醉染图书电动汽车工程手册 第四卷 动力蓄电池9787111640189

基础知识
章
1.1　发展历程 ……………………………………………………………1
1.1.1　电池的定义 …………………………………………………1
1.1.2　电池的发展史 ………………………………………………2
1.1.3　电池的分类 …………………………………………………5
1.1.3.1　原电池 …………………………………………………5
1.1.3.2　蓄电池 …………………………………………………7
1.1.3.3　贮备电池 ………………………………………………8
1.1.3.4　燃料电池 ………………………………………………8
1.1.4　动力蓄电池的发展背景 ……………………………………9
1.1.4.1　动力蓄电池的发展意义 ………………………………9
1.1.4.2　各国动力蓄电池发展规划 ………………………… 10
1.1.5　动力蓄电池的发展现状 ………………………………… 13
1.1.6　动力蓄电池的发展趋势 ………………………………… 14
1.1.6.1　新型锂离子蓄电池 ………………………………… 14
1.1.6.2　新体系电池 ………………………………………… 15
1.2　电池的组成及工作原理 ………………………………………… 15
1.2.1　电池的基本组成 ………………………………………… 15
1.2.1.1　电极 ………………………………………………… 16
1.2.1.2　电解质 ……………………………………………… 16
1.2.1.3　隔膜 ………………………………………………… 17
1.2.1.4　外壳 ………………………………………………… 17
1.2.2　蓄电池和蓄电池组合 …………………………………… 18
1.2.2.1　概念术语 …………………………………………… 18
1.2.2.2　蓄电池组的组合方式 ……………………………… 18
1..　电池的工作原理 ………………………………………… 20
1...1　放电时的工作原理 ………………………………… 20
1...2　充电时的工作原理 ………………………………… 21
1...　原电池具体实例 …………………………………… 21
1...4　蓄电池具体实例 …………………………………… 22
1...5　燃料电池工作原理 …………………………………
1.3　蓄电池的能特征 ……………………………………………… 24
1.3.1　重要概念术语 …………………………………………… 24
1.3.1.1　电池电压 …………………………………………… 24
1.3.1.2　电池容量 …………………………………………… 26
1.3.1.3　电池能量 …………………………………………… 30
1.3.1.4　电池功率与功率密度 ……………………………… 33
1.3.1.5　电池内阻 …………………………………………… 34
1.3.1.6　放电电流 …………………………………………… 35
1.3.1.7　荷电状态 …………………………………………… 35
1.3.1.8　自放电特 ………………………………………… 36
1.3.1.9　电池寿命 …………………………………………… 37
1.3.2　主要电池体系能特征比较 …………………………… 38
1.3.2.1　能量密度和功率密度的比较 ……………………… 38
1.3.2.2　主要动力蓄电池的特比较 ……………………… 40
1.3.3　电池不一致 …………………………………………… 41
1.3.3.1　电池不一致概述 ………………………………… 41
1.3.3.2　电池不一致分类 ………………………………… 42
1.3.3.3　电池一致提途径 ……………………………… 43
1.4　热力学基础和电化学原理 ……………………………………… 43
1.4.1　热力学基础 ……………………………………………… 43
1.4.2　电极反应动力学 ………………………………………… 47
1.4.2.1　电极过程 …………………………………………… 47
1.4.2.2　极化作用 …………………………………………… 48
1.4..　塔菲尔（Tafel）公式………………………………… 49
1.4.3　典型的电化学测量技术 ………………………………… 50
1.4.3.1　三电极体系 ………………………………………… 50
1.4.3.2　循环伏安法（CV）…………………………………… 51
1.4.3.3　电化学阻抗谱法（EIS）……………………………… 53
参考文献 ……………………………………………………………… 54
锂离子蓄电池
第2章
2.1　发展概述 ………………………………………………………… 55
2.2　材料体系 ………………………………………………………… 56
2.2.1　正极材料 ………………………………………………… 56
2.2.1.1　概述 ………………………………………………… 56
2.2.1.2　正极材料分类及生产工艺 ………………………… 56
2.2.1.3　材料特及测试方法 ……………………………… 77
2.2.2　负极材料 ………………………………………………… 91
2.2.2.1　概述 ………………………………………………… 91
2.2.2.2　石墨类负极材料 …………………………………… 92
2.2..　无定形碳材料 …………………………………… 101
2.2.2.4　硅基负极材料 …………………………………… 106
2.2.2.5　钛酸锂（Li4Ti5O12） ……………………………… 114
2.2.2.6　 ……………………………………………… 117
2.2.2.7　材料特与测试方法 …………………………… 122
2.2.2.8　车用锂离子蓄电池负极材料发展趋势 ………… 129
2.2.2.9　各类负极材料在电动汽车中的使用案例 ……… 131
2.2.2.10　各类负极材料优缺点对比 ……………… 131
2..　电解质（电解液）……………………………………… 132
2...1　电解液的能特点 ……………………………… 132
2...2　电解液组成 ……………………………………… 133
2...　电解液的生产方法 ……………………………… 150
2...4　电解液技术指标 ………………………………… 150
2...5　电解液的分析方法 ……………………………… 151
2... 电解液对集流体、正负极材料等的表面腐蚀或
相互作用 ………………………………………… 151
2...　电解液发展趋势 ………………………………… 152
2...　电解液典型应用案例 …………………………… 152
2.2.4　隔膜 …………………………………………………… 158
2.2.4.1　概述 ……………………………………………… 158
2.2.4.2　隔膜的分类 ……………………………………… 159
2.2.4.3　主要制造技术和生产工艺 ……………………… 163
2.2.4.4　隔膜表面涂覆 …………………………………… 165
2.2.4.5　主要技术指标及检测方法 ……………………… 166
2.2.4.6　隔膜的发展趋势 ………………………………… 170
2.2.5　材料 ……………………………………………… 170
2.2.5.1　铝塑膜 …………………………………………… 170
2.2.5.2　铜箔 ……………………………………………… 180
2.2.5.3　铝箔 ……………………………………………… 187
2.2.5.4　导电材料 ………………………………………… 191
2.2.5.5　黏结剂 …………………………………………… 200
.　电池结构及设计 ……………………………………………… 203
..1　能设计 ……………………………………………… 203
..1.1　容量设计 ………………………………………… 203
..1.2　能量密度（续驶里程）…………………………… 204
..1.3　功率特（爬坡、制动）………………………… 208
..1.4　温度特 ………………………………………… 210
..1.5　耐久（循环 / 搁置） …………………………… 211
..2　结构设计 ……………………………………………… 219
..2.1　概述 ……………………………………………… 219
..2.2　软包电池结构设计 ……………………………… 220
...　圆柱形电池结构设计 …………………………… 222
..2.4　方形电池结构设计 ……………………………… 225
..　安全设计 ……………………………………………… 229
...1　材料及体系改进 ………………………………… 229
...2　电池结构安全设计 ……………………………… 4
..4　热设计 ………………………………………………… 244
..4.1　热管理概念及作用 ……………………………… 244
..4.2　热管理的设计目标 ……………………………… 246
..4.3　电池生热机理及模型 …………………………… 247
..4.4　电池材料对电池生热传热的影响 ……………… 253
..4.5　电池老化对电池生热的影响 …………………… 254
..4.6　电池传热机理与内部温度分布及预测 ………… 255
..4.7　电池的热控方法总结 …………………………… 259
2.4　电池制造工艺及设备 ………………………………………… 273
2.4.1　锂电池设备制造业发展概况 ………………………… 273
2.4.1.1　锂电池设备发展历程 …………………………… 273
2.4.1.2　锂电设备制造行业未来发展趋势 ……………… 274
2.4.2　电池的制造工艺流程 ………………………………… 276
2.4.3　锂离子蓄电池制造工艺及设备概述 ………………… 277
2.4.3.1　浆料制备系统 …………………………………… 277
2.4.3.2　极片制备系统 …………………………………… 279
2.4.3.3　芯包制备系统 …………………………………… 282
2.4.3.4　单体蓄电池装配系统 …………………………… 285
2.4.3.5　干燥注液系统 …………………………………… 286
2.4.3.6　化成分容系统 …………………………………… 287
2.4.4　动力蓄电池的智能制造 ……………………………… 288
2.4.4.1　动力蓄电池智能制造的需求 …………………… 288
2.4.4.2　动力蓄电池智能制造路线图 …………………… 289
2.4.4.3　动力蓄电池智能制造系统集成标准体系 ……… 295
2.4.4.4　动力蓄电池智能制造装备的层级 ……………… 296
2.4.4.5　动力蓄电池智能制造系统成熟度实现的层级 … 297
2.5　动力蓄电池能要求 ………………………………………… 298
2.5.1　规格尺寸要求 ………………………………………… 298
2.5.2　一致要求 …………………………………………… 300
2.5.3　电能要求 …………………………………………… 300
2.5.3.1　充电能要求 …………………………………… 300
2.5.3.2　放电能要求 …………………………………… 301
2.5.3.3　储存能要求 …………………………………… 303
2.5.4　安全要求 …………………………………………… 304
2.5.4.1　电安全要求 ……………………………………… 304
2.5.4.2　机械安全要求 …………………………………… 307
2.5.4.3　环境安全要求 …………………………………… 312
2.5.4.4　热稳定安全要求 ……………………………… 316
2.5.5　寿命要求 ……………………………………………… 318
2.5.5.1　标准循环寿命 …………………………………… 318
2.5.5.2　工况循环寿命 …………………………………… 319
2.5.5.3　日历循环寿命 …………………………………… 320
2.5.5.4　加速寿命测试 / 预测……………………………… 321
2.6　电池生产厂房设计要求 ……………………………………… 321
2.6.1　建筑布局 ……………………………………………… 321
2.6.1.1　物流优化布局 …………………………………… 321
2.6.1.2　高度和建筑材料 ………………………………… 322
2.6.1.3　噪声、卫生及保密考虑 ………………………… 322
2.6.1.4　匹配未来变化 …………………………………… 322
2.6.2　生产环境及动力供应要求 …………………………… 3
2.6.2.1　生产环境规定 …………………………………… 3
2.6.2.2　动力供应要求 …………………………………… 329
2.6.3　原辅材料及加工工艺火灾危险分类 ……………… 331
2.6.3.1　仓库存储物质的火灾危险特征 ………………… 331
2.6.3.2　电解液混合溶剂的物质火灾特征 ……………… 332
2.6.3.3　车间物质的火灾特征 …………………………… 334
2.6.4　生产厂区应采用的安全设施和措施 ………………… 337
2.6.4.1　使用合理方法降低火灾等级 …………………… 337
2.6.4.2　注液车间的安全措施 …………………………… 337
2.6.4.3　化成车间的安全措施 …………………………… 339
2.6.4.4　局部喷淋系统 …………………………………… 342
2.6.4.5　消防法的应用 ……………………………… 342
2.6.4.6　全厂的消火栓系统 ……………………………… 344
2.6.4.7　火灾报警和疏散 ………………………………… 345
2.6.4.8　宜用设备抗爆泄爆而建筑不需要抗爆泄爆 ……… 345
2.6.4.9　锂离子蓄电池生产测试设备抗爆泄爆 ………… 346
2.6.4.10　粉尘相关设备抗爆泄爆 ………………………… 347
2.6.4.11　降低风险的工程实践 …………………………… 350
2.7　资源情况 ……………………………………………………… 352
2.7.1　石墨资源 ……………………………………………… 352
2.7.1.1 　概述 ……………………………………………… 352
2.7.1.2　石墨的分类 ……………………………………… 354
2.7.1.3　资源分布 ………………………………………… 356
2.7.1.4　用途 ……………………………………………… 362
2.7.2　锂资源 ………………………………………………… 364
2.7.2.1　概述 ……………………………………………… 364
2.7.2.2　锂产品的分类 …………………………………… 364
2.7..　资源分布 ………………………………………… 366
2.7.2.4　锂应用情况 ……………………………………… 368
2.7.3　钴资源 ………………………………………………… 371
2.7.3.1　全球钴资源状况 ………………………………… 371
2.7.3.2　中国钴资源状况 ………………………………… 372
2.7.4　镍资源 ………………………………………………… 373
2.7.4.1　镍矿及其分类 …………………………………… 373
2.7.4.2　中国镍资源状况 ………………………………… 373
2.8　梯级利用及资源回收 ………………………………………… 374
2.8.1　退役电池处理方法 …………………………………… 374
2.8.1.1　电池退役的判定 ………………………………… 374
2.8.1.2　退役电池包的拆卸 ……………………………… 375
2.8.1 役电池的暂存和管理 ………………………… 378
2.8.1.4　退役电池的包装及运输 ………………………… 379
2.8.2　电池阶梯利用 ………………………………………… 380
2.8.2.1　退役动力蓄电池阶梯利用概述 ………………… 380
2.8.2.2　电池梯次利用的基本方法 ……………………… 382
2.8..　梯次利用技术的发展方向 ……………………… 385
2.8.3　资源技术 ………………………………………… 386
2.8.3.1　目的和意义 ……………………………………… 386
2.8.3.2　报废电池的资源分类及处理 …………………… 386
2.8.3.3　单体蓄电池的拆分技术 ………………………… 390
2.8.3.4　稀有资源的技术 …………………………… 394
参考文献 ……………………

肖成伟，男，博士/研高，中国科技集团公司第十八研究所研究员，十三五新能源汽车重点研发专项总体专家组成员，《新能源汽车生产准入管理规则》专家委员会委员，动力电池技术路线图专题组组长，全国汽车标准化委员会电动汽车分委会委员，全国碱蓄电池标准化技术委员会委员等。
现从事动力及储能电池、新体系电池、关键材料、测试评价及标准体系等研究工作，牵头/参与了长寿命锰酸锂系储能电池关键技术及示范、动力电池关键材料测试技术研究和动力电池及关键材料共技术及评价体系研究等课题。
牵头电动汽车安全全球技术法规电池热扩散制定工作（EVS-GTR Thermal Propagation-Phase 1 组长），牵头/参与动力电池循环寿命、动力电池安全、动力电池规格尺寸、动力电池厂房建设规范等标准制定工作等。

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本卷涵盖了电动汽车采用的相关动力蓄电池体系，从电池的基础知识、铅酸蓄电池、金属氢化物镍蓄电池、锂离子蓄电池、电容器和新体系电池等方面进行了系统的介绍。其中铅酸蓄电池在微混合和低速车领域应用广泛，金属氢化物镍蓄电池在混合动力领域应用广泛，锂离子蓄电池在混合动力、插电式混合动力和纯电动领域均有广泛应用，电容器在公共交通领域实现了应用，新体系电池在纯电动领域开展了示范验。
由于锂离子蓄电池在电动汽车中应用广泛，所受关注度高，是当前研发和产业化的热点，因此在本书内容中所占比例*。本卷旨在梳理电动汽车现有技术成果、推进电动汽车产业链全面发展，不仅可以为高等院校、汽车研究机构和企业工程技术人才培养提供有价值的教材和参考资料，而且可以直接服务于电动汽车产业的自主创新。希望本手册能够对深入推进供给侧结构改革、提高我国电动汽车产业研发自主创新能力、提升自主品牌零部件和整车企业的竞争力、培育新动能做出贡献。