“對單體電池而言，電壓、容量、內(nèi)阻是核心，提高電池電極放電活性和降低電池內(nèi)阻是單體電池提高效能永恒的話題。”鄭州輕工業(yè)學(xué)院教授王力臻在2017中國新能源汽車測試評價(jià)技術(shù)發(fā)展高峰論壇上表示。
動(dòng)力電池構(gòu)造方案的幾點(diǎn)要求
王力臻表示，動(dòng)力電池組構(gòu)造主要有圓柱、軟包、方形。其中，圓柱型電池容量一般為幾安時(shí)，軟包電池容量從10到幾十安時(shí)，硬殼方形電池容量一般為幾十到幾百安時(shí)。他表示，無論哪種電池，正極材料一般為鐵鋰、三元或者混合型材料。
他表示，無論是卷繞還是疊片，各有其優(yōu)劣，不能輕易斷定哪種方案更好，但都有共同要求。第一，要求正負(fù)極片間電場均勻；第二，要求防止內(nèi)部短路；第三，活性層與集流體之間具有良好結(jié)合。他認(rèn)為，短期來看，國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向起到關(guān)鍵作用，長期來看，市場的調(diào)節(jié)作用將會越來越明顯。
王力臻表示，所有用電器具對電池、電池組都有具體要求。第一，要求輸出功率，以滿足用電器具正常工作的功率；第二，輸出能量，主要保證足夠的用電時(shí)間；第三，安全性，以保證生命與財(cái)產(chǎn)安全；第四，電池壽命，既要強(qiáng)調(diào)放電過程也要考慮充電過程，也要從熱的角度加以管理。
電壓、容量、電阻是電池的核心
王力臻表示，對單體電池而言，電壓、容量、內(nèi)阻是核心，提高電池電極活性和降低電池內(nèi)阻是單體電池提高效能永恒的話題。
關(guān)于電壓的多種說法：
第一，開路電壓。開路電壓是狀態(tài)量，開路電壓的概念源自原電池。王力臻表示，在電池成組時(shí)要明確荷電狀態(tài)，他認(rèn)為，如果兩個(gè)電池的荷電狀態(tài)不一致，會一定程度上影響電池放電的一致性。
同時(shí)還要明確開路電壓是電池的特征參數(shù)。王力臻表示，開路電壓是電池性能的必要條件，過低的開路電壓說明電池存在一定的問題。
第二，工作電壓。工作電壓與輸出功率和輸出能量有關(guān)。
第三，終止電壓。充電終止電壓與放電終止電壓，對電池組的循環(huán)一致性有很大關(guān)系。
關(guān)于容量問題，王力臻表示，理論容量是法拉第定律的計(jì)算值，實(shí)際容量指在規(guī)定放電條件下釋放的能量。他表示，在一定條件下電池要保持電能不損失的能力，但電池充放電過程中容量往往會下降，企業(yè)要關(guān)注為什么會下降。
王力臻介紹，電池的電阻影響著電池的發(fā)熱。他表示，電池的內(nèi)阻對于單電池而言，正極與負(fù)極沿著導(dǎo)電方向是一系列電阻之和。
導(dǎo)電顆粒外部實(shí)現(xiàn)均勻分布著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這對于活性層是非常重要的。他表示，內(nèi)阻的值與荷電狀態(tài)有關(guān)，內(nèi)阻符合歐姆定律，會因電池或者電極結(jié)構(gòu)因素的變化而變化。
王力臻表示，無論電池多少，都會發(fā)熱，如果熱能積累，會對電池不利，對溫度場產(chǎn)生影響。他表示，不同放電條件下，溫度場分布不同，隨著放電時(shí)間的延長，產(chǎn)熱越多，因此溫度就會積累。
一般而言，相同倍率下，環(huán)境溫度越低，電池溫差越大，要加以均衡進(jìn)行散熱。
王力臻表示，電池組內(nèi)溫度不均勻，電池組內(nèi)單體電池放電深度不一致，單體電池衰減速度不同，電池組的循環(huán)壽命越短。所以，應(yīng)考慮如何使電池組中的電池實(shí)現(xiàn)均勻散熱。
溫度場的存在不僅會使電流分布不均勻，更主要的是會加劇反應(yīng)的不均勻。他表示，同一電池同一極片上，不同位置反應(yīng)的不均衡性的增加又會反過來影響溫度分布的不均衡，從而形成惡性循環(huán)。
所以，如果電池組合不當(dāng)，或者組合沒有達(dá)到相關(guān)聯(lián)的要求時(shí)，電池衰減會加劇。王力臻強(qiáng)調(diào)，不均勻的溫度分布會導(dǎo)致并聯(lián)支路間電流不均，從而導(dǎo)致單電池容量衰減速率的不一致性。
如何提高電池的一致性
王力臻表示，根據(jù)法拉第定律，電流通過電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過電極的量成正比。王力臻強(qiáng)調(diào)，在電池生產(chǎn)工藝中，容量分容要體現(xiàn)法拉第定律，否則容易出問題。
關(guān)于極群，王力臻表示，并聯(lián)的目的是實(shí)現(xiàn)單體電池容量的提高，所以正極群和負(fù)極群分布是關(guān)鍵，在電池的實(shí)際設(shè)計(jì)中也必須考慮。
王力臻表示，每一個(gè)反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)是一致的，極帶上的溫度才會均勻。他認(rèn)為，無論是卷繞還是疊片，極間距、電解液的分布等因素，統(tǒng)統(tǒng)會影響單體電池的性能，而單體電池的性能最終會影響到組合的性能。所以，電池組的一致性，必須要考慮單體電池的一致性。
他表示，實(shí)際上電池的性能衰減速度也是一致性最重要的內(nèi)容，因?yàn)殡姵厮p的速度，性能不一致有可能引發(fā)諸多安全問題。
王力臻表示，串聯(lián)的目的在于提高電池組的電壓。降低內(nèi)阻，提高活性是提高輸出電流的重要方式，而充放電終止電壓的選擇對串聯(lián)影響比較大。
王力臻表示，并聯(lián)電路要達(dá)到的目標(biāo)是每一支路均分電流的一致性。某種連接方式理論上沒有差別，導(dǎo)線是零電阻，但實(shí)際存在巨大差別，任何導(dǎo)線都有電阻，甚至連接點(diǎn)處有接觸電阻，所以兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)等級均分電流的要求是不一樣的。王力臻并不認(rèn)可并聯(lián)電路具有容量自均衡能力的說法。
王力臻表示，并聯(lián)電路要實(shí)現(xiàn)每一支路的性能穩(wěn)定，所以每一支路均分電流是核心。他表示，電阻與電壓一致，以保證均分總電流；電壓與容量一致，以實(shí)現(xiàn)均衡充放電。因?yàn)闇囟扔绊憙?nèi)阻及電極極化性能，在一定條件下并聯(lián)比串聯(lián)精度要求更高。
王力臻表示，工藝工裝穩(wěn)定是單體電池一致性基礎(chǔ)，單體電池一致是串聯(lián)或者并聯(lián)一致性基礎(chǔ)，并聯(lián)和串聯(lián)是構(gòu)成復(fù)聯(lián)的基礎(chǔ)，這是環(huán)環(huán)相扣的，應(yīng)系統(tǒng)考慮。
動(dòng)力電池構(gòu)造方案的幾點(diǎn)要求
王力臻表示，動(dòng)力電池組構(gòu)造主要有圓柱、軟包、方形。其中，圓柱型電池容量一般為幾安時(shí)，軟包電池容量從10到幾十安時(shí)，硬殼方形電池容量一般為幾十到幾百安時(shí)。他表示，無論哪種電池，正極材料一般為鐵鋰、三元或者混合型材料。
他表示，無論是卷繞還是疊片，各有其優(yōu)劣，不能輕易斷定哪種方案更好，但都有共同要求。第一，要求正負(fù)極片間電場均勻；第二，要求防止內(nèi)部短路；第三，活性層與集流體之間具有良好結(jié)合。他認(rèn)為，短期來看，國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向起到關(guān)鍵作用，長期來看，市場的調(diào)節(jié)作用將會越來越明顯。
王力臻表示，所有用電器具對電池、電池組都有具體要求。第一，要求輸出功率，以滿足用電器具正常工作的功率；第二，輸出能量，主要保證足夠的用電時(shí)間；第三，安全性，以保證生命與財(cái)產(chǎn)安全；第四，電池壽命，既要強(qiáng)調(diào)放電過程也要考慮充電過程，也要從熱的角度加以管理。
電壓、容量、電阻是電池的核心
王力臻表示，對單體電池而言，電壓、容量、內(nèi)阻是核心，提高電池電極活性和降低電池內(nèi)阻是單體電池提高效能永恒的話題。
關(guān)于電壓的多種說法：
第一，開路電壓。開路電壓是狀態(tài)量，開路電壓的概念源自原電池。王力臻表示，在電池成組時(shí)要明確荷電狀態(tài)，他認(rèn)為，如果兩個(gè)電池的荷電狀態(tài)不一致，會一定程度上影響電池放電的一致性。
同時(shí)還要明確開路電壓是電池的特征參數(shù)。王力臻表示，開路電壓是電池性能的必要條件，過低的開路電壓說明電池存在一定的問題。
第二，工作電壓。工作電壓與輸出功率和輸出能量有關(guān)。
第三，終止電壓。充電終止電壓與放電終止電壓，對電池組的循環(huán)一致性有很大關(guān)系。
關(guān)于容量問題，王力臻表示，理論容量是法拉第定律的計(jì)算值，實(shí)際容量指在規(guī)定放電條件下釋放的能量。他表示，在一定條件下電池要保持電能不損失的能力，但電池充放電過程中容量往往會下降，企業(yè)要關(guān)注為什么會下降。
王力臻介紹，電池的電阻影響著電池的發(fā)熱。他表示，電池的內(nèi)阻對于單電池而言，正極與負(fù)極沿著導(dǎo)電方向是一系列電阻之和。
導(dǎo)電顆粒外部實(shí)現(xiàn)均勻分布著導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，這對于活性層是非常重要的。他表示，內(nèi)阻的值與荷電狀態(tài)有關(guān)，內(nèi)阻符合歐姆定律，會因電池或者電極結(jié)構(gòu)因素的變化而變化。
王力臻表示，無論電池多少，都會發(fā)熱，如果熱能積累，會對電池不利，對溫度場產(chǎn)生影響。他表示，不同放電條件下，溫度場分布不同，隨著放電時(shí)間的延長，產(chǎn)熱越多，因此溫度就會積累。
一般而言，相同倍率下，環(huán)境溫度越低，電池溫差越大，要加以均衡進(jìn)行散熱。
王力臻表示，電池組內(nèi)溫度不均勻，電池組內(nèi)單體電池放電深度不一致，單體電池衰減速度不同，電池組的循環(huán)壽命越短。所以，應(yīng)考慮如何使電池組中的電池實(shí)現(xiàn)均勻散熱。
溫度場的存在不僅會使電流分布不均勻，更主要的是會加劇反應(yīng)的不均勻。他表示，同一電池同一極片上，不同位置反應(yīng)的不均衡性的增加又會反過來影響溫度分布的不均衡，從而形成惡性循環(huán)。
所以，如果電池組合不當(dāng)，或者組合沒有達(dá)到相關(guān)聯(lián)的要求時(shí)，電池衰減會加劇。王力臻強(qiáng)調(diào)，不均勻的溫度分布會導(dǎo)致并聯(lián)支路間電流不均，從而導(dǎo)致單電池容量衰減速率的不一致性。
如何提高電池的一致性
王力臻表示，根據(jù)法拉第定律，電流通過電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)的量與通過電極的量成正比。王力臻強(qiáng)調(diào)，在電池生產(chǎn)工藝中，容量分容要體現(xiàn)法拉第定律，否則容易出問題。
關(guān)于極群，王力臻表示，并聯(lián)的目的是實(shí)現(xiàn)單體電池容量的提高，所以正極群和負(fù)極群分布是關(guān)鍵，在電池的實(shí)際設(shè)計(jì)中也必須考慮。
王力臻表示，每一個(gè)反應(yīng)質(zhì)點(diǎn)是一致的，極帶上的溫度才會均勻。他認(rèn)為，無論是卷繞還是疊片，極間距、電解液的分布等因素，統(tǒng)統(tǒng)會影響單體電池的性能，而單體電池的性能最終會影響到組合的性能。所以，電池組的一致性，必須要考慮單體電池的一致性。
他表示，實(shí)際上電池的性能衰減速度也是一致性最重要的內(nèi)容，因?yàn)殡姵厮p的速度，性能不一致有可能引發(fā)諸多安全問題。
王力臻表示，串聯(lián)的目的在于提高電池組的電壓。降低內(nèi)阻，提高活性是提高輸出電流的重要方式，而充放電終止電壓的選擇對串聯(lián)影響比較大。
王力臻表示，并聯(lián)電路要達(dá)到的目標(biāo)是每一支路均分電流的一致性。某種連接方式理論上沒有差別，導(dǎo)線是零電阻，但實(shí)際存在巨大差別，任何導(dǎo)線都有電阻，甚至連接點(diǎn)處有接觸電阻，所以兩個(gè)電路實(shí)現(xiàn)等級均分電流的要求是不一樣的。王力臻并不認(rèn)可并聯(lián)電路具有容量自均衡能力的說法。
王力臻表示，并聯(lián)電路要實(shí)現(xiàn)每一支路的性能穩(wěn)定，所以每一支路均分電流是核心。他表示，電阻與電壓一致，以保證均分總電流；電壓與容量一致，以實(shí)現(xiàn)均衡充放電。因?yàn)闇囟扔绊憙?nèi)阻及電極極化性能，在一定條件下并聯(lián)比串聯(lián)精度要求更高。
王力臻表示，工藝工裝穩(wěn)定是單體電池一致性基礎(chǔ)，單體電池一致是串聯(lián)或者并聯(lián)一致性基礎(chǔ)，并聯(lián)和串聯(lián)是構(gòu)成復(fù)聯(lián)的基礎(chǔ)，這是環(huán)環(huán)相扣的，應(yīng)系統(tǒng)考慮。
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