兩輪電動車電池包從概念到成品-關於電芯

2020-12-05 從CFA到量化

電芯想必大家都很熟悉,它是鋰離子電池包的儲能元件。其基本原理就是利用電芯正負極兩者不同性質的化學物質進行可逆的氧化還原反應,從而形成充放電過程。不同的材料有不同的電勢差差異,因而形成不同的電壓。當前普遍使用的三元電芯的額定電壓是3.6v,無論單個電芯的體積如何變大,電芯只會增加容量而不會改變電壓。因此,想要得到更高的電壓,就必須通過電芯的串聯來實現。串聯增加電壓,並聯增加容量。

按照不同的分類原則,電芯可以有多種分類,如:

①按照正負極材料不同進行分類②按照外形封裝形式不同進行分類③按照用途不同進行分類以上只是我們實際使用中最為常見的分類方法,實際上,不同的應用場景完全可以根據需求進行任意分類。甚至上面的某一個分類下面,也還可以進行更細的細分類別。

按照正負極材料進行分類大家經常在說的三元電池、磷酸鐵鋰電池和鈦酸鋰電池其實就是按照電芯的正負極材料在進行分類。其中三元電芯指的就是電芯的正極材料為三種元素組成。具體上,國內的三元和特斯拉所使用的松下三元略有區別。國內的三元,我們稱之為鎳鈷錳(NCM)三元,指的是電芯的正極材料由鎳鈷錳三種元素組成,而松下的三元是鎳鈷鋁(NCA)三元。在三元電芯分類下,按照三種元素的不同配比,又有細分的材料體系。不同的配比,電芯具有不同的性能。目前國內最成熟常用的是523電芯,除此之外,也一直在研發高能量密度的高鎳三元(811,鎳佔比80%),目前已經實現量產。

磷酸鐵鋰(LFP)的命名與三元電芯一樣,磷酸鐵鋰指的就是電芯的正極材料。磷酸鐵鋰和三元都是正極材料,其負極一般為石墨。

這裡需要注意的是鈦酸鋰電池,不同於三元和磷酸鐵鋰,鈦酸鋰是負極材料,而不是正極材料。負極材料鈦酸鋰可以與正極材料磷酸鐵鋰和三元分別組成電芯,也就是我們所說的鈦酸鋰電池。

除了上述三種電芯以外,還有多種電芯材料,如錳酸鋰鈷酸鋰等,但是在動力電池領域基本已經很少出現。由於動力電池對能量密度的要求,三元電芯的佔有率是最高的,其次是磷酸鐵鋰,而鈦酸鋰則在大巴和特殊場景上有少量應用。下面,我們一起來對比下各電芯的性質:

對比來說,磷酸鐵鋰的循環壽命要大於三元電芯,且在安全性和成本方面有優勢。而三元的能量密度卻有著絕對的優勢。

就電壓平臺來說,三元的電壓平臺要高於其他材料,三元電芯額定電壓一般3.6V,而磷酸鐵鋰為3.2V,鈦酸鋰則在2V左右。

按照外形封裝進行分類如大家經常所見的一樣,我們常說的18650、方殼、軟包等,就是按照電芯的外形分類的,一般有三種:

①圓柱電芯;②方殼電芯;③軟包電芯。其中圓柱電芯的標準化程度最高,目前18650電芯應用非常廣泛,其周邊配套材料也相應具有較高的標準化水平。圓柱電芯的外殼為鋼殼材料,整個底面和側面都是負極,頂面為正極。

圓柱電芯的命名方式一般為五位數字:直徑尺寸+高度尺寸+0,如26650電芯,表示圓柱電芯直接26mm,高度65mm,末尾的0表示圓柱形。

方形電芯的命名方式與圓柱電芯類似,但是方形有六位數字,各用兩位分別表示厚度、寬度、高度。

以上只是我們常用的命名習慣,如果需要標準化的命名,可參考IEC61960標準。

方形電芯和軟包電芯的標準化程度較低,一般都是根據需要進行尺寸定製。其中方形電芯的外殼材料一般為鋁,因此也被叫做方形鋁殼電芯。軟包電芯的外殼為聚合物材料,當然也可以叫做鋁塑膜。

下面,我們一起來看看三種電芯的差異:

圓柱電芯標準化程度高,周邊材料標準化也高,其體積較小,因此成組方式非常靈活,各種空間都可以使用。方殼和軟包電芯體積一般較大,按照空間進行定製尺寸。因此,在實際使用中,對小規模或者單件電池包需求,圓柱電芯是最常用的。

按照使用場景分類最後一種分類方法比較簡單,就是按照用途分類,大體上,我們一般分為動力電芯和數碼電芯。其中動力電芯指的就是用於動力電池的電芯,而數碼電芯則是用於消費類電子產品的電芯,如筆記本電能,手機充電寶等。

動力類電芯的要求更為嚴格,比如更高的能量密度和功率密度。即要求相同的體積和重量,能輸出更大的功率和電量。除此之外,還有更嚴苛的工作環境和使用壽命要求,當然安全性也是一個重要的考慮因素。

好了,電芯的信息就和大家分享到這裡,下一次,我們將會重點講解鋰電池保護板相關的信息,大家有疑問的可以提前留言哦。

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