动力电池基础

基本定义

电池的分类方式多样，按工作特性和储存方式分类

• 一次电池（Primary Battery）：只能进行一次放电（disposable or single-use batteries），放电后不能通过充电的方式使其恢复到初始状态，即不能再次充电。常见的一次电池有锌锰电池、碱性锌锰电池、锂锰电池、锌银电池等。例如，日常生活中使用的普通干电池，电量耗尽后就无法再次充电使用。
• 二次电池（Secondary Battery）：电极反应可逆（rechargeable batteries），能够通过充电使电池内部的化学反应逆向进行，从而恢复到放电前的状态，可以多次充放电循环使用。常见的二次电池有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池等。

Li-ion Battery(电池)/Cell(电芯单体)

​ 锂离子电池是一种二次电池。严格来讲，Battery指的是电池组or系统，Cell才是锂离子电池单体电芯。eg：大部分汽车企业建立的一个电池工厂，一般为the battery plant还有module，而并不是cell plant。

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电池工作机制

下图为锂离子电池的充电和放电的机理

• 充电时，正极里的锂离子会在内电路里边，在电解液中穿过隔膜的孔隙进入负极。与此同时，电子会从正极里边出来，然后进入我们的铝的集流体，然后会在外电路路过充电桩，重新来到电池的负集流体，再进入到我们负极的活性物质中，在此与内电路中迁移过来的锂离子进行一个重新的化合。

电流是通过电子来承载的，而内电路的电流移动是通过锂离子而承载的。这叫做不同的载流子(carrier)

锂离子电池内部有四个主要组件：正极、负极、电解质以及隔膜

正极材料–Cathode

接下来，将讲解正极材料，其中主流的正极材料：LFP、NCM

热分解与容量的关系

NCM

NCM ：

• 如下图所示，越高镍，他的本征安全性(intrinsic safety)越有挑战，可以在材料上做改进

• 三元材料，随着放电容量的不断增加，它的电压不断下降。充电 -> 电压上升

​ 放电 ->电压下降

可以通过量测这个电池的电压，了解它的充电状态、荷电状态(荷电状态State of Charge，简称 SOC)是指电池中剩余电荷量与电池总电荷量的比值，通常以百分比的形式表示。)

三系和五系:在锂电池中，“三系”和“五系”通常是指三元锂电池中的不同材料体系。

​ 三元锂电池是指使用镍钴锰酸锂（Li(NiCoMn)O₂）或镍钴铝酸锂（Li(NiCoAl)O₂）作为正极材料的锂离子电池。由于其正极材料包含三种金属元素，故称为“三元”锂电池。

​ 三系（镍钴锰酸锂体系）

1. 成分特点 :“三系”通常是指镍钴锰酸锂三元体系中，镍、钴、锰的比例大致为3:3:3或类似比例。例如，LiNi₀.33Co₀.33Mn₀.33O₂就是一种典型的“三系”三元材料。 - 在这种材料体系中，镍元素主要负责提供高容量，钴元素有助于提高材料的稳定性和导电性，锰元素则可以提高材料的安全性和结构稳定性。
2. 性能特点 - 能量密度：相对较高，能够为电子设备和电动汽车等提供较长的续航里程。 - 安全性：由于锰元素的存在，在一定程度上提高了电池的安全性，降低了热失控的风险。 - 成本：钴的含量相对较低，在一定程度上降低了材料成本。

​ 五系（镍钴锰酸锂体系）

1. 成分特点 - “五系”一般是指镍钴锰酸锂三元体系中，镍、钴、锰的比例大致为5:2:3或类似比例。例如，LiNi₀.5Co₀.2Mn₀.3O₂就是常见的“五系”三元材料。 - 在这个体系中，镍元素的比例相对较高，主要是为了进一步提高电池的能量密度；钴元素的比例降低，有助于降低成本；锰元素则继续发挥其稳定结构和提高安全性的作用。

2. 性能特点 - 能量密度：比“三系”更高，能够满足对续航里程有更高要求的应用场景。 - 安全性：随着镍含量的增加，安全性方面可能会面临一些挑战，需要通过优化电池设计和制造工艺来提高安全性。 - 成本：由于钴含量的进一步降低，成本相对较低。

   总之，“三系”和“五系”在三元锂电池中代表了不同的材料体系，各有其特点和应用场景。在选择锂电池时，需要根据具体的需求综合考虑能量密度、安全性、成本等因素。

LFP

• 优点： - 安全性高：LFP 电池在过充、过放、短路、高温等情况下，相对其他锂电池安全性更高，不易发生热失控、燃烧甚至爆炸等危险情况。 - 循环寿命长：一般来说，LFP 电池可循环使用数千次甚至更多，这使得它在需要频繁充放电的应用场景中（如储能设备）具有很大优势，能有效降低使用成本和更换频率。 - 成本较低：原材料中不含有价格昂贵的钴等金属，且铁和磷在地球上储量丰富，获取相对容易，这使得 LFP 电池的生产成本相对较低。 - 高温稳定性好：在较高温度环境下，LFP 电池仍能保持较好的性能和稳定性，相比一些其他锂电池，对高温环境的适应性更强。 - 环保：不含有重金属元素，对环境相对友好，生产和回收过程中对环境的污染较小。
• 缺点： - 能量密度较低：LFP 电池的能量密度通常低于三元锂电池（如镍钴锰酸锂电池），这意味着在相同体积或重量下，它所能存储的电能相对较少，可能会影响到设备的续航里程或储能容量。 - 低温性能较差：在低温环境下，LFP 电池的性能会明显下降，表现为电池容量减少、放电功率降低等，这限制了它在一些寒冷地区或低温应用场景中的使用。 - 充放电效率略低：LFP 电池的充放电效率相对不是特别高，在充电和放电过程中会有一定的能量损耗。 由于这些特点，LFP 电池被广泛应用于电动汽车（尤其是对安全性和成本要求较高的车型）、储能系统（如太阳能、风能储能）、电动工具、电动自行车等领域。并且，随着技术的不断发展和改进，LFP 电池的性能也在逐步提升，如通过优化材料结构、改进制备工艺等方法来提高能量密度和充放电效率等，以更好地满足不同应用场景的需求。

LFP :由于充电放电曲线特别平缓，不利用BMS管理系统量测荷电状态

磷酸锰铁锂(锰和铁的比例，铁4锰6，提升10%左右，能量密度的提升)，未来随着技术提升，逐渐利用锰含量更高的材料

负极材料 Anode

graphite -- 石墨

负极材料是指用于可充电电池中的负极（阴极）的材料。不同的负极材料对电池性能和循环寿命有着重要影响。常见的负极材料包括石墨、硅和碳复合材料。

• 石墨是最常用的负极材料之一，具有良好的导电性和化学稳定性，能够提供较高的电池容量和循环寿命。
• 硅具有高容量的特点，可以实现更高的能量密度，但在充放电过程中容易发生体积膨胀和收缩，影响电池的稳定性。
• 碳复合材料通过将碳材料与其他元素或化合物复合而成，具有优异的导电性、机械强度和化学稳定性，能够提高电池的容量和循环寿命。

detail详细解释：

GPT以下是对这张图的进一步解释：

​ 这张图的横坐标是容量（Capacity，单位为 Ah），范围从 0.00 到 0.07 左右；纵坐标是电压。

​ 图中展示了与石墨相关的几个部分在不同容量下对应的电压情况：

• 0.80 处对应的 “Intercalate layer”（插层），表明在特定容量下，锂离子在石墨层间嵌入或脱出时对应的电压约为 0.80 伏。

• 0.70 处的 “Graphite sheet”（石墨片）意味着在相应容量时，石墨片相关的电压约为 0.70 伏。

• 0.60 处的 “Graphite half cell”（石墨半电池）说明在该容量点，石墨半电池的电压约为 0.60 伏。

  Formation first charging cycle（首次充电形成循环）表示这是在呈现电池首次充电形成循环过程中，不同石墨相关部分的电压随容量的变化情况。

  Li-intercalation：指的是锂的插层过程，通常在锂离子电池或与锂相关的储能材料研究中涉及,设计li和C不同的化学表达式。锂插层是指锂离子嵌入到材料的晶格结构中，这对于电池的充放电过程以及能量存储和释放起着关键作用。

​ 当进行放电到充电过程时（Li-intercalation Voltage generally < 0.20V），锂离子嵌入的电压通常小于 0.20 伏。

​ 例如，如果在容量为 0.03 Ah 时，观察到 “Intercalate layer” 对应的电压是 0.75 伏，这就表示在这个容量点，锂离子在石墨层间嵌入或脱出的电压是 0.75 伏。通过观察不同部分在不同容量下的电压数值，可以了解石墨在电池充放电过程中的电化学行为和性能特征。

全电池

合二为一，一个全电池需要正极和负极匹配在一起的

那么全电池的voltage = 正极减去负极

成本拆解

一、正极材料：通常占总成本的 30%-40%。不同类型的正极材料成本差异较大。成本构成：包括镍、钴、锰等金属盐以及锂盐等原材料，其中钴的价格较高且波动较大，对成本影响较大。磷酸铁锂正极材料：主要由磷酸铁、碳酸锂等原材料组成。相比三元正极材料，磷酸铁锂不含昂贵的钴金属，因此成本较低。

二、负极材料 ：负极材料占动力电池总成本的 10%-20%左右。

三、电解液 ：电解液占总成本的 10%-15%。

四、隔膜 ：隔膜占总成本的 10%-15%。

五、其他成本 1. 电池外壳：用于保护电池内部组件，通常由铝合金、不锈钢等材料制成，成本占比较小。 2. 制造费用：包括生产过程中的设备折旧、人工成本、能源消耗等。 3. 研发费用：为了提高电池性能和降低成本，企业需要投入大量的研发费用。

名词解释

1. 6C快充:几 C 超充” 通常指的是最大充电倍率。例如，如果一款电池支持 3C 超充，这意味着在特定条件下，它能够承受的最大充电电流是其额定容量的 3 倍。

2. 荷电状态:(荷电状态State of Charge，简称 SOC)是指电池中剩余电荷量与电池总电荷量的比值，通常以百分比的形式表示

3. SEI膜(Solid Electrolyte Interphase,固体电解质界面膜)

4. 库伦效应:电池放电容量与同循环过程中的充电容量之比。在第一圈中有库伦效率的计算

Initial coulombic efficiency(首圈的库伦效率):在第一圈化学反应时，由于电池中很多的组成部分，处于很强活性的一个状态，他需要生成SEI膜等，去消耗掉一部分锂。所以后续需要做补锂。

结构与工艺

分类

市场是主流的技术是方形

1. 圆柱电池：圆柱电池dimension(尺寸、规模、维度)：18650，表示直径为18，65表示高度。

2. 方壳电池：方壳单体能量密度(Cell energy density)较低，但对于电芯来说，更加关注系统集成之后的能量密度。

3. 软包：把极片做一个卷绕或者叠片，放入到铝塑膜中，由于开模成本较低，尺寸很多。适合定制性的开发

卷绕与叠片

卷绕更加成熟

1.叠片工艺：

把正负极片裁剪成所需尺寸，然后将它们与隔膜叠合在一起，形成小型电芯单体，接着小电芯单体叠放并联形成电池模组。

2. 卷绕工艺：
   通过固定卷针将完成分条的正极极片、隔膜和负极极片根据一定顺序卷绕，并挤压成圆柱形、椭圆柱形或方形。然后，再将这些卷绕好的极片放置在方形或圆柱形的金属外壳里。极片的尺寸和卷绕的圈数通常由电池的设计容量来决定。

两种方案在电学性能存在差异

换电与快充

battery swap VS fast Charing

​ 动力电池的充电时间问题仍然是需要克服的最大障碍。在这两种主要解决方案之间，换电与快充并不是一个非此即彼的技术决策。