动力电池的结构及工作原理

动力电池的结构及工作原理二、镍氢动力电池02二、镍氢动力电池1、镍氢电池组成结构镍氢电池也称为镍金属氧化物电池。其一般由正负极、隔膜、电解液、安全阀、壳体等组成。（1）正极镍氢电池的正极采用高孔率泡沫镍或纤维镍做导电骨架，其表面是氢氧化物制作而成。（2）负极镍氢电池的负极是由骨架和储氢合金组成的。（3）隔膜

镍氢电池的隔膜采用尼龙无纺布或聚丙烯无纺布等材料，由于尼龙无纺布在碱性电解液中会发生解离，所以绝大多数采用聚丙烯无纺布。二、镍氢动力电池1、镍氢电池组成结构

（5）壳体和安全阀镍氢电池的外壳多采用镀镍薄钢板，在电动汽车用的方形电池上，也有采用塑料外壳。安全阀安装在镍氢电池的顶部，其主要作用是在镍氢电池过放电时，正极析出的气体可以在负极消耗，电池内部压力保持平衡。（4）电解液

镍氢电池的电解液一般是氢氧化钾碱性溶液（KOH），有的镍氢电池在电解液中加入少量的氢氧化锂（LiOH）或氢氧化钠（NaOH）。二、镍氢动力电池1、镍氢电池组成结构型号含义：HF18/07/49，表示该镍氢电池为方形，其宽为18mm，厚度为7mm，高度为49mm。方形圆形扣形二、镍氢动力电池2、镍氢电池的结构类型（1）充电过程充电时，镍氢电池正负极的电化学反应为：正极：Ni(OH)2+OH-→NiOOH+H2O+e-负极：M+H2O+e-→MH+OH-在充电时，电解液中的水被分解为氢离子和氧化氢离子，负极吸收氢离子，负极的金属变成为金属氧化物。（2）放电过程放电时，镍氢电池正负极的电化学反应为：正极：NiOOH

+H2O+e-→Ni(OH)2+OH-负极：MH+OH-→M+H2O+e-放电时，正极析出氧化氢离子，负极析出氢离子，其在电解液中结合生产水，在正负极之间通过外部电路放出电能。

镍氢电池充放电原理图二、镍氢动力电池3、镍氢电池的工作原理（1）优点：1）比功率大。2）循环寿命长，一般使用寿命5-10年。3）不含铅、镉等对人体有害金属，无污染。4）耐过充电、过放电能力较强。5）无记忆效应。6）使用温度范围宽。正常使用温度范围为-30~+60摄氏度。7）使用安全可靠。（2）缺点：1）成本较高，价格是铅酸电池的5-8倍。2）单体电池的电压较低，只有1.2V。3）自放电的损耗较大。4）环境温度对蓄电池的放电电压和放电容量有较大影响。二、镍氢动力电池4、镍氢电池的特点任务6：高压维修开关的检测任务情景比亚迪E5车主反映，车辆不能行驶，请根据相关信息进一步的分析诊断。任务目标了解高压维修开关的作用能够对高压维修开关进行拆装和检测磷酸铁锂电池03锂离子电池一般由正极、负极、隔膜、电解液（电解质）、壳体和安全阀等组成。三、磷酸铁锂电池1、锂离子电池组成结构（1）正极锂离子电池的正极活性物质采用锂过渡金属氧化物，我们通常所说的钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池等都是以锂离子电池正极材料来命名的。（2）负极锂离子电池的负极活性物质主要采用碳素材料。目前常见的碳材料主要有石墨（分为人造石墨、天然石墨），碳素材料（软碳、硬碳）等。（3）电解液（电解质）锂离子电池的电解液一般采用非水电解液、聚合物电解质和固体电解质三大类。锂电池的电解质应具有高的导电能力，较好的稳定性及安全性，所以在电解质内通常会加入适量添加剂。三、磷酸铁锂电池1、锂离子电池组成结构（5）壳体和安全阀锂离子电池的壳体材质需要兼顾强度要求和散热性能。安全阀安装于电池盖，目的在于防止电池内部压力过高而产生的破裂或爆炸等危险。（4）隔膜隔膜位于正负极之间，要是防止正负极活性物质短路。保证锂离子电池的正常充放电和安全性能。三、磷酸铁锂电池1、锂离子电池组成结构（1）圆柱形锂离子电池

美国特斯拉电动汽车ModelS，其动力电池采用的7000多18650电池。18650电池型号：

18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。18650锂离子电池单节标称电压一般为：3.6V或3.7V；最小放电终止电压一般为：2.5～2.75V。常见容量为1200～3300mAh。三、磷酸铁锂电池2、锂离子电池的结构类型（2）长方形锂离子电池

长方形锂离子电池也需要多个电池串联组成电池组。长方形锂离子电池

动力电池组三、磷酸铁锂电池2、锂离子电池的结构类型（3）薄板形锂离子电池薄板形锂离子电池一般为容量较小可充电电池，由于体积较小的优点多用在手机、照相机电池等便携式电子产品上。薄板形锂离子电池（4）纽扣形电池纽扣形锂离子电池通常也是小容量的可充电电池，用于汽车钥匙电池、电子手表电池等。纽扣形锂离子电池三、磷酸铁锂电池2、锂离子电池的结构类型

锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。回正极的锂离子越多，放电容量越高。充电时：锂离子从正极材料晶格中脱出经过电解质嵌入到负极材料层中；放电时：锂离子从负极材料晶格中脱出，经过电解质嵌入到正极材料中。三、磷酸铁锂电池3、锂离子电池的工作原理（1）锂离子电池的优点1）过工作电压高且放电电压稳定。2）比能量及能量密度大。3）循环寿命长。4）安全性能好，无公害，无记忆效应。5）自放电率低。6）可实现安全快速充电。7）允许温度范围宽。

（2）锂离子电池的缺点1）不能大电流放电。2）电池的一致性较差。3）高温和低温的存储性较差。4）耐过充电和过放电能力差。5）锂电极会出现电压滞后现象。6）价格相对较高。三、磷酸铁锂电池4、锂离子电池的特点任务8：磷酸铁锂电池结构与原理任务情景比亚迪E5车主反应，车辆存放一段时间后，显示电压过低，请根据相关信息进一步的分析诊断。任务目标能够了解磷酸铁锂电池的结构能够掌握磷酸铁锂电池的工作原理任务9磷酸铁锂电池检测与维修任务情景比亚迪E5车主反应，车辆存放一段时间后，显示电压过低，请根据相关信息进一步的分析诊断。任务目标能够说出磷酸铁锂电池的结构能够对磷酸铁锂电池进行检查三元锂电池04三元锂电池的三元指的是镍（Ni）钴（Co）锰（Mn）三种元素。

三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，由于三元协同效应其综合性能优于任一单组合化合物。重量能量密度能够达到200Wh/kg。

力帆电动汽车动力电池四、三元锂电池1、三元锂电池的组成结构三元锂电池又被为“三元聚合物锂电池”，指的是镍钴锰酸锂或者镍钴铝酸锂作为正极材料的锂电池。由于三元锂电池体积更小、能力密度更高、耐低温，目前正广泛应用于新能源汽车上，比如我们熟知的特斯拉，旗下所有车型都是采用了三元锂电池。三元锂电池的三元指的是镍（Ni）钴（Co）锰（Mn）三种元素。而这三种元素中镍和钴是活性金属，锰不参与电化学反应。一般来说，活性金属成分含量越高，电池容量就越大，但当Ni的含量过高时，会引起Ni2+占据Li+的位置，加剧了阳离子混排，从而导致容量降低。Co也是活性金属，但能起到抑制阳离子混排的作用，从而稳定材料层状结构。Mn作为非活性金属主要起到稳定反应提高安全性的作用。四、三元锂电池1、三元锂电池的组成结构1)能量密度三元锂电池的能量密度大，电压更高，18650电池的能量密度232Wh/kg。而相比之下，目前国内主流的磷酸铁锂电池能量密度也仅达到150Wh/kg左右。2)安全性对于三元锂电池而言，其电池管理系统、散热系统至关重要。但磷酸铁锂遭到350℃的高温也不会起火。四、三元锂电池2、磷酸锂电池与三元锂电池电池性能对比3)耐温性能三元锂电池耐低温性能更好，在零下20C时，三元锂电池能够释放70.14%的容量，而磷酸铁锂电池包只能释放54.94%的容量。三元材料电池温度（℃）容量（Ah）放电平台（V）相对于25℃的容量558.5813.66899.36%258.6363.703100.00%-206.0583.41170.14%磷酸铁锂材料电池温度（℃）容量（Ah）放电平台（V）相对于25℃的容量557.8703.271100.00%257.8603.240100.00%-204.3202.87054.94%四、三元锂电池2、磷酸锂电池与三元锂电池电池性能对比4)循环寿命磷酸铁锂电池包循环寿命要优于三元锂电池，三元锂电池的理论寿命是2000次，但基本上到1000次循环时，容量衰减到60%;就算业界最优秀品牌特斯拉，经过3000次也只能保持70%的电量，而磷酸铁锂电池经过相同循环周期，还有80%的容量。但是三元锂的不断加强的电池管理技术加持下，逐渐得到提高。四、三元锂电池2、磷酸锂电池与三元锂电池电池性能对比材料三元锂磷酸铁锂锰酸锂钛酸锂重量能量密度（Wh/kg）200100-110100170电池单体表称电压（20℃）3.8V3.2V3.7V3.6V安全性较差好较好差理论循环使用寿命（次）20001500-2000600-1000300成本低高最低较高优点比容量高、循环寿命长、价格低廉安全性好、循环寿命长、无毒环保、结构稳定、循环性能好、铁资源丰富资源丰富、成本低，安全性好、容易制备工作电压高、放电电压平稳、适合大电流放电、比能量高、电导率高缺点平台相对较低、首次充放电效率低、安全性差。需要用大量的单体电池组合成电池组，体积大低温性能差、理论容量不高，室温电导率低工作温度高时循环性能差价格昂贵、抗过充电性差、安全性能差、有污染性（5）各种锂离子电池参数任务10：三元锂电池结构与原理任务情景

比亚迪E5车主反映，车辆存放一段时间后，显示电压过低，请根据相关信息进一步的分析诊断。任务目标能够了解三元锂电池的结构能够掌握三元锂电池的工作原理固态电池05三元锂电池的三元指的是镍（Ni）钴（Co）锰（Mn）三种元素。

三元材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，由于三元协同效应其综合性能优于任一单组合化合物。重量能量密度能够达到200Wh/kg。

力帆电动汽车动力电池五、固态电池1、三元锂电池的组成结构2018年，美国菲斯科汽车公司发布了一项全新的固态电池技术。据悉，这项技术的能量密度是常规锂离子电池的2．5倍，能够让电动汽车的行驶里程数增加到500英里（约804公里）以上。更为惊人的是，其充电时间仅需1分钟，甚至比传统燃油汽车加油的速度还快。五、固态电池新型锂电池发展在散热方面，整个电池组从满电到放电结束，电池温度会维持在26°以内，而目前的圆柱形电池整个放电过程结束后，温度会在40°以上。虽然固态电池技术目前与圆柱形电池一样，同样采用水冷，但因为本身放电温度可以保持的更低，也让散热成为固态电池一大优势。五、固态电池固态电池的散热优势全球多个车企和电池厂家也发布了固态电池相关的研发进展。包括丰田、松下、三星、三菱、宝马、大众、现代、戴森等企业。对比锂离子电池，固态电池用新型电解材料取代液体电解质，一劳永逸地消除了电解液反应过程中的危险隐患与不稳定因素；在相同质量下，固态电池将拥有目前市面上最高性能锂电池两倍的能量密度。一旦量产使用，很可能引发电动车储能的革命性突破。五、固态电池固态电池的优势一方面由于采用了有机电解液的传统锂电池，在过度充电、内部短路等异常情况下容易导致电解液发热，从而引发自燃甚至自爆的安全隐患。固态电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液等条件，安全系数较之锂离子电池有着先天的优势。二来则是固态电池在最为关键的能量密度方面，有望彻底解决纯电动汽车的里程焦虑。五、固态电池固态电池的优势固态电池的电解质无需隔膜和电解液，并不存在漏液、腐蚀等问题，可以简化电池外壳及冷却系统模块，进一步减轻电池模组的重量，达到节能的效果。此外，全新的正负极材料配套可以使得电化学窗口达到5V以上，从根本上提高能量密度，有望达到500瓦时/千克。五、固态电池固态电池的优势一方面由于采用了有机电解液的传统锂电池，在过度充电、内部短路等异常情况下容易导致电解液发热，从而引发自燃甚至自爆的安全隐患。固态电池基于固态材料不可燃、无腐蚀、不挥发、不漏液等条件，安全系数较之锂离子电池有着先天的优势。二来则是固态电池在最为关键的能量密度方面，有望彻底解决纯电动汽车的里程焦虑。五、固态电池固态电池的优势不过固态电池虽好，但根据现有的研发进展来看，也还有两项技术难题尚未攻破：固态电解质在室温条件下的离子电导率不高，固态点解质与正负极之间界面阻抗比较大。五、固态电池固态电池存在的问题任务11：三元锂电池检测与维修任务情景

比亚迪E5车主反映，车辆存放一段时间后，显示电压过低，请根据相关信息进一步的分析诊断。任务目标能够了说出三元锂电池的组成结构能够对三元锂电池的进行检测燃料电池06

燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，类似一个蓄电池，但实质他不是储能元件而是一个发电装置。燃料电池的主要构成组件为：电极（Electrode）电解质隔膜（ElectrolyteMembrane）集电器（CurrentCollector）六、燃料电池1、燃料电池概述（1）电极燃料电池的电极是燃料发生氧化反应与氧化剂发生还原反应的电化学反应场所。（2）电解质隔膜电解质隔膜的主要功能在分隔氧化剂与还原剂，并传导离子，（3）集电器集电器又称作双极板（BipolarPlate），具有收集电流、分隔氧化剂与还原剂、疏导反应气体等之功用，六、燃料电池1、燃料电池概述燃料电池的发电原理六、燃料电池1、燃料电池概述电池类型氢燃料电池锂电池时间补给时间短，直接加氢充电时间长，充满电3～8小时不等污染程度氢燃料电池主要的成是氢，在使用寿命结束后，不会对环境造成污染锂离子电池含有重金属镍、钴、砷等有毒污染物，要进行回收处理续航续航里程均超过500km普遍几种在150-250km充电站成本氢站成本高达100-200万美元特斯拉超级充电站修建成本月30万美元电池成本氢燃料电池化学反应所需的催化剂成本高，使用铂这种稀有贵金属，价格比黄金还高锂电池广泛使用在手机、电脑、汽车中成本低，已经商业化六、燃料电池2、燃料电池与锂电池的优劣对比

2008年，丰田推出了FCHV-adv，也就是这款车搭载丰田第二代燃料电池。该车依然基于汉兰达的平台改装而来，使用了4个70MPa的储氢罐，行驶里程达到了760公里。六、燃料电池3、燃料电池的运用（1）丰田FCHV-adv燃料电池概念车

MIRAI在节能方面非常出色，根据测试现实，50公里的续航仅需要1公斤的氢气。而一台MIRA内有两个超过60升的大容量储蓄罐，这两个储蓄罐安置在后下，两个储蓄罐加起来可以装10公升的氢气，按照换算，续航大概在500公里。六、燃料电池（2）丰田Mirai燃料电池汽车

在上海召开的2018CESAsia上，现代汽车推出新一代的氢燃料电池车NEXO，是现代汽车环保车系列中的技术旗舰车型。这款车的环保燃料电池动力传动系统,对氢能源利用率和零部件效率进行了最大程度的优化。六、燃料电池（3）现代NEXO燃料汽车

三款车型都采用了大众集团自主研发的第四代的100千瓦低温质子交换薄膜技术的燃料电池堆栈，续航里程超过500公里。六、燃料电池（4）大众的三款燃料电池汽车表1国内外典型氢燃料电池轿车对比

国内在燃料电池乘用车方面，投入研发的主要企业是上汽集团，已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发。参数丰田Mirai现代ix35本田Clarity通用Equinox荣威950整车整备质量/kg185022901890201020800～100km/h加速性能/s1012.5101212最大时速（km/h）160160161160160一次加氢续驶里程/km650415750320430燃料电池堆功率/kW1141101009343储氢质量/kg55.64-4.24.2动系统构型全功率型全功率型全功率型全功率型Pulg-in六、燃料电池（5）中国氢燃料汽车发展现状任务13：燃料电池结构与原理任务情景客户王先生对燃料汽车比较感兴趣，请根据所学知识为其推荐一款燃料汽车。任务目标能够了解燃料电池的结构能够掌握燃料电池的工作原理电容电池07超级电容器的容量比通常的电容器大得多。由于其容量很大。超级电容器电池也属于双电层电容器，是一种通过极化电解质来储能的电化学元件，但在储能过程中并不发生化学反应，而且储能过程是可逆的，可以反复充放电数十万次。七、电容电池1、电容电池结构与工作原理超级电容采用活性炭材料制作成多孔电极，同时在相对的碳多孔电极之间充填电解质溶液，当在两端施加电压时，相对的多孔电极上分别聚集正负电子。而电解质溶液中的正负离子将由于电场作用分别聚集到与正负极板相对的界面上，从而形成两个集电层，相当于两个电容器串联。七、电容电池1、电容电池结构与工作原理由于活性碳材料具有≥1200m2/g的超高比表面积，而且电解液与多孔电极间的界面距离不到1nm。根据前面的计算公式可以看出，这种双电层电容器比传统的物理电容的容值要大很多，比容量可以提高100倍以上，从而使单位重量的电容量可达100F/g。七、电容电池1、电容电池结构与工作原理并且电容的内阻还能保持在很低的水平，碳材料还具有成本低，技术成熟等优点。从而使利用电容器进行大电量的储能成为可能，且在实际使用时，可以通过串联或者并联以提高输出电压或电流。七、电容电池1、电容电池结构与工作原理①充电速度快。②循环使用寿命长。③大电流放电能力超强。④功率密度高。⑤是理想的绿色环保电源；⑥充放电线路简单。⑦超低温特性好。⑧检测方便。七、电容电池2、电容电池特点任务14：新型电池的结构与原理任务情景

客户王先生对新型电池能源比较感兴趣，请根据所学知识为其普及新型电池的知识。任务目标能够了解说出电容电池的结构特点能够说出电容电池的工作原理飞轮电池08飞轮电池包括飞轮、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子变换器，其中飞轮是整个装置的核心部件，它直接决定了整个装置的储能多少。电力电子变换器通常是由金属—氧化层半导体场效晶体管（MOSFET）和绝缘栅型晶体管IGBT组成的双向变换器，它们决定了飞轮装置能量输入输出量的大小。八、飞轮电池1、飞轮电池的结构和原理飞轮电池的工作原理是外部电能经电力电子变换器输入，驱动电动机旋转，电动机带动飞轮旋转，飞轮储存动能（机械能）。当外部负载需要能量时，用飞轮带动发电机旋转，将动能转化为电能，再通过电子变换器变成负载所需要的各种频率、变压等级的电能，以满足不同的需求。八、飞轮电池1、飞轮电池的结构和原理充电时，飞轮电池中的电机以电动机形式运转，在外电源的驱动下，电动机带动飞轮高速旋转;放电时，电机则以发电机状态运转，在飞轮的带动下对外输出电能，完成机械能到电能的转换。八、飞轮电池1、飞轮电池的结构和原理在实际工作中，飞轮的转速至少为40000～50000r/min，最高可达200000r/min，一般金属制成的飞轮无法承受这样高的转速，所以飞轮一般都采用碳纤维制成，以减小整个系统的重量。为了减少充放电过程中的能量损耗，电机和飞轮都采用磁悬浮轴承以减少机械摩擦，同时将飞轮和电机放置在真空容器中，以减少空气摩擦，这样飞轮电池的输入输出效率可达95％左右。八、飞轮电池1、飞轮电池的结构和原理飞轮电池兼顾了化学电池、燃料电池和超导电池等储能装置的诸多优点，主要体现在一下几个方面：①能量密度高。②能量转换效率高。③工作温度范围宽。④使用寿命长。⑤低损耗、低维护。八、飞轮电池2、飞轮电池的特性飞轮电池目前也存在一