造物无言却有情,每于寒尽觉春生

 

 

昨天我们聊了铅酸蓄电池以及氢镍蓄电池的基本结构和原理,接下来将剩下的三个动力电池的类型聊完 --

 

锂离子蓄电池锌空气电池超级电容器

 

 

锂离子蓄电池

 

锂离子蓄电池,我们听得最多的,它是以锰酸锂、磷酸锂或者钴酸锂等锂的化合物作为正极;用可嵌入锂离子的碳材料作为负极;使用有机电解质的蓄电池。目前纯电动汽车上主要都是锂离子蓄电池,按形状可分为方形和圆柱形,按正极材料的不同我们可以分为以下四类:①锰酸锂离子蓄电池、②磷酸铁锂离子蓄电池、③钴酸锂离子蓄电池、④镍钴锰锂离子蓄电池。

 

①锰酸锂离子蓄电池

正极使用锰酸锂材料的蓄电池,其标称电压达到 3.7V,成本低、安全性好。

 

锰酸锂(LiMn2O4)具有尖晶石结构,其理论容量为 148mA·h/g,实际容量为 90~120mA·h/g,工作电压范围为 3~4V。

 

优点:猛资源丰富、价格便宜、安全性高、容易制备;

 

缺点:理论容量不是很高;材料在电解质中会缓慢溶解,即与电解质的相容性不太好;在深度放电的过程中,材料容易发生晶格畸变,造成电池容量迅速衰减,特别是在较高温下更明显。

 

②磷酸铁锂蓄电池

指由磷酸铁锂作为正极材料的锂离子蓄电池。磷酸铁锂(LiFePO4)具有橄榄石晶体结构,其理论容量为 170mA·h/g,在没有掺杂改性时实际容量已高达 110mA·h/g。如果通过对磷酸铁锂进行表面修饰,其实际容量能达到 165mA·h/g,工作电压在 3.4V 左右。

 

优点:稳定性较高、更加安全可靠、更环保且价格低廉;

 

缺点:电阻率偏大,电极材料的利用率较低;

 

目前,广泛采用碳复合磷酸铁锂做正极。

 

③钴酸锂离子蓄电池

指用钴酸锂作为正极材料的锂离子蓄电池。

 

优点:电化学性能优越,易加工,性能稳定,一致性好,比容量高;

 

缺点:安全性较差,并且成本相对较高。

 

④镍钴锰锂离子蓄电池(三元锂电池)

指的是以镍钴锰三元材料作为正极的锂离子蓄电池。其能力密度大,功率密度高,循环寿命长,易于加工且安全性较好。

 

几种正极材料比较:

 

 

锂离子蓄电池的结构

 

正极:由含锂的过渡金属氧化物组成,再加入导电剂、树脂黏合剂,并涂覆在铝基体上,呈细薄层分布;

 

负极:由碳材料和黏合剂的混合物加上有机溶剂调制成糊状,涂覆在铜基体上,呈薄层状分布;

 

隔膜板:用来关闭或者阻断通道,即当蓄电池出现温度异常上升时,阻塞或阻断离子通道的细孔,使蓄电池停止充放电。隔膜板能够有效地防止电池的异常发热现象;

 

电解液:以混合溶剂为主体的有机电解液。为了满足高电容率,良好的相容性,在蓄电池工作范围内呈液态、凝固点低、沸点高,同时还得具有良好的化学稳定性,所以一般是几种溶剂的混合物;

 

安全阀:在蓄电池内压异常升高时,安全阀释放气体来防止蓄电池爆裂。安全阀是一次性的,所以是蓄电池的最后一道防线。

 

锂离子蓄电池的工作原理

 

充电时,锂离子在正极脱嵌,通过电解质进入负极,同时由于隔膜板的存在,电子只能通过外部电路从正极流向负极,形成充电电流。放电时,锂离子在负极脱嵌,流向正极,电子在外部电路形成放电电流。

 

锂离子蓄电池的正、负极电化学反应为:

 

正极:LiMO2↔Li1-xMO2+xLi++xe¯

 

负极:nC+x+xe¯↔LixCn

 

总反应:LiMO2+nC↔Li1-xMO2+LixCn

 

锂电池的反应过程中既没有消耗电解液,也不产生气体,只是锂离子在正负极之间移动,所以锂离子蓄电池结构可以做成完全封闭的。同时,正常充放电过程中没有其他副反应,所以锂离子蓄电池充电效率很高。

 

锌空气电池

 

锌空气电池是以空气中的氧作为正极活性物质的一种高效环保型电池,其理论质量比能量为 340W·h/kg,体积比能量为 1050W·h/L,是目前所有化学电源中最高的了。锌空气电池放电电压平稳,持续时间长,可以做到无污染,成本低,原材料易得,制备简单,目前主要应用于电动公交中。

 

锌空气电池的结构

 

主要由阳极、阴极、隔离层、绝缘和密封层、电解液和外壳等组成:

 

阳极:起催化作用的炭从空气中吸收氧;

 

阴极:是锌粉和电解液的混合物;

 

隔离层:用于隔离两极间固体粉粒的移动;

 

绝缘和密封层:尼龙材料;

 

电解液:高浓度的氢氧化钾水溶液;

 

外壳:镍金属,有着良好防腐性分导体。

 

锌空气电池的工作原理

 

锌空气电池以空气中的氧气为正极活性物质,金属锌为负极活性物质,是一种半蓄电池半燃料电池:首先,负极的金属锌同铅酸等蓄电池一样封装在电池内部,具有蓄电池的特点;其次,正极来自外部空气的氧,理论上是无限容量的,所以由具有燃料电池的典型特征。

 

锌空气电池放电时阳极和阴极发生的电化学反应为:

 

阳极:Zn+2OH¯→ZnO+H2O+2e¯

 

阴极:O2+2H2O+4e¯→4OH¯

 

总反应:2Zn+O2→2ZnO

 

锌空气电池要在接触空气后才开始产生电能,所以一个新的锌空气电池只要不撕掉它的密封胶带,它就不会开始工作,故其保存时间很长。

 

超级电容器

 

超级电容器时具有超级储电能力并可提供强大脉冲功率的物理二次电源。它介于蓄电池和传统静电电容之间。其主要是利用电极 / 电解质界面电荷分离所形成的双电层,或者借助电极表面快速的氧化还原反应所产生的法拉第准电容来实现电荷和能量的存储。

 

超级电容器又称双电层电容器、黄金电容器、法拉第电容器,在电极和电解液接触面之间具有极高的比电容和非常大的接触表面积,它的储能过程是不发生化学反应的,且储能过程是可逆的,所以可以反复充放电数十万次。超级电容可以作为城市公交的储能装置,也可以作为电动汽车的辅助储能装置。

 

超级电容的分类

 

①按形状:圆形和方形;

 

②按储能原理:电荷分离产生的双电层电容器;欠点位沉积或者吸附电容而产生的法拉第准电容器;还有双电层和准电容的混合型电容器;

 

③按电极:两电极组成相同且电极反应相同,反应方向相反的对称型;两电极组成不同且反应不同的非对称型;

 

④按电解液:

 

水溶液体系超级电容:电导率高、成本低、分解电压低(1.2V);

 

有机体系超级电容器:电导率低、成本高、分解电压高(3.5V);

 

固体物电解质超级电容器:可靠性高、电导率低、无泄漏、高比能量、薄。

 

超级电容器的结构原理

 

超级电容器的电极材料多为活性炭材料,同时在相对的活性炭电极之间填充电解质溶液,当两个电解接上电压后,相对的多孔电极上聚集极性相反的电子。电解液中靠近两个电极的离子,由于电场作用聚集到两个电极附近,这些离子分别与极板所带的极性相反,从而形成双电层电容。

 

多孔炭的比面积非常高,达到 1000~3000m²/g,所以电容器有很大的极板面积;电解质与多孔极板之间的界面距离很小,使得电容器获得了极小的极间距离,可得到超大容量的电容器,能够存储很大的静电能量。

 

超级电容器中的能量以电子的形式储存在电解液界面的双电层内部和电极表面。充电时,电子从正极传到负极,同时电解液中的正负离子分开,分别向负极和正极移动到电解液表面;放电时,电子通过负载经过负极传至正极,正负离子从电极表面释放并返回到电解液中。电解液的分解电压决定了超级电容器的做最大工作电压。

 

 

动力电池的五种主要类型:铅酸蓄电池、金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、锌空气电池和超级电容器,差不多就聊到这里。希望你们能够喜欢~