造物無(wú)言卻有情，每于寒盡覺(jué)春生

昨天我們聊了鉛酸蓄電池以及氫鎳蓄電池的基本結(jié)構(gòu)和原理，接下來(lái)將剩下的三個(gè)動(dòng)力電池的類(lèi)型聊完 --

鋰離子蓄電池、鋅空氣電池、超級(jí)電容器

鋰離子蓄電池

鋰離子蓄電池，我們聽(tīng)得最多的，它是以錳酸鋰、磷酸鋰或者鈷酸鋰等鋰的化合物作為正極；用可嵌入鋰離子的碳材料作為負(fù)極；使用有機(jī)電解質(zhì)的蓄電池。目前純電動(dòng)汽車(chē)上主要都是鋰離子蓄電池，按形狀可分為方形和圓柱形，按正極材料的不同我們可以分為以下四類(lèi)：①錳酸鋰離子蓄電池、②磷酸鐵鋰離子蓄電池、③鈷酸鋰離子蓄電池、④鎳鈷錳鋰離子蓄電池。

①錳酸鋰離子蓄電池

正極使用錳酸鋰材料的蓄電池，其標(biāo)稱(chēng)電壓達(dá)到 3.7V，成本低、安全性好。

錳酸鋰(LiMn2O4)具有尖晶石結(jié)構(gòu)，其理論容量為 148mA·h/g，實(shí)際容量為 90~120mA·h/g，工作電壓范圍為 3~4V。

優(yōu)點(diǎn)：猛資源豐富、價(jià)格便宜、安全性高、容易制備；

缺點(diǎn)：理論容量不是很高；材料在電解質(zhì)中會(huì)緩慢溶解，即與電解質(zhì)的相容性不太好；在深度放電的過(guò)程中，材料容易發(fā)生晶格畸變，造成電池容量迅速衰減，特別是在較高溫下更明顯。

②磷酸鐵鋰蓄電池

指由磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子蓄電池。磷酸鐵鋰(LiFePO4)具有橄欖石晶體結(jié)構(gòu)，其理論容量為 170mA·h/g，在沒(méi)有摻雜改性時(shí)實(shí)際容量已高達(dá) 110mA·h/g。如果通過(guò)對(duì)磷酸鐵鋰進(jìn)行表面修飾，其實(shí)際容量能達(dá)到 165mA·h/g，工作電壓在 3.4V 左右。

優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性較高、更加安全可靠、更環(huán)保且價(jià)格低廉；

缺點(diǎn)：電阻率偏大，電極材料的利用率較低；

目前，廣泛采用碳復(fù)合磷酸鐵鋰做正極。

③鈷酸鋰離子蓄電池

指用鈷酸鋰作為正極材料的鋰離子蓄電池。

優(yōu)點(diǎn)：電化學(xué)性能優(yōu)越，易加工，性能穩(wěn)定，一致性好，比容量高；

缺點(diǎn)：安全性較差，并且成本相對(duì)較高。

④鎳鈷錳鋰離子蓄電池(三元鋰電池)

指的是以鎳鈷錳三元材料作為正極的鋰離子蓄電池。其能力密度大，功率密度高，循環(huán)壽命長(zhǎng)，易于加工且安全性較好。

幾種正極材料比較：

鋰離子蓄電池的結(jié)構(gòu)

正極：由含鋰的過(guò)渡金屬氧化物組成，再加入導(dǎo)電劑、樹(shù)脂黏合劑，并涂覆在鋁基體上，呈細(xì)薄層分布；

負(fù)極：由碳材料和黏合劑的混合物加上有機(jī)溶劑調(diào)制成糊狀，涂覆在銅基體上，呈薄層狀分布；

隔膜板：用來(lái)關(guān)閉或者阻斷通道，即當(dāng)蓄電池出現(xiàn)溫度異常上升時(shí)，阻塞或阻斷離子通道的細(xì)孔，使蓄電池停止充放電。隔膜板能夠有效地防止電池的異常發(fā)熱現(xiàn)象；

電解液：以混合溶劑為主體的有機(jī)電解液。為了滿(mǎn)足高電容率，良好的相容性，在蓄電池工作范圍內(nèi)呈液態(tài)、凝固點(diǎn)低、沸點(diǎn)高，同時(shí)還得具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，所以一般是幾種溶劑的混合物；

安全閥：在蓄電池內(nèi)壓異常升高時(shí)，安全閥釋放氣體來(lái)防止蓄電池爆裂。安全閥是一次性的，所以是蓄電池的最后一道防線(xiàn)。

鋰離子蓄電池的工作原理

充電時(shí)，鋰離子在正極脫嵌，通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入負(fù)極，同時(shí)由于隔膜板的存在，電子只能通過(guò)外部電路從正極流向負(fù)極，形成充電電流。放電時(shí)，鋰離子在負(fù)極脫嵌，流向正極，電子在外部電路形成放電電流。

鋰離子蓄電池的正、負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)為：

正極：LiMO2?Li1-xMO2+xLi++xeˉ

負(fù)極：nC+x+xeˉ?LixCn

總反應(yīng)：LiMO2+nC?Li1-xMO2+LixCn

鋰電池的反應(yīng)過(guò)程中既沒(méi)有消耗電解液，也不產(chǎn)生氣體，只是鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)，所以鋰離子蓄電池結(jié)構(gòu)可以做成完全封閉的。同時(shí)，正常充放電過(guò)程中沒(méi)有其他副反應(yīng)，所以鋰離子蓄電池充電效率很高。

鋅空氣電池

鋅空氣電池是以空氣中的氧作為正極活性物質(zhì)的一種高效環(huán)保型電池，其理論質(zhì)量比能量為 340W·h/kg，體積比能量為 1050W·h/L，是目前所有化學(xué)電源中最高的了。鋅空氣電池放電電壓平穩(wěn)，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，可以做到無(wú)污染，成本低，原材料易得，制備簡(jiǎn)單，目前主要應(yīng)用于電動(dòng)公交中。

鋅空氣電池的結(jié)構(gòu)

主要由陽(yáng)極、陰極、隔離層、絕緣和密封層、電解液和外殼等組成：

陽(yáng)極：起催化作用的炭從空氣中吸收氧；

陰極：是鋅粉和電解液的混合物；

隔離層：用于隔離兩極間固體粉粒的移動(dòng)；

絕緣和密封層：尼龍材料；

電解液：高濃度的氫氧化鉀水溶液；

外殼：鎳金屬，有著良好防腐性分導(dǎo)體。

鋅空氣電池的工作原理

鋅空氣電池以空氣中的氧氣為正極活性物質(zhì)，金屬鋅為負(fù)極活性物質(zhì)，是一種半蓄電池半燃料電池：首先，負(fù)極的金屬鋅同鉛酸等蓄電池一樣封裝在電池內(nèi)部，具有蓄電池的特點(diǎn)；其次，正極來(lái)自外部空氣的氧，理論上是無(wú)限容量的，所以由具有燃料電池的典型特征。

鋅空氣電池放電時(shí)陽(yáng)極和陰極發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)為：

陽(yáng)極：Zn+2OHˉ→ZnO+H2O+2eˉ

陰極：O2+2H2O+4eˉ→4OHˉ

總反應(yīng)：2Zn+O2→2ZnO

鋅空氣電池要在接觸空氣后才開(kāi)始產(chǎn)生電能，所以一個(gè)新的鋅空氣電池只要不撕掉它的密封膠帶，它就不會(huì)開(kāi)始工作，故其保存時(shí)間很長(zhǎng)。

超級(jí)電容器

超級(jí)電容器時(shí)具有超級(jí)儲(chǔ)電能力并可提供強(qiáng)大脈沖功率的物理二次電源。它介于蓄電池和傳統(tǒng)靜電電容之間。其主要是利用電極 / 電解質(zhì)界面電荷分離所形成的雙電層，或者借助電極表面快速的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的法拉第準(zhǔn)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷和能量的存儲(chǔ)。

超級(jí)電容器又稱(chēng)雙電層電容器、黃金電容器、法拉第電容器，在電極和電解液接觸面之間具有極高的比電容和非常大的接觸表面積，它的儲(chǔ)能過(guò)程是不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的，且儲(chǔ)能過(guò)程是可逆的，所以可以反復(fù)充放電數(shù)十萬(wàn)次。超級(jí)電容可以作為城市公交的儲(chǔ)能裝置，也可以作為電動(dòng)汽車(chē)的輔助儲(chǔ)能裝置。

超級(jí)電容的分類(lèi)

①按形狀：圓形和方形；

②按儲(chǔ)能原理：電荷分離產(chǎn)生的雙電層電容器；欠點(diǎn)位沉積或者吸附電容而產(chǎn)生的法拉第準(zhǔn)電容器；還有雙電層和準(zhǔn)電容的混合型電容器；

③按電極：兩電極組成相同且電極反應(yīng)相同，反應(yīng)方向相反的對(duì)稱(chēng)型；兩電極組成不同且反應(yīng)不同的非對(duì)稱(chēng)型；

④按電解液：

水溶液體系超級(jí)電容：電導(dǎo)率高、成本低、分解電壓低(1.2V)；

有機(jī)體系超級(jí)電容器：電導(dǎo)率低、成本高、分解電壓高(3.5V);

固體物電解質(zhì)超級(jí)電容器：可靠性高、電導(dǎo)率低、無(wú)泄漏、高比能量、薄。

超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)原理

超級(jí)電容器的電極材料多為活性炭材料，同時(shí)在相對(duì)的活性炭電極之間填充電解質(zhì)溶液，當(dāng)兩個(gè)電解接上電壓后，相對(duì)的多孔電極上聚集極性相反的電子。電解液中靠近兩個(gè)電極的離子，由于電場(chǎng)作用聚集到兩個(gè)電極附近，這些離子分別與極板所帶的極性相反，從而形成雙電層電容。

多孔炭的比面積非常高，達(dá)到 1000~3000m2/g，所以電容器有很大的極板面積；電解質(zhì)與多孔極板之間的界面距離很小，使得電容器獲得了極小的極間距離，可得到超大容量的電容器，能夠存儲(chǔ)很大的靜電能量。

超級(jí)電容器中的能量以電子的形式儲(chǔ)存在電解液界面的雙電層內(nèi)部和電極表面。充電時(shí)，電子從正極傳到負(fù)極，同時(shí)電解液中的正負(fù)離子分開(kāi)，分別向負(fù)極和正極移動(dòng)到電解液表面；放電時(shí)，電子通過(guò)負(fù)載經(jīng)過(guò)負(fù)極傳至正極，正負(fù)離子從電極表面釋放并返回到電解液中。電解液的分解電壓決定了超級(jí)電容器的做最大工作電壓。

動(dòng)力電池的五種主要類(lèi)型：鉛酸蓄電池、金屬氫化物鎳蓄電池、鋰離子蓄電池、鋅空氣電池和超級(jí)電容器，差不多就聊到這里。希望你們能夠喜歡~

審核編輯黃宇