《电池原理与构造》课件

电池原理与构造欢迎大家参加《电池原理与构造》课程学习在当今能源转型和可持续发展背景下，电池技术已成为支撑现代生活的关键科技之一从智能手机到电动汽车，从便携设备到大型储能系统，电池无处不在本课程将深入探讨电池的基本原理、结构组成、主要类型及其应用领域我们将从基础概念开始，逐步深入到先进电池技术的最新进展通过本课程学习，你将掌握电池领域的核心知识，了解这一充满活力的科技行业让我们一起开启这段探索电池世界的旅程！什么是电池？基本定义1电池是一种将化学能转化为电能的装置，通过内部化学反应产生电子流动，为各类设备提供电能它是现代生活中不可或缺的能量来源，支撑着从便携式电子设备到大型储能系统的各类应用发明历史2年，意大利科学家亚历山德罗伏特发明了世界上第一个实用电1800·池伏打电池这种由锌、铜和盐水构成的简易电池开创了电化学——能源的新纪元，奠定了现代电池技术的基础技术演进3从伏打电池到现代锂离子电池，电池技术经历了多年的革新今200天的电池在能量密度、安全性和使用寿命方面取得了巨大进步，推动了便携电子设备和电动交通工具的快速发展电池的基本原理化学能转电能氧化还原反应电池通过控制的化学反应将储存的化学电池内部发生的核心反应是氧化还原反能转化为电能这一过程涉及电极材料应负极发生氧化反应释放电子，正极间的电子转移，产生电位差并驱动电流发生还原反应接收电子，形成完整的电流动子转移链路能量转换效率电子迁移路径电池的能量转换效率取决于电极材料、电子从负极（阳极）流向正极（阴电解质性能和内部电阻等因素高效电极），经过外部电路产生电流；同时，池能将更多化学能转化为有用的电能输电解质中的离子在电池内部迁移，保持出电荷平衡组成电池的主要部分完整电池系统集成所有组件形成功能完备的能量转换装置外壳与密封提供物理保护和防止电解质泄漏隔膜分隔正负极防止短路，允许离子通过电解质提供离子传导媒介，连接正负极阳极与阴极构成电池的基本电极，进行氧化还原反应原电池与蓄电池原电池（一次电池）蓄电池（二次电池）原电池是指使用一次后无法充电的电池类型它们通过不可逆的蓄电池可以通过外部电源充电后重复使用充电过程将电能转化化学反应将化学能转换为电能，反应物质耗尽后即失去功能为化学能储存，放电时再转化为电能输出，实现能量的可逆转换典型代表锌锰干电池、碱性电池、锂一次电池典型代表铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池••特点使用简便、成本低、自放电率小特点可重复使用、成本效益高、环保••应用遥控器、玩具、医疗设备、应急设备应用手机、笔记本电脑、电动车、储能系统••电池工作化学反应基本类型氧化反应在负极（阳极）发生，释放电子例Zn→Zn²⁺+2e⁻电子流动电子通过外部电路从负极流向正极形成可用的电流离子迁移离子通过电解质在电池内部迁移维持电荷平衡还原反应在正极（阴极）发生，接收电子例Cu²⁺+2e⁻→Cu电动势与开路电压电动势定义测量方法电压范围电动势是电池的内在电电动势通过高精度电压不同类型电池的电动势位差，反映了电池将化表在开路条件下测量各不相同锌碳电池约学能转化为电能的能为确保准确性，测量时为

1.5V，镍氢电池约为力它是电池在开路状需排除外部电路干扰，

1.2V，锂离子电池单体态（无负载连接）下两并考虑电池内阻和温度约为

3.6-

3.7V，铅酸极之间的电位差，由电等因素的影响电池单体约为

2.1V电池内部电化学反应的特池组可通过串联实现更性决定高电压电池的重要性能指标容量（或）Ah mAh电池可以提供的总电荷量，表示为安培小时容量越大，电池可以存储的电能越多，使用时间越长例如，一个5000mAh的手机电池理论上可以提供5A电流1小时或1A电流5小时能量密度（或）Wh/kg Wh/L单位质量或体积电池所能存储的能量高能量密度意味着更轻更小的电池可以存储更多能量锂离子电池的能量密度约为150-260Wh/kg，远高于铅酸电池（30-40Wh/kg）循环寿命电池可以充放电的次数，通常定义为容量降至初始值80%时的循环次数优质锂离子电池可达1000次以上循环，而铅酸电池典型循环寿命为300-500次倍率性能电池在不同充放电电流下的工作能力通常以C表示，1C表示在1小时内完全充放电高倍率性能电池可以支持快速充电和大电流放电，适用于电动工具和电动车等场景电池内阻与效率Ω

0.1-

0.585-95%典型锂电内阻能量转换效率大多数商用锂离子电池单体内阻范围，低高质量锂离子电池的能量转换效率，表示内阻意味着更高效率和更小的热损耗输入能量转化为有用电能的比率5-15%能量损失率电池操作过程中转化为热量的能量比例，这部分能量无法被利用，成为效率损失电池内阻是影响电池性能的关键因素，由多种因素决定电极材料电导率、电解质离子电导率、界面接触电阻和集流体电阻都会影响总内阻值电池温度也是重要影响因素，低温下内阻显著增加，高温下内阻降低但可能引发安全隐患电池自放电与寿命自放电机制电池在不使用时自然损失的电量温度影响高温加速副反应和自放电材料老化电极结构和电解质降解循环疲劳充放电循环导致不可逆变化电池自放电是所有电池都无法避免的现象，其速率取决于电池类型和存储条件锂离子电池每月自放电率约为，镍氢电池为，铅酸电2-3%15-20%池为电池寿日历命与使用方式密切相关，过度充电、过度放电和极端温度下使用都会加速电池老化4-6%电池分类方法概述按化学体系分类基于电池内部使用的化学物质和反应类型进行分按可充电性分类类，这是最基础的分类方法根据电池是否可以反复充电和使用进行分类铅基铅酸电池•一次电池不可充电、使用一次•锂基锂离子、锂聚合物电池•二次电池可充电、重复使用•镍基镍镉、镍氢电池•锌基锌锰、锌空气电池•按应用领域分类按形状结构分类基于电池的主要使用场景和应用需求进行分类根据电池外形和内部结构设计进行分类圆柱形、等•1865021700动力电池电动车辆用电池•方形硬壳铝壳电池•消费电池电子设备用电池•软包柔性聚合物封装•储能电池电网和家庭储能•纽扣小型圆形电池•专用电池医疗、军事等特殊用途•一次电池（不可充电）工作原理一次电池通过不可逆的电化学反应将化学能转化为电能电极材料在放电过程中发生不可逆化学变化，使电池无法通过充电恢复到初始状态主要种类常见的一次电池包括锌锰干电池（碳锌电池）、碱性电池、锂一次电池和银锌电池等每种电池采用不同的电极材料和电解质，具有各自的特点和适用场景主要优势一次电池具有自放电率低、保存期长、价格低廉、使用方便等优势，特别适合低功率、长期备用和应急使用场景部分一次电池如锂一次电池还具有较高的能量密度局限性不可重复使用导致的高成本和环境污染是一次电池的主要缺点此外，大多数一次电池的功率密度较低，不适合高电流放电场景，限制了在高功率设备中的应用常见一次电池实例锌锰干电池碱性电池锂一次电池锌锰干电池是最早商业化的电池之一，碱性电池是锌锰干电池的改良版，使用锂一次电池通常使用金属锂作为负极，由锌作为负极、二氧化锰作为正极，以氢氧化钾作为电解质，仍以锌为负极、二氧化锰、二氧化硫或亚硫酰氯作为正氯化铵或氯化锌水溶液为电解质二氧化锰为正极，但采用了更高效的结极，具有极高的能量密度和

3.0V的工作构设计电压工作电压约为，具有成本低、结构

1.5V简单的特点，但能量密度和功率输出相比锌锰干电池具有更高的能量密度和更其能量密度是碱性电池的2-3倍，自放电对较低，不适合高耗能设备长的使用寿命，适用于遥控器、闪光灯率极低，可在-40°C至60°C的宽温度范等中小功率设备同样的

1.5V标称电围工作，广泛应用于心脏起搏器、智能化学反应₂Zn+2MnO→ZnO+压，但实际性能更优表计等需要长期稳定供电的场景₂₃Mn O化学反应₂化学反应示例₂₂Zn+2MnO→ZnO+2Li+MnO→Li O₂₃Mn O+MnO二次电池（可充电）历史起源1859年，法国物理学家普兰特发明了第一种实用的二次电池——铅酸电池，开创了可充电电池的新纪元这一发明使电能可以被储存和重复使用，为电工作原理气化社会奠定了基础二次电池的核心特征是电化学反应的可逆性放电时，电极材料发生氧化还原反应产生电流；充电时，施加外部电流驱动反应逆向进行，恢复电极材料技术演进的初始状态，从而实现能量的循环存储与释放从铅酸到镍镉、镍氢，再到锂离子电池，二次电池经历了150多年的技术革新每一代新电池都提高了能量密度、循环寿命和安全性，推动了从便携电未来趋势子设备到电动汽车等多个领域的技术变革当前二次电池正朝着更高能量密度、更快充电速度、更长使用寿命和更高安全性的方向发展固态电池、锂硫电池、钠离子电池等新型技术有望突破现有锂离子电池的性能瓶颈，开创二次电池的新时代主要类型二次电池介绍铅酸电池镍镉镍氢电池/最古老的二次电池，使用铅和二氧化铅电极能量密度低（30-镍镉使用镍氧化物和镉作为电极，能量密度约40-60Wh/kg；镍氢使40Wh/kg）但成本低廉，具有良好的大电流放电能力，广泛应用于汽用氢吸附合金代替镉，能量密度提高到60-80Wh/kg，且环保性更车启动、备用电源和大型储能系统使用寿命通常为300-500个循好这两种电池都具有良好的低温性能和循环寿命（500-1000环次）锂离子电池新兴电池技术现代主流二次电池，能量密度高（150-260Wh/kg），自放电率低，包括锂硫电池（理论能量密度可达500Wh/kg）、固态电池（安全性无记忆效应使用嵌锂碳材料作为负极，锂金属氧化物作为正极循环和能量密度更高）、钠离子电池（原材料更丰富低成本）等这些技术寿命可达1000-2000次，广泛应用于消费电子、电动汽车和储能系正处于不同的商业化阶段，有望解决现有电池技术的局限统铅酸电池结构与原理正极（二氧化铅）负极（海绵状金属铅）电解质与隔板正极材料为二氧化铅₂，呈暗棕负极由海绵状金属铅构成，具有较大电解质为硫酸₂₄水溶液，浓度约PbOPb HSO色放电时，二氧化铅与电解液中的硫酸的比表面积以提高反应速率放电过程为30%-40%隔板由多孔塑料或玻璃纤反应，接收电子并转化为硫酸铅充电时中，金属铅释放电子氧化为硫酸铅充电维材料制成，防止正负极直接接触短路，反向转化回二氧化铅时硫酸铅还原回金属铅同时允许电解液和离子自由通过铅酸电池主要优缺点性能优势主要局限•成本效益高，是所有二次电池中最经济的选择•能量密度低（30-40Wh/kg），体积大、重量重•制造工艺成熟，生产规模大，全球供应链完善•循环寿命有限（普通型300-500次）•可靠性高，技术稳定，适应性强•充电效率较低（70-80%）大电流放电能力强，适合启动和备用电源容易受深度放电损害，需避免完全放电•••工作温度范围广（-20°C至50°C）•含有铅等有害物质，使用不当会造成环境污染•回收率高达98%，资源可循环利用•需要定期维护（开放式类型需添加蒸馏水）尽管存在这些局限，铅酸电池凭借其可靠性和成本优势，仍然在汽车启动电源、不间断电源、应急照明和大型储能系统等领域UPS占据主导地位未来铅酸电池技术将朝着免维护、延长寿命和提高能量密度的方向发展锂离子电池结构总览完整锂离子电池集成所有组件的能量存储系统外壳与密封系统保护内部组件、密封电解液隔膜聚合物膜，分隔正负极防止短路电解质锂盐和有机溶剂，提供锂离子传输通道正极与负极锂金属氧化物和石墨碳，存储锂离子锂离子电池的结构设计是其性能的关键决定因素正极材料通常采用锂镍钴锰氧化物NCM、锂镍钴铝氧化物NCA或磷酸铁锂LFP等；负极多使用石墨碳材料，新型电池也开始采用硅碳复合或锂钛氧化物；电解质一般为六氟磷酸锂溶解在碳酸酯混合溶剂中；隔膜由聚乙烯或聚丙烯制成，厚度仅10-25微米锂离子电池化学原理放电过程锂离子迁移负极石墨层间的锂原子失去电子变成锂离子，进Li⁺通过电解质从负极移动到正极，电子经外电路入电解质流动充电过程正极反应3外部电源驱动锂离子从正极脱出，回到负极锂离子在正极材料晶格中嵌入，与电子结合典型锂离子电池化学反应方程式正极半反应（以钴酸锂为例）LiCoO₂⇌Li₁₋ₓCoO₂+xLi⁺+xe⁻负极半反应xLi⁺+xe⁻+C₆⇌LiₓC₆总反应LiCoO₂+C₆⇌Li₁₋ₓCoO₂+LiₓC₆锂离子电池主要形态锂离子电池根据封装形式主要分为三种圆柱形、方形和软包圆柱形电池如18650（直径18mm，高度65mm）和21700型号，结构稳定，成本低，但空间利用率较低方形电池采用铝质或钢质硬壳，空间利用率高，散热较好，但成本较高软包电池使用铝塑复合膜封装，重量轻，形状可定制，但机械强度较低，需要额外保护锂离子电池性能优势150-260能量密度Wh/kg远高于铅酸电池的30-40Wh/kg和镍氢电池的60-80Wh/kg1000+循环寿命次优质锂离子电池可达1000次以上完整充放电循环2-3%月自放电率显著低于镍氢电池的15-20%和铅酸电池的4-6%90%+能量效率充放电过程中的能量转换效率超过90%锂离子电池凭借其卓越的性能特性，已成为便携电子设备、电动车辆和储能系统的首选电源其应用领域正不断扩大，从消费电子到电网储能，从电动汽车到航空航天随着技术的进步和规模化生产，锂离子电池的成本持续下降，电池的能量密度仍在稳步提升，预计未来几年内还将提高20%-30%锂离子电池的安全设计保护电路模块（）PCM锂离子电池组必备的安全装置，监控并控制电池的电压、电流和温度当检测到过充、过放、过流或过温状况时，PCM会立即断开电路，防止电池进入危险状态现代PCM还集成了均衡充电功能，确保电池组中各单体电压均衡泄压安全阀当电池内部压力异常升高时，安全阀会打开释放气体，防止电池爆炸圆柱电池通常在顶部设计有防爆阀，方形电池则在侧壁设计有薄弱点作为泄压通道这是防止灾难性故障的最后一道防线热敏保险丝内置的温度敏感型断路装置，当温度超过设定阈值（通常为90-100℃）时自动断开某些设计中还使用正温度系数PTC材料，温度升高时电阻急剧增大，限制电流，保护电池免受热失控伤害安全型电解质与隔膜现代锂电池采用阻燃添加剂改良电解液，降低可燃性特殊设计的隔膜在高温下会熔化闭孔，阻止离子传导，起到熔断作用这些材料创新大大提高了电池的本质安全性镍氢电池原理与构造基本结构化学反应过程镍氢电池由正极、负极、隔膜和电解质组成正极材料为氢氧化充电时，正极的氢氧化镍转化为更高价态的氧氢化镍，负极的金镍，负极为氢吸附合金，电解质通常是氢氧化钾水溶液两极通属合金与水反应生成金属氢化物；放电时反应逆向进行，氢从负过多孔的绝缘隔膜分隔整体封装在气密性金属外壳中，顶部设极释放并与正极的氧结合形成水，同时产生电流有安全阀总反应式⇌₂MH+NiOOH M+NiOH镍氢电池的正极反应₂⁻⇌₂⁻NiOH+OH NiOOH+H O+e负极反应₂⁻⇌⁻M+H O+e MH+OH其中代表氢储存合金，通常是由镧、镍、钴、锰、铝等元素组成的混合物这种合金可以在晶格中可逆地吸收和释放大量氢原子，M是镍氢电池的核心技术镍氢电池应用与局限技术演进从世纪年代开始商业化应用2090混合动力汽车丰田普锐斯等早期混动车型的首选电子设备相机、遥控玩具和便携音频设备市场萎缩被锂离子电池逐渐替代镍氢电池在环保性和安全性方面表现出色，不含有害金属如镉，使用和处理更加环保其工作温度范围广（至），安全性高，不易发生热失-20°C60°C控和燃烧事故然而，镍氢电池也面临显著局限能量密度（）仅为锂离子电池的一半，自放电率高（每月），还存在记忆效应60-80Wh/kg15-20%问题，虽然比镍镉电池轻微新型二次电池简介固态电池固态电池使用固体电解质代替传统液体电解质，显著提高安全性并潜在提升能量密度固体电解质可以是无机陶瓷材料、聚合物或复合材料由于不含易燃液体，固态电池几乎消除了泄漏和燃烧风险，同时允许使用金属锂负极，理论能量密度可达现有锂离子电池的2-3倍锂硫电池锂硫电池使用金属锂作为负极，硫作为正极活性物质由于硫的高理论比容量（1675mAh/g）和低成本特性，锂硫电池的理论能量密度可达500Wh/kg以上，远超传统锂离子电池硫还具有环保、资源丰富的优势，但循环寿命和功率密度问题仍待解决钠离子电池钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，但使用更丰富且便宜的钠代替锂钠的资源储量是锂的千倍以上，广泛分布于海水中虽然钠离子电池的能量密度（约100-150Wh/kg）低于锂离子电池，但在大规模储能等对成本敏感、对能量密度要求不高的应用中具有显著优势固态电池构造与前景固态电解质材料结构设计挑战固态电池的核心是固体电解质，主固态电池面临的主要技术挑战包括要分为三类氧化物基（如、固固界面接触问题、电极电解质LLZO--LATP）、硫化物基（如LGPS）和界面稳定性和离子传导率不足等聚合物基（如PEO）氧化物基电研究人员正通过界面工程、复合材解质具有高稳定性但离子电导率较料设计和纳米结构优化等手段解决低；硫化物基具有较高的离子电导这些问题界面设计是固态电池成率但对空气敏感；聚合物电解质柔功的关键因素性好但需在高温下工作商业化进展多家企业和研究机构正积极推进固态电池的商业化丰田计划在年前后2025推出搭载固态电池的电动汽车；宁德时代、比亚迪等中国电池巨头也加大了固态电池的研发投入半固态电池作为过渡技术已开始小规模应用，全固态电池的大规模商业化预计在年实现2025-2030锂硫电池结构与性能高能量密度原理锂硫电池的理论能量密度高达500Wh/kg以上，是当前商用锂离子电池的2-3倍这主要归功于硫的高理论比容量（1675mAh/g）和锂金属负极的高比容量（3860mAh/g）硫还具有轻质、低成本和环保的优势，理论上可大幅降低电池成本独特反应机制与锂离子电池的嵌入/脱出机制不同，锂硫电池基于转化反应放电时，硫（S₈）逐步还原为各种多硫化物（Li₂S，n=2-8），最终形成Li₂S；充电时反应逆向进行这ₙ一过程伴随着显著的体积变化和物相转变，给电池设计带来挑战技术挑战锂硫电池面临多重技术难题多硫化物的穿梭效应导致活性物质损失和容量衰减；硫的低电导率限制了倍率性能；充放电过程中的体积变化（约80%）导致电极结构不稳定；锂金属负极容易形成锂枝晶，引发安全隐患解决方案探索研究人员正通过多种策略克服这些挑战开发功能化碳材料限制多硫化物扩散；设计特殊隔膜和电解质抑制穿梭效应；创建三维导电网络提高硫的利用率；开发保护层和添加剂稳定锂金属负极部分锂硫电池已在航空航天等特殊领域得到应用钠离子电池的市场机遇超级电容器简介工作原理与电池对比超级电容器（也称电化学电容器）主要通过物理吸附方式存储电超级电容器和电池的关键区别在于能量存储机制和性能特点电荷，而非化学反应它利用电极与电解质界面形成的电双层储存池依赖化学反应，能量密度高但功率密度低；超级电容器依赖物能量，电荷分离在极薄的界面层（纳米级）上进行，不涉及化学理吸附，功率密度高但能量密度低键的形成与断裂充放电速度超级电容器可在秒级完成，电池需要分钟至小•这种物理存储机制使超级电容器具有极快的充放电速度、超长循时环寿命（可达万次以上）和出色的低温性能，但能量密度通100循环寿命超级电容器万次，电池通常为数百至数千次•100常只有电池的至1/101/5能量密度超级电容器，锂离子电池•5-15Wh/kg150-260Wh/kg功率密度超级电容器可达，远高于电池•10,000W/kg燃料电池原理与种类氢气输入氢气流入阳极，接触催化剂阳极反应H₂→2H⁺+2e⁻电子流动电子经外电路产生电流阴极反应½O₂+2H⁺+2e⁻→H₂O水生成唯一排放物是纯净水燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转换为电能的装置，不受卡诺循环限制，理论效率高达60-80%与电池不同，燃料电池只要持续供应燃料和氧化剂就能持续发电，无需充电根据电解质类型和工作温度，燃料电池主要分为质子交换膜燃料电池PEMFC、固体氧化物燃料电池SOFC、碱性燃料电池AFC、磷酸燃料电池PAFC和熔融碳酸盐燃料电池MCFC等其中PEMFC因低温操作和高功率密度特性，在交通领域应用前景广阔电池制造材料详解正极材料锂离子电池的正极材料主要有几类负极材料三元材料高能量密度，但成本•NCM/NCA负极材料的选择影响电池的功率性能和寿命高石墨碳最常用，成本低，稳定性好•磷酸铁锂安全性好，成本低，但能量密•LFP1硬碳软碳改善低温性能和倍率性能•/度较低硅碳复合提高容量，但体积膨胀大•钴酸锂能量密度高，但资源有限且价•LCO锂钛氧化物安全性高，但能量密度低•格昂贵锰酸锂成本低但循环性能较差•LMO隔膜电解质隔膜是电池安全的重要屏障电解质系统决定电池的安全性和性能3•聚烯烃隔膜PE、PP或多层复合•液态电解质六氟磷酸锂溶于碳酸酯类溶剂陶瓷涂层隔膜提高热稳定性和吸液性添加剂成膜添加剂、阻燃添加剂等••非织造布高孔隙率但机械强度较低离子液体不易燃，但成本高••复合隔膜结合多种材料优势固态电解质安全性高，仍在发展中••电池结构细节与封装技术电极制备工艺电芯结构设计封装材料与方式电池制造始于电极制备，包括浆料配电芯结构主要有两种类型卷绕式和层根据外壳材料和形状，电池封装分为圆制、涂布、辊压和分切等工序活性材叠式卷绕式将长条形正极、隔膜和负柱形、方形硬壳和软包圆柱形使用不料、导电剂和粘结剂按比例混合成浆极依次叠加并卷绕成圆柱或椭圆形，适锈钢或镀镍钢壳，顶部设有安全阀；方料，均匀涂布在金属集流体上，经过干合大规模生产；层叠式将裁切好的片状形硬壳多采用铝壳，设有防爆阀；软包燥、辊压形成具有一定密度和孔隙率的电极和隔膜逐层堆叠，能量密度较高但电池使用铝塑复合膜封装，具有重量电极片高质量电极涂层需具有均匀厚自动化难度大不同应用场景选择不同轻、形状灵活的优势，但机械强度较度、适当多孔结构和良好附着力结构低，需要额外保护电池组与模块设计单体电池基本能量单元，提供标准电压和容量单体电池是电池组的基本构建模块，其性能一致性对整个电池组的可靠性至关重要在大型电池组中，需要进行严格的单体电池筛选和匹配电池模块多个单体电池的组合单元，具有机械保护和热管理模块设计需考虑电气连接可靠性、散热通道、防震结构和安全保护良好的模块设计能有效降低热失控蔓延风险电池包多个模块集成的完整能量系统，包含BMS和散热系统电池包是最终应用单元，需满足特定应用的电气性能、环境适应性和安全要求它集成了电气管理、热管理和结构保护等多个子系统能量管理系统监控和控制电池组工作状态，确保安全和性能最优先进的能量管理系统能实现电池状态精确估计、故障诊断、健康管理和寿命预测，提高电池系统的可靠性和使用效率电池管理系统（）BMS电池管理系统（）是确保电池安全高效运行的关键控制单元，具有多重核心功能精确监测每个单体电池的电压、电流和温度，BMS防止过充、过放和过温；估算电池荷电状态和健康状态，为用户提供剩余能量信息；执行均衡充电，延长电池寿命；实SOC SOH时诊断异常并采取保护措施；与外部系统通信，提供电池状态数据先进的系统还整合了人工智能算法，可根据使用历史优化充放电策略，提前预警潜在故障，并适应电池老化过程在大型电池系BMS统中，通常采用分层架构，包括主控单元和多个从控单元，实现高效数据处理和控制BMS电池性能测试方法容量测试内阻测试倍率测试容量测试是电池最基本的性能评估，通常内阻测试评估电池的功率性能和健康状倍率测试评估电池在不同充放电电流下的在标准条件下（25°C，

0.2C电流）进行况常用方法包括直流内阻法（基于不同性能表现测试通常以多个倍率（如完全充放电循环测量电池在规定截止电电流下的电压差）、交流阻抗法（测量不

0.2C、

0.5C、1C、2C、5C）进行放电，压下能够释放的总电量（Ah或mAh），同频率下的阻抗谱）和脉冲法（HPPC测绘制容量与倍率关系曲线高倍率性能好与标称容量对比评估电池健康状况高精试，分析脉冲电流响应）内阻增加通常的电池在大电流下容量保持率高，适合快度测试需使用恒流恒压CCCV充电和恒流表明电池老化或性能下降充快放应用放电模式CC电池循环与寿命评估常见电池故障与诊断容量衰减表现为电池充满电后使用时间明显缩短，是最常见的电池老化现象可能原因包括活性材料结构退化、SEI膜过度增厚、锂离子损失和电极微结构变化诊断方法包括容量测试、交流阻抗谱分析和充放电曲线对比分析严重容量衰减通常需要更换电池内阻增大表现为电池放电时电压下降快，特别是大电流放电时更明显；充电速度减慢，发热增加常见原因有SEI膜增厚、电极材料晶格结构损伤、接触不良和电解液干涸可通过直流内阻测试或交流阻抗谱检测，内阻异常增大是电池接近寿命终点的信号鼓胀与变形电池外形膨胀或变形，严重时可能导致外壳破裂主要原因包括过充导致电解液分解产气、高温导致内部反应加速、内部短路产生高温和电极材料异常膨胀这是严重安全隐患，鼓胀电池应立即停止使用并妥善处理，切勿继续充放电自放电异常电池静置不用时电量异常快速下降可能原因有隔膜缺陷导致微短路、电解液污染、内部杂质引起副反应和铜集流体溶解可通过定期测量开路电压跟踪自放电率，或使用更精确的电化学检测技术如恒电位保持测试异常高自放电率的电池应停止使用电池充放电方式电池安全性测试机械滥用测试热滥用测试包括针刺、挤压、冲击和跌落测试，模拟外部机械损伤场景针刺测试包括热冲击、热箱和热失控传播测试热冲击测试将电池置于高温环境使用标准化的钢针以固定速率刺穿电池，评估内部短路时的反应；挤压（通常130-150°C）观察反应；热箱测试以固定升温速率加热电池直测试在两平行板之间施加逐渐增大的压力直至变形达到规定值；冲击和至发生事件；热失控传播测试评估一个电池发生热失控时对相邻电池的跌落测试评估电池抵抗意外冲击的能力影响，是电池组设计的关键指标电气滥用测试标准合规测试4包括过充、过放、外部短路和强制放电测试过充测试以高于标称充电按照国际标准如IEC

62133、UL

1642、UN

38.3等进行的综合安全评电流充电至高电压；外部短路测试在电池两极间连接低阻抗导体；强制估UN

38.3是锂电池航空运输必须通过的测试，包括高度模拟、温放电测试将完全放电的电池反向充电这些测试评估电池保护机制的有度循环、振动、冲击等8项测试合规测试确保电池产品满足市场准入效性要求和安全法规电池回收与环境影响收集与分类预处理阶段通过回收网点和专业机构收集废旧电池，按类放电、拆解、粉碎等物理处理，准备后续金属型分类处理回收2金属提取材料再利用通过火法冶金或湿法冶金回收有价金属如钴、回收材料重新用于电池生产或其他工业应用镍、锂废弃电池若处理不当会造成严重环境问题铅酸电池中的铅和硫酸可污染土壤和水源；镍镉电池中的镉是有毒重金属；锂离子电池中的电解液含有易燃有机溶剂和氟化物，可能污染地下水此外，未回收的稀有金属（如钴、锂、镍）代表着资源浪费中国已建立电池回收法规体系，包括《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》和《废电池污染防治技术政策》先进回收技术如直接再生法（恢复电极材料而非分解成元素）正在发展，可大幅降低回收成本和能耗目前铅酸电池回收率达以上，而锂电池回收仍需提高90%储能系统中的电池应用家用储能系统工商业储能电网级储能家用储能系统通常容量在，主要工商业储能系统容量通常在电网级储能系统容量在级5-20kWh100kWh-10MWh-1GWh用于储存太阳能发电的多余电力或低谷时段10MWh，用于削峰填谷、需求侧响应和提别，用于电网调频调峰、可再生能源并网支电网电力，实现能源自给和峰谷电价套利高电力质量这些系统可以显著降低企业的持和输电延迟这类大型系统可使用多种电这类系统多采用锂离子电池（磷酸铁锂或三电力需求费用，并为断电情况提供备用电池技术，包括锂离子电池、钠硫电池、液流元锂），具有体积小、寿命长、易于维护的源系统多采用集装箱式设计，内置电池管电池等中国已建成多个百兆瓦级电池储能特点领先品牌如特斯拉Powerwall、比理系统、消防设施和空调系统，实现智能控电站，为电网安全稳定运行和可再生能源消亚迪和阳光电源已在全球市场获得广泛应制和远程监控纳提供支撑用电动车动力电池包结构设计与集成热管理与安全系统电池管理与控制电动车动力电池包通常采用三明治结构设动力电池热管理系统对维持电池性能和安全车用电池管理系统BMS比消费电子应用更计，从上至下依次为上盖板、电池模块至关重要主流冷却方式包括风冷、液冷和复杂，需处理数百个电池单体的监控和均组、热管理系统、高压配电系统、底护板相变材料冷却液冷系统效率最高，可精确衡先进BMS具备精确的SOC估算算法、电池包外壳需兼具轻量化和高强度，常用铝控制温差在3℃以内，但结构更复杂安全电池健康度评估、自适应充电控制、预测性合金或复合材料制造结构设计需考虑防系统包括高压断路器、熔断器、泄压阀等多维护和车联网数据分析功能通过整车控制水、防尘、抗震和防碰撞等多重要求，确保重保护装置，以及电池包防护结构设计，确器，BMS可根据驾驶模式、温度和路况调各种路况下的稳定性能保碰撞时电池不被刺穿整电池工作状态，优化性能和寿命数码与移动设备用电池3C5000+手机电池容量mAh高端智能手机的平均电池容量，较十年前增长一倍以上720笔记本电池寿命小时典型轻薄本的电池续航时间，得益于更高能量密度电池和更高效处理器120W快充功率瓦当前手机快充最高功率，可在15分钟内充电至50%以上300充放电循环次消费电子设备电池的典型设计循环寿命，保持80%以上容量移动设备电池面临独特的设计挑战需要在有限空间内提供最大能量、支持高速充电、保持长循环寿命，并满足极高的安全要求智能手机厂商采用多种创新技术提升用户体验，包括双电池系统、硅碳负极和电池健康管理算法快充技术是近年电池领域的热点，从最初的10W发展到现在的100W以上高通的Quick Charge、联发科的Pump Express、OPPO的VOOC和华为的SuperCharge等专有技术各有特色，但都基于精确控制电流、电压和温度的原理，平衡充电速度和电池寿命电池在可穿戴设备中的应用微型化与轻量化可穿戴设备电池的首要设计目标是体积小和重量轻设计师采用柔性电池、超薄锂聚合物电池和创新形状设计（如弯曲、环形或分段式电池）适应有限空间典型智能手表电池容量在200-500mAh，厚度不到3mm；智能耳机电池更小，通常在50-100mAh范围这些电池需要在极小体积内提供足够电量支持全天使用低功耗与充电技术可穿戴设备通常使用超低功耗处理器和传感器，配合智能电源管理算法延长电池使用时间无线充电成为可穿戴设备的标准配置，包括Qi标准和专有磁吸充电解决方案一些高端产品已开始采用太阳能辅助充电和动能收集技术，通过日常活动为电池补充电量，延长设备工作时间创新布局与双重责任在许多可穿戴设备中，电池不仅提供能量，还承担结构支撑作用Apple Watch将电池设计为包裹其他组件的形状；某些智能眼镜将电池分散在镜腿中平衡重量；柔性健身追踪器使用细长条形电池沿腕带分布这种一体化设计既节省空间又提高了设备的舒适度和耐用性安全与可靠性保障佩戴在身体上的设备对安全性要求极高可穿戴设备电池采用额外的安全措施，包括多层保护膜、过温保护电路和防短路设计行业领先品牌如Apple、三星和华为投入大量资源进行电池可靠性测试，确保在各种条件下的安全使用，包括汗水接触、意外跌落和极端温度环境电池前沿科研新进展无钴正极材料钴是锂离子电池正极材料的关键元素，但面临资源稀缺、价格高昂和供应链不稳定等问题科研人员正致力于开发高性能无钴正极材料，包括高镍三元材料Ni≥90%、富锂锰基材料和多阴离子化合物中国科学院物理研究所最近报道的无钴层状氧化物Na₀.₆[Li₀.₂Mn₀.₈]O₂展示了与商业NCM材料相当的性能极速充电技术快充技术是电动汽车普及的关键最新研究采用多方位策略实现10分钟充电目标开发新型电极材料如纳米硅碳复合负极和掺杂梯度正极；优化电解液添加剂降低界面阻抗；设计新型电极结构如3D多孔结构和垂直通道；开发精确温控系统在最佳温度窗口充电斯坦福大学最新报道的温和加热辅助充电技术可在15分钟内实现80%充电宽温域电池在极端温度下保持良好性能的电池对特殊应用至关重要低温性能突破包括开发新型电解液体系，如添加氟化溶剂和高浓度盐体系；发展预锂化技术防止低温锂析出；采用自加热电池设计耐高温电池研究集中在耐热电解液、高温稳定隔膜和结构稳定的电极材料某些军用电池可在-40°C至85°C温度范围内正常工作本质安全电池安全始终是电池技术的首要关注点前沿研究方向包括开发阻燃或不燃电解液；采用智能隔膜在危险温度下自动关闭离子传导；设计自愈合电极材料减少结构损伤；开发内置传感和诊断功能的智能电池麻省理工学院研发的液态热敏开关可在危险温度下瞬间切断电池内部电流，实现内部自我保护全球电池产业链上游矿产资源锂资源主要分布在锂三角（智利、阿根廷、玻利维亚）、澳大利亚和中国；钴资源70%集中在刚果（金）；镍资源主要在印尼、菲律宾和俄罗斯；石墨主要产自中国、巴西和莫桑比克中国在锂加工领域占全球60%以上产能，但原矿自给率不足30%，对外依存度高中游电池制造全球动力电池产能主要集中在中国、韩国、日本和欧洲中国企业宁德时代CATL和比亚迪位居全球前列，韩国的LG新能源、三星SDI，日本的松下和欧洲的北方镍等紧随其后截至2023年底，全球动力电池总产能约800GWh，预计2025年将突破2000GWh，中国产能占比超过60%下游应用市场电动汽车是锂电池最大应用市场，2023年全球电动车销量突破1000万辆欧洲、中国和北美是主要市场，中国国内市场占全球56%储能是增长最快的应用领域，2023年全球新增装机容量约150GWh，同比增长80%以上随着可再生能源渗透率提高，电网侧和工商业储能需求激增闭环回收再利用随着第一批电动车电池开始退役，回收产业迅速发展中国已建立较完善的回收体系，2023年回收量约25万吨，回收率约40%韩国、日本和欧洲也积极建设回收产能先进回收技术可回收90%以上的钴、镍和锂，显著降低原材料依赖，预计2030年回收电池材料将满足约30%的需求中国电池产业发展现状电池标准与政策法规国际标准体系中国标准体系电池领域主要国际标准由国际电工委员会IEC和国际标准化组织ISO制定关键中国已建立完善的电池标准体系，包括GB/T31241（便携式电子产品用锂离子电标准包括IEC62133（便携式电池安全要求）、IEC61960（锂电池性能测试方池安全要求）、GB/T31485（电动车用动力电池安全要求）、GB/T34013（电法）、ISO12405（电动车电池测试规范）和UN

38.3（锂电池运输安全要求）动车用电池管理系统技术条件）等这些标准在某些要求上比国际标准更严格，如这些标准为全球电池产品提供了基本的技术规范和安全要求针刺测试和高温性能要求，体现了中国对电池安全的高度重视政策法规海外法规动态中国针对电池产业的主要政策法规包括《新能源汽车产业发展规划2021-2035欧盟2022年发布《电池和废电池法规》，首次实施电池碳足迹申报和电池护照制年》、《关于加快推动新型储能发展的指导意见》和《新能源汽车动力蓄电池回度；美国通过《通胀减少法案》，要求电动车电池关键矿物必须在北美地区或自由收利用管理暂行办法》这些政策支持电池全生命周期管理，促进产业高质量发贸易伙伴国生产或加工；日本修订《资源有效利用促进法》，强化电池回收责任展，加强安全监管和资源回收利用这些法规变化对全球电池产业链布局产生深远影响未来电池技术发展趋势颠覆性新技术全固态电池、锂金属电池、锂硫电池技术突破可持续材料2无钴电池、钠离子电池、生物基电池材料智能化与数字化自诊断电池、电池数字孪生、AI电池管理系统制造工艺革新干法电极工艺、智能化生产线、无溶剂加工循环经济模式5设计便于回收、梯次利用、闭环资源循环根据行业预测，未来五年电池能量密度将持续提升，商业锂离子电池有望达到350-400Wh/kg；成本将继续下降，动力电池组价格预计到2025年降至100美元/kWh以下；充电速度大幅提升，10分钟充电80%将成为主流；安全性进一步增强，热失控风险显著降低从应用市场看，电动汽车仍是主要驱动力；大规模储能市场加速扩张；便携电子设备向轻薄化和长续航发展；工业和医疗特种电池需求增长前沿研究领域如可穿戴电池、可印刷电池、生物电池和自愈合电池也将取得重要进展，开拓新应用场景总结与展望通过本课程，我们系统学习了电池的基本原理、主要类型、关键组成部分和性能指标我们深入探讨了从传统铅酸电池到现代锂离子电池的技术演进，以及固态电池、锂硫电池、钠离子电池等新兴技术同时，我们也了解了电池测试、安全设计、管理系统和回收利用等实用知识展望未来，电池技术将继续快速发展，能量密度提升、充电速度加快、成本降低和安全性增强是主要趋势随着全球能源转型深入推进，电池作为清洁能源存储和应用的关键技术，将在电动交通、可再生能源集成和碳中和目标实现中发挥更重要作用理解电池原理与构造，不仅有助于我们更好地使用和维护各类电池产品，也是把握未来能源科技发展方向的基础。