特斯拉ModelS采用18650圓柱形鋰電池——這點基本已是路人皆知了,但這種電池的內部構造是什么樣的?它是如何工作的?為什么可以實現(xiàn)充放電功能,它的性能由什么決定?電池除了圓柱形以外還有什么其它形態(tài)?你清楚嗎?本期來為大家解讀.

你一定曾想象過,把鋰電池單體扒開,看看里面到底有什么.當然這樣做是很危險的,我們可以用模擬的方式帶大家了解鋰電池內部的構造.

電池被打開后,可以清晰的看到內部構成的材料和構造形態(tài),它的正電極是由金屬鋁制成,負電極是由金屬銅制成.之間還有電解液和石墨,并且在兩個電極之間還有一層隔膜.這就是一個18650圓柱形電池的基本構成形態(tài).

之所以鋰電池要選擇鋰這種金屬元素作為核心材料,是因為鋰在元素周期表中屬于比較活潑的金屬,比較容易失去電子.所以用鋰作為電池材料可以提高單體電壓.

電解液中的鋰離子(離子狀態(tài)的鋰元素)需要在電池中能夠充分流動,但電子必須被隔絕,否則會引起短路.

在不帶電狀態(tài)下,鋰離子和電子都被束縛在了正極一端,鋰離子會與正極材料形成化合物,此時處于穩(wěn)定狀態(tài),但電池本身不具備什么電勢能.

一旦給電池充電,電子就會隨著外部導線在外部電源的作用下移動到負級,并儲存在負級材料中,鋰離子也會透過隔膜被吸引到負級材料中儲存,此時電池處于高勢能狀態(tài)(也就是帶電狀態(tài)).負級材料由石墨制成,由于石墨具有蓬松的孔狀結構,所以能夠束縛電子.負級發(fā)生的并非化學反應,而是物理反應,鋰離子和電子并沒有在負級形成化合物,而是通過物理手段把他們束縛住,從而產(chǎn)生電勢能.

一旦給電池接入外部負載,電子就會隨著導線流入正極,從而驅動負載做功,此時鋰離子也會透過隔膜返回到正極材料中.在正極材料中,鋰離子和電子再次相遇,形成穩(wěn)定狀態(tài)的化合物.

當然,如果正負極之間的隔膜一旦失去絕緣作用,電子直接從電池內部奔向正極就會形成短路,從而引發(fā)爆炸,所以隔膜的穩(wěn)定性對鋰離子電池的安全起到了至關重要的作用.

隔膜是一種化學材料,它具備兩個重要特性:既可以絕緣(防止電子通過)又可以透氣(能夠讓鋰離子順利通過)

▲可以阻隔電子流動但不會阻隔鋰離子流動的隔膜

在一個新的電池單體開始工作時,隨著鋰離子透過隔膜的左右遷移(從正極到負極,從負極到正極的過程),會在隔膜的負級一側形成一層SEI鈍化層,這個鈍化層可以讓電池變得更加穩(wěn)定,研發(fā)人員通過大量實驗計算出了最佳的厚度.這個過程大概需要消耗掉5%左右的鋰離子,所以會影響一部分電池容量.

在18650電池當中,負級的電極是由銅制成的,正極則是由鋁制成的.將石墨涂抹到正極材料上,再將鋰化合物涂抹到負級材料上就形成了電極.

▲在電極之間插入隔膜就形成了鋰電池的雛形

再將電極和隔膜蜷曲成圓柱形再加入電解液,然后密封,就形成了我們需要的圓柱形18650鋰電池.

18650電池的放電電壓為3伏到4.2伏,在放電過程重,電壓也會隨之降低,一旦單體電壓低于3伏就會有損壞的風險.

所以我們需要一套電池管理系統(tǒng)來保護每一個電池單體不被過度充放電,這套系統(tǒng)簡稱BMS.在每一個由單體構成的電池組中都配備了一套BMS控制系統(tǒng).

由于環(huán)境溫度對電池的充放電影響極大,要想讓這么多電池單體在盡可能相同的溫度下工作,還需要設計一套冷卻系統(tǒng).特斯拉采用了乙二醇作為冷卻介質,也就是我們俗稱的水冷系統(tǒng).這套系統(tǒng)可以保證每個電池單體的溫度盡可能一致,從而保證充放電程度盡可能一致.

日產(chǎn)LEAF采用的是軟包電池單體,它的電極沒有被卷曲,而是直接層疊而成,原理與上面介紹的圓柱形電芯一致,只是外部形態(tài)看起來有所區(qū)別,物理特性上也會由一些區(qū)別.特斯拉ModelS采用的是圓柱形電芯構成的電池組.

軟包形的電池單體在設計成電池組時,單體與單體之間縫隙更小.所以同樣帶電量的情況下,軟包電池的體積更小.空間利用率更高,便于電動車的總布置.并且軟包電芯比圓柱形電芯有更好的防穿刺安全性能.當然,圓柱形電池由于其卷曲工藝,使得能量密度相對較高,并且電芯之間通過布置乙二醇水冷系統(tǒng)可以讓電池更加穩(wěn)定的工作.特斯拉新款的Model3采用的21700電芯仍然是圓柱形.

■總結

從電池的構造和原理不難了解,電池的帶電性能(包括能量密度和充放電性能)主要取決于正極材料的失去電子能力.從元素周期表中不難發(fā)現(xiàn),鋰是最適合作為正極材料的金屬材質.而負級材料的攜帶電子和離子性能也決定了電池的能量密度.目前最主流的包括18650電池上使用的是石墨.這種材料價格便宜,表面孔洞密度高,在天然材質中是屬于平衡成本和效益的最佳材質.當然研發(fā)人員也在嘗試用硅作為負級材料,它擁有比石墨更好的物理性能.另外,通過人工制造的納米材料也可以用于負級,負級材質孔洞越小能夠攜帶的電子就越多,不過后者還處于實驗室研發(fā)階段.