸铅和水。

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正负极间有一片多孔隔膜,多为塑料材质,可以允许离子穿过但不能导电,防止两极直接接触造成短路。

需要注意,蓄电池放电的过程在充电时是可逆的,所以能重复使用。

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容量是人们最关心的电池参数,取决于正负极物质的比容量。

比如在铅酸蓄电池中,1mol 的铅,约 6.02×10²³ 个铅原子,被氧化时会放出 2mol 电子,约 53600mAh 的电。

1mol 铅重 207g ,把电量除以重量就得到铅的比容量约为 259mAh/g 。

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比容量越大,就能以越少的质量获取越多电量,锂正是因为比容量高达 3861mAh/g ,所以成为目前最常用的电池材料。

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但是直接把锂作为电极的充电电池有一个致命的缺陷。

放电时,锂会被氧化成离子进入电解质,充电时,这些离子会再沉积到锂的表面。但是这种沉积不均匀,会产生枝晶,枝晶过长就会折断,不再参与反应,降低电池容量。

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而且枝晶有可能刺破正负极之间的隔膜,导致短路,让电池着火甚至爆炸

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为了解决这个问题,索尼在 1991 年推出了锂离子电池。

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锂不作为电极,而是主要基于电化学的嵌入/脱嵌反应变成离子在正负极间移动。

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以钴酸锂电池为例,放电时,锂从石墨负极脱嵌变为离子,并放出电子,接着锂离子经电解质嵌入正极的钴酸锂,充电则相反。

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锂离子电池的关键在于正负极材料的化学结构必须带有空隙,允许锂离子嵌入或脱嵌。石墨就凭借带有空隙的层状结构且价格低廉成为锂离子电池最通用的负极材料。

所以,正极采用什么材料就成了当今不同类型锂离子电池最大的区别。

传统的正极材料有钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等,但是各自存在比容量较低、安全性差、成本高等不足。

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一旦用在电动汽车这类大型用电设备上,性能就捉襟见肘。

于是,综合不同物质优势的三元材料出现了。其中 NCA 镍钴铝酸锂和 NCM 镍钴锰酸锂的性能就相对出众且平衡。

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国产电动车中,有的出于成本考虑还在使用磷酸铁锂,当然也有以性能优先的品牌比如前途汽车在开创初期就把高性能的 NCM 作为电池材料的首选。

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目前电动汽车的电池主要有圆柱形、方壳形和软包形三种构型。

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以前途汽车使用的软包形为例,通过使用铝塑包装膜作为包装材料,大大减轻了电池的重量。相比圆柱形排列时无法避免的空隙,软包形的空间利用率更高。

此外,轻薄的软包形电池散热面积更大,更有利于汽车电池模块的温度管理。

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前途 K50 的电池模块称为 RESS 可再充电能量储存系统,由 10 个标准电池箱、BMS 和热管理系统组成,

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每个标准电池箱有 60 个电芯,总容量 78.84kWh ,综合工况续航里程超过380公里,60km/h 等速续航里程超过 510 公里。

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满载情况下,百公里加速时间小于 4.6 秒,性能表现媲美保时捷 911 、雷克萨斯 LC 等百万级跑车。

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作为国内首款量产纯电动跑车,前途 K50 通过对锂电池的出色应用,无疑为当代生活在手机、电脑之外又提供了一种新的可能性。

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  • Mar 29, 2020. By parozhao
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