特斯拉Model S采用18650圓柱形鋰電池——這點(diǎn)基本已是路人皆知了，但這種電池的內(nèi)部構(gòu)造是什么樣的？它是如何工作的？為什么可以實(shí)現(xiàn)充放電功能，它的性能由什么決定？電池除了圓柱形以外還有什么其它形態(tài)？你清楚嗎？本期來(lái)為大家解讀。
你一定曾想象過(guò)，把鋰電池單體扒開，看看里面到底有什么。當(dāng)然這樣做是很危險(xiǎn)的，我們可以用模擬的方式帶大家了解鋰電池內(nèi)部的構(gòu)造。
電池被打開后，可以清晰的看到內(nèi)部構(gòu)成的材料和構(gòu)造形態(tài)，它的正電極是由金屬鋁制成，負(fù)電極是由金屬銅制成。之間還有電解液和石墨，并且在兩個(gè)電極之間還有一層隔膜。這就是一個(gè)18650圓柱形電池的基本構(gòu)成形態(tài)。
之所以鋰電池要選擇鋰這種金屬元素作為核心材料，是因?yàn)?strong>鋰在元素周期表中屬于比較活潑的金屬，比較容易失去電子。所以用鋰作為電池材料可以提高單體電壓。
電解液中的鋰離子（離子狀態(tài)的鋰元素）需要在電池中能夠充分流動(dòng)，但電子必須被隔絕，否則會(huì)引起短路。
在不帶電狀態(tài)下，鋰離子和電子都被束縛在了正極一端，鋰離子會(huì)與正極材料形成化合物，此時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，但電池本身不具備什么電勢(shì)能。
一旦給電池充電，電子就會(huì)隨著外部導(dǎo)線在外部電源的作用下移動(dòng)到負(fù)級(jí)，并儲(chǔ)存在負(fù)級(jí)材料中，鋰離子也會(huì)透過(guò)隔膜被吸引到負(fù)級(jí)材料中儲(chǔ)存，此時(shí)電池處于高勢(shì)能狀態(tài)（也就是帶電狀態(tài)）。負(fù)級(jí)材料由石墨制成，由于石墨具有蓬松的孔狀結(jié)構(gòu)，所以能夠束縛電子。負(fù)級(jí)發(fā)生的并非化學(xué)反應(yīng)，而是物理反應(yīng)，鋰離子和電子并沒(méi)有在負(fù)級(jí)形成化合物，而是通過(guò)物理手段把他們束縛住，從而產(chǎn)生電勢(shì)能。
一旦給電池接入外部負(fù)載，電子就會(huì)隨著導(dǎo)線流入正極，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載做功，此時(shí)鋰離子也會(huì)透過(guò)隔膜返回到正極材料中。在正極材料中，鋰離子和電子再次相遇，形成穩(wěn)定狀態(tài)的化合物。
當(dāng)然，如果正負(fù)極之間的隔膜一旦失去絕緣作用，電子直接從電池內(nèi)部奔向正極就會(huì)形成短路，從而引發(fā)爆炸，所以隔膜的穩(wěn)定性對(duì)鋰離子電池的安全起到了至關(guān)重要的作用。
隔膜是一種化學(xué)材料，它具備兩個(gè)重要特性：既可以絕緣（防止電子通過(guò)）又可以透氣（能夠讓鋰離子順利通過(guò)）
▲可以阻隔電子流動(dòng)但不會(huì)阻隔鋰離子流動(dòng)的隔膜
在一個(gè)新的電池單體開始工作時(shí)，隨著鋰離子透過(guò)隔膜的左右遷移（從正極到負(fù)極，從負(fù)極到正極的過(guò)程），會(huì)在隔膜的負(fù)級(jí)一側(cè)形成一層SEI鈍化層，這個(gè)鈍化層可以讓電池變得更加穩(wěn)定，研發(fā)人員通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)計(jì)算出了最佳的厚度。這個(gè)過(guò)程大概需要消耗掉5%左右的鋰離子，所以會(huì)影響一部分電池容量。
在18650電池當(dāng)中，負(fù)級(jí)的電極是由銅制成的，正極則是由鋁制成的。將石墨涂抹到正極材料上，再將鋰化合物涂抹到負(fù)級(jí)材料上就形成了電極。
▲在電極之間插入隔膜就形成了鋰電池的雛形
再將電極和隔膜蜷曲成圓柱形再加入電解液，然后密封，就形成了我們需要的圓柱形18650鋰電池。
18650電池的放電電壓為3伏到4.2伏，在放電過(guò)程重，電壓也會(huì)隨之降低，一旦單體電壓低于3伏就會(huì)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。
所以我們需要一套電池管理系統(tǒng)來(lái)保護(hù)每一個(gè)電池單體不被過(guò)度充放電，這套系統(tǒng)簡(jiǎn)稱BMS。在每一個(gè)由單體構(gòu)成的電池組中都配備了一套BMS控制系統(tǒng)。
由于環(huán)境溫度對(duì)電池的充放電影響極大，要想讓這么多電池單體在盡可能相同的溫度下工作，還需要設(shè)計(jì)一套冷卻系統(tǒng)。特斯拉采用了乙二醇作為冷卻介質(zhì)，也就是我們俗稱的水冷系統(tǒng)。這套系統(tǒng)可以保證每個(gè)電池單體的溫度盡可能一致，從而保證充放電程度盡可能一致。
日產(chǎn)LEAF采用的是軟包電池單體，它的電極沒(méi)有被卷曲，而是直接層疊而成，原理與上面介紹的圓柱形電芯一致，只是外部形態(tài)看起來(lái)有所區(qū)別，物理特性上也會(huì)由一些區(qū)別。特斯拉Model S采用的是圓柱形電芯構(gòu)成的電池組。
軟包形的電池單體在設(shè)計(jì)成電池組時(shí)，單體與單體之間縫隙更小。所以同樣帶電量的情況下，軟包電池的體積更小?？臻g利用率更高，便于電動(dòng)車的總布置。并且軟包電芯比圓柱形電芯有更好的防穿刺安全性能。當(dāng)然，圓柱形電池由于其卷曲工藝，使得能量密度相對(duì)較高，并且電芯之間通過(guò)布置乙二醇水冷系統(tǒng)可以讓電池更加穩(wěn)定的工作。特斯拉新款的Model 3采用的21700電芯仍然是圓柱形。
■ 總結(jié)
從電池的構(gòu)造和原理不難了解，電池的帶電性能（包括能量密度和充放電性能）主要取決于正極材料的失去電子能力。從元素周期表中不難發(fā)現(xiàn)，鋰是最適合作為正極材料的金屬材質(zhì)。而負(fù)級(jí)材料的攜帶電子和離子性能也決定了電池的能量密度。目前最主流的包括18650電池上使用的是石墨。這種材料價(jià)格便宜，表面孔洞密度高，在天然材質(zhì)中是屬于平衡成本和效益的最佳材質(zhì)。當(dāng)然研發(fā)人員也在嘗試用硅作為負(fù)級(jí)材料，它擁有比石墨更好的物理性能。另外，通過(guò)人工制造的納米材料也可以用于負(fù)級(jí)，負(fù)級(jí)材質(zhì)孔洞越小能夠攜帶的電子就越多，不過(guò)后者還處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
目前不管使用什么樣的材質(zhì)或工藝，總是逃不掉的一個(gè)矛盾就是能量密度越高電池的穩(wěn)定性越差。特別是新材料的使用，雖然在實(shí)驗(yàn)室能夠獲得超出目前量產(chǎn)電池很多倍的充放電性能，不過(guò)一旦用在環(huán)境復(fù)雜多變的汽車上就會(huì)變得極不穩(wěn)定。所以電池性能的提升并不能像芯片一樣那么快，但隨著科技的進(jìn)步，電池性能也在被緩慢的改進(jìn)。
