冬天到了，为什么电池充电时间变久了，充的电不耐用了？

电池基本原理

电池的基本工作原理是将化学能转化为电能。其工作过程可以通过以下几个步骤进行简述：

  1. 化学反应：电池内部发生化学反应，负极失去电子（氧化反应），正极得到电子（还原反应）。
  2. 电流流动：电子从负极流向正极，形成电流，供应外部电路所需的电能。
  3. 充放电过程：
    • 放电时，负极释放电子，电流流向正极。
    • 充电时，电池被电源电流反向充电，电子从正极流向负极。

电池的主要组成部分：

  • 负极：失去电子的部分。
  • 正极：得到电子的部分。
  • 电解液：允许锂离子（或其他离子）在两极之间流动。

材料选择

电池材料选择是确保电池性能和安全的关键因素。选择合适的材料需要考虑以下几个特性：

  • 足够的电量：电池应能存储和释放足够的电能。
  • 轻便性：尤其对于移动设备和电动汽车，轻便的材料是必要的。
  • 安全性：材料应具有良好的热稳定性和化学稳定性，防止发生过热或短路。
  • 长寿命：材料的化学稳定性必须保证电池的长时间循环使用。
  • 材料常见：制造电池所需的材料在自然界中普遍存在
    锂电池材料的一个关键原因是锂的原子结构：
  • 锂是周期表中质量最轻的金属，外层电子容易失去，使其成为理想的电池材料。

正极材料

这种材料要在失去锂离子后还能形成稳定的化合价，保证电池的安全与稳定，所以锂不能单独存在，必须与其他物质以一种化合物的形式共存。

正极材料是锂电池中能量存储的主要材料。常见的正极材料包括：

材料特性优点缺点
磷酸铁锂(LiFePO4LiFePO_4)能量密度适中，热稳定性好，安全性高。高热稳定性，安全性高，成本低。能量密度相对较低，续航较短。
三元材料含锰、镍、钴三种金属的化合物，能量密度高。能量密度高，适合高续航应用。材料成本高，热稳定性较差。
镍酸锂高能量密度，适用于高性能应用。高能量密度，续航能力强。成本高，供应链紧张，矿产资源集中。
钴酸锂稳定的电化学性能，历史较长。高能量密度，续航能力强；商业化较早，技术成熟。成本高，钴资源的供应问题。
  • 统计时间: 2023-06
  • 磷酸铁锂：是目前应用最广泛的材料之一，特别是在新能源汽车中。其热稳定性好，能防止电池过热引发火灾或爆炸。
  • 三元材料：由镍、钴、锰三种金属混合组成，其能量密度高，是现代高续航电池的首选材料。

磷酸铁锂

  • 在失去锂离子时 物质的晶体结构未发生改变，呈现橄榄石结构，不会坍塌或变形，可以让其在充放电时维持良好的热稳定性和循环性能，从而保证使用安全和寿命
  • 磷和铁分布广泛，简单易得

三元材料

  • 指含有锰(Mn)、钴(Co)、**镍(Ni)**三种材料的材料
材料优点缺点
钴酸锂能量密度高，续航时间长成本极高，限制了商业化发展
锰酸锂热稳定性好能量密度低，使用寿命有限
镍酸锂能量密度高极易发生晶体结构变化

  • 都有缺点，取长补短

    • 钴稳定晶体结构、提升循环性能
    • 镍作为活性金属，提供较大能量密度
    • 锰作为非活性金属，稳定材料内部反应、降低生产成本

  • 由于镍提供较大的能量密度，所以三元锂电池的发展是低镍到高镍的发展

  • 比例分配

    • NCM333
      • 钴成本较高，提升了生产成本
    • NCM523
      • 中镍电池，提供更长的续航时间
    • NCM811
      • 高镍电池

负极材料

负极材料用于储存从正极迁移过来的锂离子。常用的负极材料有石墨、硅基材料等。

材料特性优点缺点
石墨具有层状结构，锂离子能嵌入石墨层中。良好的导电性，较低的成本。能量密度较低，限制了充电容量。
硅基材料硅的能量密度高，能储存更多锂离子。能量密度是石墨的10倍。体积膨胀大，影响安全性和循环寿命。
  • 石墨：石墨的层状结构使其能有效地存储锂离子，常用于普通电子设备和中低端的电动汽车电池中。
  • 硅基材料：相比石墨，硅基材料具有更高的能量密度，但在充放电过程中会发生膨胀，影响电池的循环寿命和安全性。

石墨

  • 分为天然石墨和人造石墨
    |材料 | 优点 | 缺点 | 用途 |
    |天然石墨| 便宜量大 | 颗粒大小不一、循环性能较差| 常用于小型电池 |
    |人造石墨| 颗粒大小均衡、循环性能较好 | 价格稍贵 | 用于新能源汽车、中高端电子设备 |

  • 缺点：六个碳原子存储一个锂离子，导致锂离子的能量密度比较低

硅基材料

  • 能量密度是石墨的近10倍
  • 在充放电过程中会发生膨胀，影响电池的循环寿命和安全性

隔膜

隔膜是用于分隔正负极、避免电池短路的薄膜材料。它应具备以下特点：

  • 良好的离子导电性：保证锂离子能顺利通过。
  • 高机械强度：防止在高温和充放电过程中变形。
  • 薄且具有低内阻：减少电池的能量损失。

主要材料包括聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）。隔膜的生产工艺有干法生产和湿法生产，各有优缺点。

工艺特性优点缺点
干法生产利用机械拉伸形成膜结构。制造成本较低。可能导致膜的厚度不均匀，性能不稳定。
湿法生产通过溶液浸渍后成膜，膜的孔隙结构均匀。孔隙分布均匀，性能优异。工艺复杂，成本较高。

电解液

电解液用于在电池充放电过程中提供锂离子传输通道，通常由锂盐和有机溶剂组成。

主要成分功能常见材料
溶质(锂盐)提供锂离子以支持电池的电荷传递。六氟磷酸锂（LiPF6）、四氟硼酸锂（LiBF4）等
溶剂提供锂离子在电解液中的流动性。碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二甲酯（DMC）等

  • 锂盐：是电解液的关键成分，能提供锂离子支持电池的充放电过程。

  • 溶剂：溶剂的选择影响锂离子在电解液中的移动速度及电池的性能。

  • 还有少量添加剂，可以提升安全性、电导率等

    • 添加剂的配比是电解液供应商的机密所在

电池容量

  • 由于电池内部一直在不间断进行着反应，锂离子会不可避免的与电解液中的其他物质发生反应，生产化合物，这些过程是不可逆的，导致锂离子含量会逐渐减少，电池容量也就变少了

  • 低温

    • 电解液的粘度增加，电导率下降，锂离子的迁移速度变慢
    • 锂离子活性降低，脱嵌能力变差，不能正确插入石墨层之间，反而累积在电池内部，容易形成锂枝晶，从而降低可用锂离子含量，甚至还能刺穿隔膜引发短路

电池封装

电池封装是将电芯组合成模组，再将模组打包成电池包的过程。常见封装方式包括圆柱形封装、方形封装和软包封装。

封装方式特性优点缺点
圆柱形电芯呈圆柱形排列，标准化程度高。标准统一，生产工艺成熟，稳定性好。空间利用率较低，能量密度较小。
方形电芯呈矩形排列。空间利用率高，能量密度较大。生产效率低，结构较复杂。
软包电芯用铝塑膜封装，重量轻便。质量轻，灵活性强。极端条件下容易变形，需额外保护层。
  • 技术革新
    • CTP(Cell to Pack): 将电芯直接集成到电池包内，省去模组与一部分结构件，提高了空间利用率
    • CTC(Cell to Chassis): 将电芯、电控系统集成到地盘，实现车身与底盘的一体化设计

中国锂电池发展

  • 锂电池上下游产业链

  • 2023年市场占有率

  • 锂电池发展历程:
    锂电池行业快速通关 16:24

  • 中国锂电池行业的崛起经历了多年的技术积累和市场竞争。以下是中国锂电池行业的重要发展里程碑：

    • 2001年：中国加入WTO后，锂电池行业迅速发展，开始国产化。
    • 2008年：我国成功突破隔膜技术，实现材料国产化。
    • 2010年：比亚迪推出自有磷酸铁锂电池，开始进入新能源汽车市场。
    • 2016年：宁德时代成为全球动力锂电池销售冠军。
    • 2021年：磷酸铁锂电池市场份额回升，超过三元锂电池。
    • 2024年：中国锂电池厂商通过投资建厂、技术创新等方式，逐步扩展国际市场