2.2　動力電池的結構與工作原理

2.2.1　鎳氫電池

（1）鎳氫電池的結構

鎳氫電池正極（氧化鎳電極）活性物質為氫氧化鎳，負極（儲氫電極）活性物質為金屬氫化物，也稱儲氫合金。由活性物質構成電極極片的工藝方式主要有燒結式、拉漿式、泡沫鎳式、纖維鎳式、嵌滲式等，不同工藝制備的電極在容量、大電流放電性能上存在較大差異，一般依據使用條件的不同，采用不同的工藝。通信等民用電池大多采用拉漿式負極、泡沫鎳式正極構成電池。常見鎳氫電池的結構如圖2-2-1所示。

（2）鎳氫電池的工作原理

鎳氫電池在充放電過程中的反應原理如圖2-2-2所示。

電池在設計中一般采用負極過量的方法，氧化鎳電極全充電狀態時產生氧氣，經擴散在負極重新化合成水，這樣，既保持了電池內壓的恒定，同時又使電解液濃度不致發生巨大變化。

另外，負極活性物質原子態氫能以相當高的密度吸附于儲氫合金中，在這樣的電極上，吸放氫反應能平穩地進行，放電性能較鎳鎘電池而言得以提高。

（3）鎳氫電池的性能

同鎳鎘電池相比，鎳氫電池具有以下顯著優點。

① 能量密度高，同尺寸電池容量是鎳鎘電池的1.5～2倍。

② 環境相容性好，無鎘污染。

③ 可大電流快速充放電，充放電倍率高。

④ 無明顯的記憶效應。

⑤ 低溫性能好，耐過充放電能力強。

⑥ 工作電壓與鎳鎘電池相同，為1.2V。

鎳氫電池是鎳鎘電池的換代產品，電池的物理參數如尺寸、重量和外觀完全可與鎳鎘電池互換，電性能也基本一致，充放電曲線相似，放電曲線非常平滑，電量快要消耗完時，曲線才會突然下降，故使用時完全可替代鎳鎘電池，而不需要對設備進行任何改造。

鎳氫電池的成本很高，不同的儲氫合金具有不同的儲氫能力，價格也不相同。我國自行研制了稀土系的儲氫合金，已達到世界水平，為我國推廣生產鎳氫電池提供了有利條件。目前高檔電動汽車多采用鎳氫電池或鋰離子電池。

鎳氫電池的缺點是自放電情況與壽命不如鎳鎘電池，但也能達到500次循環壽命和國際電工委員會的推薦標準。儲氫電極自放電包括可逆自放電和不可逆自放電?？赡孀苑烹姷闹饕蛟谟诃h境壓力低于電極中金屬氫化物的平衡氫壓，氫原子會從電極中脫附出來形成氫氣。當儲氫電極與氧化鎳電極組成MH/Ni電池時，這些逸出的氫氣與正極活性物質NiOOH反應生成Ni(OH)，形成放電反應，該部分自放電可以通過再充電復原。不可逆自放電主要是由于負極的化學或電化學因素所引起的，如合金表面電勢較低的稀土元素與電解液反應形成氫氧化物等，例如La稀土元素在表面偏析，并生成La(OH)，使合金組成發生變化，儲氫能力下降，這種情況無法用充電方法復原。

2.2.2　鋰離子電池

（1）鋰離子電池的結構

鋰離子動力電池主要由外殼、正極、負極、隔膜板和安全閥等組成，鋰離子電池的基本結構如圖2-2-3所示。

正極物質由含有鋰離子的過渡金屬氧化物組成，在錳酸鋰離子動力電池中以錳酸鋰為主要原料，在磷酸鐵鋰離子動力電池中以磷酸鐵鋰為主要原料，在鎳鈷錳鋰離子動力電池中以鎳鈷錳鋰為主要材料。

負極活性物質由碳材料與膠黏劑的混合物再加上有機溶劑調和制成糊狀，并涂覆在銅基上，呈薄層狀分布。負極材料是決定鋰離子電池綜合性能優劣的關鍵因素之一，比容量高、容量衰減率小、安全性能好是對負極材料的基本要求。

隔膜板的功能是關閉或阻斷通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。關閉或阻斷功能是指電池出現異常溫度上升時，關閉或阻斷作為離子通道的細孔，使動力電池停止充放電反應。隔膜板可以有效防止因外部短路等引起的過大電流而使電池產生異常發熱現象。這種現象即使只產生一次，電池也不再能正常使用。

為了保證鋰離子動力電池的使用安全性，一般對外部電路控制或者在動力電池內部設有異常電流切斷的安全裝置。即使這樣，在使用過程中也有可能因其他原因引起動力電池內壓異常上升，因此設置安全閥釋放氣體，以防止動力電池破裂。安全閥實際上是一次性非修復式保護破裂膜。

（2）鋰離子電池的工作原理

鋰離子電池是以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”，如圖2-2-4所示。

鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池，正、負電極由兩種不同的鋰離子嵌入化合物組成，正極采用鋰化合物LiCoO₂、LiNiO₂或LiMn₂O₄，負極采用鋰碳層間化合物LiC₆，電解質為LiPF₆和LiAsF₆等有機溶液。經過鋰離子在正、負電極間的往返嵌入和脫嵌形成電池的充電和放電過程。充電時，鋰離子從正極脫嵌經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態，正極處于貧鋰狀態，同時，電子的補償電荷從外電路供給到負極，保持負極的電平衡。放電時則相反，鋰離子從負極脫嵌，經過電解質嵌入到正極，正極處于富鋰狀態，負極處于貧鋰狀態。正常充放電情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結構氧化物的層間嵌入和脫出，一般只引起層面間距的變化，不破壞晶體結構。在放電過程中，負極材料的化學結構基本不變。因此，從充放電的可逆性看，鋰離子電池反應是一種理想的可逆反應。

（3）鋰離子電池的分類

鋰離子電池根據所用電解質材料的不同，可以分為液態鋰離子電池（IIB）和聚合物鋰離子電池（LP）兩大類。

液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池所用的正極和負極材料是相同的，電池的工作原理也基本一致。一般正極使用含鋰離子的過渡金屬氧化物，負極使用各種碳材料如石墨，同時使用鋁、銅作為集流體。它們的主要區別在于電解質不同，液態鋰離子電池使用的是液體電解質，而聚合物鋰離子電池則以聚合物電解質來代替。這種聚合物可以是干態的，也可以是膠體，目前大部分采用聚合物膠體電解質。

汽車用鋰離子動力電池按照正極材料的不同，主要分為錳酸鋰離子動力電池、磷酸鐵鋰離子動力電池、鈷酸鋰離子動力電池、鎳鈷錳鋰離子動力電池等。

（4）鋰離子電池的特點

① 鋰離子電池優點

a.單體電壓高。鈷酸鋰離子電池的單體電壓為3.6V，錳酸鋰離子電池的單體電壓為3.7V，磷酸鐵鋰離子電池的單體電壓為3.2V，而鎳氫、鎳鎘電池的單體電壓僅為1.2V。

b.能量密度高。鋰離子電池正極材料的理論能量密度可達200W·h/kg以上，實際應用中由于不可逆容量損失，能量密度通常低于這個數值，但也可以達到140W·h/kg，該數值仍為鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.8倍。

c.循環壽命長。目前，鋰離子電池在深度放電情況下，循環次數可達1000次以上；在低放電深度條件下，循環次數可達上萬次，其性能遠遠優于其他電池。

d.自放電小。鋰離子電池月自放電率僅為總電容量的6%～8%，大大緩解了傳統的二次電池放置時由自放電所引起的電能損失問題。

e.無記憶效應。

f.環保性高。相對于傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池甚至鎳氫電池廢棄可能造成的環境污染問題，鋰離子電池中不包含汞、鉛、鎘等有害元素，是真正意義上的“綠色”電池。

② 鋰離子電池的缺點

a.正極材料鈷酸鋰的價格較高，但按單位瓦時的價格來計算，已經低于鎳氫電池，與鎳鎘電池持平，但高于鉛酸動力電池。

b.必須有特殊的保護電路，以防止過充。鋰離子電池主要問題是快速充電和放電的性能較差，需要配備專用的充電器，進一步解決對其過充和過放的控制和保護。對于大容量鋰離子電池組，還需解決單元電池的可靠性和各個單元電池之間的一致性問題。

c.鋰離子電池若采用鈷系列正極，在過充電狀態時可能引起電池爆炸，主要原因是大的短路電流使電池中局部溫度升高，從而導致正極中氧和有機電解質溶劑發生劇烈反應，引起電池起火甚至爆炸。隨著電池單體容量的大幅度增加和串聯數量的增加（提高電池組的電壓），鋰離子電池的安全性問題更為突出，需要用安全閥來防止電解液受高溫汽化后產生的壓力升高，并安裝自動溫度調控裝置進行過充電保護。