2.2 动力电池的结构与工作原理
2.2.1 镍氢电池
（1）镍氢电池的结构
镍氢电池正极（氧化镍电极）活性物质为氢氧化镍，负极（储氢电极）活性物质为金属氢化物，也称储氢合金。由活性物质构成电极极片的工艺方式主要有烧结式、拉浆式、泡沫镍式、纤维镍式、嵌渗式等，不同工艺制备的电极在容量、大电流放电性能上存在较大差异，一般依据使用条件的不同，采用不同的工艺。通信等民用电池大多采用拉浆式负极、泡沫镍式正极构成电池。常见镍氢电池的结构如图2-2-1所示。
图2-2-1 常见镍氢电池的结构
1—负极端子（外壳）；2—绝缘垫圈；3—正极端子；4—安全阀；5—密封板；6—绝缘环；7—负电极；8—隔膜；9—正电极；10—绝缘层
（2）镍氢电池的工作原理
镍氢电池在充放电过程中的反应原理如图2-2-2所示。
图2-2-2 镍氢电池反应原理
电池在设计中一般采用负极过量的方法，氧化镍电极全充电状态时产生氧气，经扩散在负极重新化合成水，这样，既保持了电池内压的恒定，同时又使电解液浓度不致发生巨大变化。
另外，负极活性物质原子态氢能以相当高的密度吸附于储氢合金中，在这样的电极上，吸放氢反应能平稳地进行，放电性能较镍镉电池而言得以提高。
（3）镍氢电池的性能
同镍镉电池相比，镍氢电池具有以下显著优点。
① 能量密度高，同尺寸电池容量是镍镉电池的1.5～2倍。
② 环境相容性好，无镉污染。
③ 可大电流快速充放电，充放电倍率高。
④ 无明显的记忆效应。
⑤ 低温性能好，耐过充放电能力强。
⑥ 工作电压与镍镉电池相同，为1.2V。
镍氢电池是镍镉电池的换代产品，电池的物理参数如尺寸、重量和外观完全可与镍镉电池互换，电性能也基本一致，充放电曲线相似，放电曲线非常平滑，电量快要消耗完时，曲线才会突然下降，故使用时完全可替代镍镉电池，而不需要对设备进行任何改造。
镍氢电池的成本很高，不同的储氢合金具有不同的储氢能力，价格也不相同。我国自行研制了稀土系的储氢合金，已达到世界水平，为我国推广生产镍氢电池提供了有利条件。目前高档电动汽车多采用镍氢电池或锂离子电池。
镍氢电池的缺点是自放电情况与寿命不如镍镉电池，但也能达到500次循环寿命和国际电工委员会的推荐标准。储氢电极自放电包括可逆自放电和不可逆自放电。可逆自放电的主要原因在于环境压力低于电极中金属氢化物的平衡氢压，氢原子会从电极中脱附出来形成氢气。当储氢电极与氧化镍电极组成MH/Ni电池时，这些逸出的氢气与正极活性物质NiOOH反应生成Ni(OH)，形成放电反应，该部分自放电可以通过再充电复原。不可逆自放电主要是由于负极的化学或电化学因素所引起的，如合金表面电势较低的稀土元素与电解液反应形成氢氧化物等，例如La稀土元素在表面偏析，并生成La(OH)，使合金组成发生变化，储氢能力下降，这种情况无法用充电方法复原。
2.2.2 锂离子电池
（1）锂离子电池的结构
锂离子动力电池主要由外壳、正极、负极、隔膜板和安全阀等组成，锂离子电池的基本结构如图2-2-3所示。
正极物质由含有锂离子的过渡金属氧化物组成，在锰酸锂离子动力电池中以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁锂离子动力电池中以磷酸铁锂为主要原料，在镍钴锰锂离子动力电池中以镍钴锰锂为主要材料。
负极活性物质由碳材料与胶黏剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状，并涂覆在铜基上，呈薄层状分布。负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一，比容量高、容量衰减率小、安全性能好是对负极材料的基本要求。
隔膜板的功能是关闭或阻断通道，一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。关闭或阻断功能是指电池出现异常温度上升时，关闭或阻断作为离子通道的细孔，使动力电池停止充放电反应。隔膜板可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。这种现象即使只产生一次，电池也不再能正常使用。
为了保证锂离子动力电池的使用安全性，一般对外部电路控制或者在动力电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样，在使用过程中也有可能因其他原因引起动力电池内压异常上升，因此设置安全阀释放气体，以防止动力电池破裂。安全阀实际上是一次性非修复式保护破裂膜。
图2-2-3 锂离子电池的基本结构
1—外壳；2—负极端子；3—绝缘体；4—垫圈；5—顶盖；6—正极端子；7—排气阀；8—隔膜板；9—负极；10—负极板；11—正极板
（2）锂离子电池的工作原理
锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”，如图2-2-4所示。
锂离子电池实际上是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LiC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。经过锂离子在正、负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态，正极处于贫锂状态，同时，电子的补偿电荷从外电路供给到负极，保持负极的电平衡。放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂状态，负极处于贫锂状态。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构。在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
图2-2-4 锂离子电池工作原理
（3）锂离子电池的分类
锂离子电池根据所用电解质材料的不同，可以分为液态锂离子电池（IIB）和聚合物锂离子电池（LP）两大类。
液态锂离子电池和聚合物锂离子电池所用的正极和负极材料是相同的，电池的工作原理也基本一致。一般正极使用含锂离子的过渡金属氧化物，负极使用各种碳材料如石墨，同时使用铝、铜作为集流体。它们的主要区别在于电解质不同，液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。这种聚合物可以是干态的，也可以是胶体，目前大部分采用聚合物胶体电解质。
汽车用锂离子动力电池按照正极材料的不同，主要分为锰酸锂离子动力电池、磷酸铁锂离子动力电池、钴酸锂离子动力电池、镍钴锰锂离子动力电池等。
（4）锂离子电池的特点
① 锂离子电池优点
a.单体电压高。钴酸锂离子电池的单体电压为3.6V，锰酸锂离子电池的单体电压为3.7V，磷酸铁锂离子电池的单体电压为3.2V，而镍氢、镍镉电池的单体电压仅为1.2V。
b.能量密度高。锂离子电池正极材料的理论能量密度可达200W·h/kg以上，实际应用中由于不可逆容量损失，能量密度通常低于这个数值，但也可以达到140W·h/kg，该数值仍为镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.8倍。
c.循环寿命长。目前，锂离子电池在深度放电情况下，循环次数可达1000次以上；在低放电深度条件下，循环次数可达上万次，其性能远远优于其他电池。
d.自放电小。锂离子电池月自放电率仅为总电容量的6%～8%，大大缓解了传统的二次电池放置时由自放电所引起的电能损失问题。
e.无记忆效应。
f.环保性高。相对于传统的铅酸电池、镍镉电池甚至镍氢电池废弃可能造成的环境污染问题，锂离子电池中不包含汞、铅、镉等有害元素，是真正意义上的“绿色”电池。
② 锂离子电池的缺点
a.正极材料钴酸锂的价格较高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸动力电池。
b.必须有特殊的保护电路，以防止过充。锂离子电池主要问题是快速充电和放电的性能较差，需要配备专用的充电器，进一步解决对其过充和过放的控制和保护。对于大容量锂离子电池组，还需解决单元电池的可靠性和各个单元电池之间的一致性问题。
c.锂离子电池若采用钴系列正极，在过充电状态时可能引起电池爆炸，主要原因是大的短路电流使电池中局部温度升高，从而导致正极中氧和有机电解质溶剂发生剧烈反应，引起电池起火甚至爆炸。随着电池单体容量的大幅度增加和串联数量的增加（提高电池组的电压），锂离子电池的安全性问题更为突出，需要用安全阀来防止电解液受高温汽化后产生的压力升高，并安装自动温度调控装置进行过充电保护。