1.2 鋰電池工作機理分析

1.2.1 鋰電池簡述

鋰電池系統本身是集化學、電氣和機械特性于一體的復雜系統，因此在設計時必須考慮各方面特性的要求，尤其是電池電芯化學特性所包含的安全性和壽命衰減特性，無法直觀評測，也不易短時間內預測。因此，在設計電池系統時，需要采用電池技術、成組技術和BMS技術，還要兼顧電池的安全性、可靠性和耐用性。鋰電池通常有兩種外形：圓柱形和長方形。圓柱形鋰電池內部采用螺旋繞制結構，用一種非常精細且滲透性很強的薄膜隔離材料（主要有聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯與聚丙烯復合等材料）在正、負極間間隔而成。而長方形鋰電池則是通過疊片形式構成，正極上放置隔膜，然后放置負極，以此類推并逐次疊加而成。正極包括由含鋰材料[如鈷酸鋰、錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰（即三元材料）的一種或幾種混合材料] 組成的鋰離子收集極、由鋁薄膜組成的電流收集極。負極由層狀碳材料組成的鋰離子收集極、銅薄膜組成的電流收集極構成。電池內充滿有機電解質溶液，裝有安全閥和正溫度系數（Positive Temperature Coefficient，PTC）元件，具有熱阻小、換熱效率高、不燃燒和安全可靠等優點，并且能夠有效防止電池在不正常狀態或輸出短路時受到傷害。

當受到短路、高熱和過充電等異常因素的影響時，電池內部容易有高壓氣體產生，會引起電池殼體變形，甚至還有爆炸的危險。為了使其能夠安全地使用，必須在電池中裝配安全閥。當電池容器內部壓力上升到異常狀態時，安全閥能夠迅速地開啟并將氣體排出，起到異常情況下的安全保護作用。由于PTC元件在正常溫度下是在低電阻狀態，異常時可通過調節電流來防止電池過熱發生危險。例如由短路或過充電導致的異常大電流而過熱時，PTC元件轉換成極高電阻狀態，以降低回路中的電流，因此通常使用PTC元件來防止電池過電流及由此引起的過熱，對電池起到保護作用。單節鋰電池的電壓一般為2.8～4.2V，其容量一般為1.5A·h，而動力鋰電池的單體容量一般在2～200A·h。對于新能源汽車來說，需要幾百伏的電壓才能滿足續航里程的要求，而電池單體無法提供高的電壓和電量，因此常常將單體鋰電池進行串、并聯處理，組成電池組，以滿足電壓和容量的要求。