2.1
电化学电源基本构成及工作原理

2.1.1
概述

将化学能直接转化为电能的装置称为化学电源，也可称为化学电池。意大利生物学家伽尔瓦尼于1791年首先发现了生物电，1800年同样是意大利的化学家伏打用锌片和银片相互堆叠，中间加以吸有盐水的呢子与皮革，制成了世界上第一个真正意义上的化学电源 ^[1] 。

1859年普兰特（Plante）发明了铅酸电池，至今仍然广泛应用于生活中的各个方面。勒克朗谢于1868年发明了锌锰干电池，即Zn-MnO ₂ 干电池，1899年雍格拿和1901年爱迪生又分别发明了碱性Cd-Ni和Fe-Ni电池二次电池。此后几十年，在此基础上又陆续出现了Zn-Ag电池、镍氢电池、锂电池，并逐渐实现产业化。20世纪80年代，锂离子蓄电池吸引了科学家的眼光，1991年锂离子蓄电池研制成功并且实现商业化，是目前公认的绿色能源 ^[2] 。相信随着科技的发展，将会有更多新型电池出现。

2.1.2
化学电源构成及工作原理

综上所述，一个化学电源必须包含以下四个组成部分，即电极、电解液、间隔物和包装壳 ^[3] ，如图2-1所示。化学电源工作时具有以下特点：

1）电池的氧化还原反应必须在电极-溶液界面上进行，包含物质转移和电子转移两个过程。

2）当电池放电时，电池正极发生氧化反应，即此时称为阳极，电池负极发生还原反应，称为阴极；当电池充电时，正好相反，此时电池的正极为阴极，负极变化为阳极。

电极包括电池正极和电池负极，是电池的核心部位。电极一般是由电池活性物质和导电极片（或称为导电骨架）组成的，活性物质是电池充放电过程中发生电化学反应的物质。

电解液是电池中重要的组成部分，号称电池的“血液”，是电池中离子传输的载体。

间隔物也称为电池隔膜，是指在电池正极和负极之间的一层隔膜材料，是电池中非常关键的部分，对电池安全性和成本有直接影响，其主要作用是隔离正、负极并使电池内的电子无法自由穿过，让电解液中的离子按特定路线在正负极之间自由通过。电池隔膜的离子传导能力直接关系到电池的整体性能，其隔离正负极的作用使电池在过度充电或者温度升高的情况下能够限制电流的升高，防止电池短路引起爆炸。电池隔膜还具有微孔自闭保护作用，对电池使用者和设备起到安全保护的作用。

包装壳是包裹在电芯外面的保护装置，主要对电池起保护作用。

化学电源按照工作性质的不同可以分为两大类，即一次电池（也称为原电池）与二次电池（即蓄电池）。一次电池与二次电池的主要区别在于二次电池在放电时，结构和体积发生可逆性变化，而一次电池放电后不能再充电使其复原。现阶段电动汽车电源主要使用的就是二次电池，其中主流使用的是锂离子电池。

2.1.3
动力锂离子电池及其工作原理

锂离子蓄电池是在锂电池的基础上发展起来的，锂离子电池正负极活性物质均采用具有自由脱嵌锂离子功能的层状或隧道结构的活性材料，正负极材料具有不同的脱嵌锂电位。正极材料通常采用插锂化合物，如层状结构的Li M O ₂ （ M =Co、Ni、Mn等）、尖晶石结构的LiMn ₂ O ₄ 、橄榄石结构的Li M PO ₄ （ M =Co、Ni、Mn、Fe等）或Li ₃ M ₂ （PO ₄ ） ₃ （ M =V、Fe、Zr、Ti等）等，见表2-1。负极材料则采用电位接近金属锂电位的可嵌锂物质，如焦炭、石墨、锂过渡金属氮化物、过渡金属氧化物等，见表2-2。电解质盐主要有LiPF ₆ 、LiAsF ₆ 和LiClO ₄ 等。溶剂主要有碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丁烯酯（BC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、碳酸二甲酯（DMC）等 ^[4] 。

以磷酸铁锂电池体系为例，其化学表达式如下：

正极反应为LiFePO ₄ ←→Li _{1 -x} FePO ₄ + x Li ⁺ + x e ^-

负极反应为 x Li ⁺ + x e ^- +6C←→Li _x C ₆

电池反应为LiFePO ₄ +6C←→Li _{1 -x} FePO ₄ +Li _x C ₆

锂离子电池反应的实质是一个浓度差电池，其工作电压与电极材料中的锂离子的浓度有关。在电池充电时，锂离子从正极材料的晶格中脱出，穿过电解质中的溶液和隔膜嵌入负极材料的晶格中，正极处于贫锂状态；在电池放电时，就会以与上述过程相反的方向进行，锂离子从负极材料的晶格中脱出，穿过电解质中的溶液后，再插入正极材料的晶格中，正极便会处于富锂状态，其工作原理如图2-2所示。由于在充放电的过程中，锂离子在正负极之间脱嵌的反复运动就像是摆来摆去的摇椅，所以锂离子电池被形象地叫作摇椅电池 ^[5] 。