电池的秘密教学课件

电池的秘密第一章电池基础知识与分类什么是电池？电池是一种能量转换装置，通过特定的电化学反应将储存的化学能转化为电能其核心功能在于•将化学能转换为电能，实现能量的便携式存储•提供稳定的电流和电压供各类设备使用•由两个或多个电池单元串联组成完整的供电系统电池的发明彻底改变了人类使用能源的方式，使电能可以随身携带，为移动设备提供动力源电池的两大类一次电池（不可充电）二次电池（可充电）这类电池在放电后无法通过外部电流恢复，使用后需要废弃这类电池可以通过外部电流恢复化学能，实现多次使用•碱性干电池-常用于遥控器、时钟•铅酸电池-汽车启动电源的主要选择•锌锰干电池-价格便宜，适合低功率设备•镍镉电池-耐用但存在记忆效应•锂一次电池-高能量密度，寿命长•镍氢电池-环保型可充电电池•汞电池-曾用于手表，因环保问题已减少使用•锂离子电池-现代电子设备的主流选择一次电池详解干电池结构•外壳锌筒（负极）•中心石墨棒（正极）•电解质糊状氯化铵化学反应负极Zn→Zn²⁺+2e⁻正极2MnO₂+2NH₄⁺+2e⁻→Mn₂O₃+2NH₃+H₂O特点•反应不可逆•使用后即废弃•价格低廉二次电池详解铅酸电池结构与工作原理•正极二氧化铅PbO₂•负极海绵状铅Pb•电解液稀硫酸H₂SO₄充放电反应放电Pb+PbO₂+2H₂SO₄→2PbSO₄+2H₂O充电2PbSO₄+2H₂O→Pb+PbO₂+2H₂SO₄应用场景电池的基本参数

1.5V3000mAh

11.1Wh电压容量能量电池两端的电势差，决定了电池的推力不表示电池能持续输出的电流乘以时间，单位为电压与容量的乘积，单位为瓦特小时Wh或千同化学体系的电池有不同的标称电压，如锌锰安培小时Ah或毫安时mAh容量越大，电瓦时kWh能量密度Wh/kg是评价电池性能电池

1.5V，锂离子电池

3.7V池使用时间越长的重要指标电池的工作原理氧化还原反应电子传递负极物质失去电子（氧化），正极物质获得电子从负极通过外部电路流向正极，形成电电子（还原）流能量转换离子迁移化学能转变为电能，驱动外部电路工作电解质中的离子迁移平衡内部电荷电池的电路连接方式串联连接并联连接•所有电池的正极相连，负极相连•总电压=单个电池电压（相同）•总容量=单个电池容量之和•适用于需要大电流或长时间使用的设备例两个2000mAh电池并联可提供4000mAh容量•电池正极连接下一个电池的负极•总电压=单个电池电压之和•总容量=单个电池容量（相同）电池内部结构正极通常由金属氧化物（如LiCoO₂）构成，是电子的接收方正极材料的选择直接影响电池的电压和能量密度负极常见材料为石墨或其他碳材料，是电子的释放源锂离子电池中，锂离子在充电时嵌入负极，放电时释放电解质可以是液体、凝胶或固体，允许离子在正负极之间迁移，但阻止电子直接传递，强制电子通过外部电路隔膜第二章电池的安全与性能挑战电池安全隐患热失控电解液泄漏过充过放电池内部短路引发温度急剧上升，可能导电池老化或损坏可能导致不当的充放电管理导致致•腐蚀性电解液外泄•内部材料结构破坏•电解液汽化膨胀•对皮肤和眼睛造成伤害•寿命大幅缩短•内部压力剧增•污染环境•性能急剧下降•外壳破裂•设备损坏•安全风险增加•燃烧甚至爆炸热失控的诱因与机理热失控诱因•机械损伤挤压、穿刺导致内部短路•电气滥用过充、过放、大电流充放电•热滥用环境温度过高，散热不良•制造缺陷内部污染物、电极错位热失控过程中温度可迅速升至数百摄氏度失控阶段加速阶段初始阶段负极与电解液反应（80-120℃），产生气体和更多热量局部温度升高，SEI膜分解（60-80℃），放出热量典型电池安全事故案例新能源汽车起火事件政策与标准反应2020-2022年间，国内外多起电动汽车针对安全事故，国家出台新标准自燃事件引发广泛关注原因分析•《电动汽车用动力蓄电池安全要求》国标升级•电池包设计缺陷，散热不良•强化热扩散测试要求•电池管理系统BMS监控失效•过流保护能力提升•电池单体质量问题•机械冲击测试标准提高•外部环境因素（如高温、涉水）电池安全防护技术先进隔膜材料阻燃电解液采用陶瓷涂层聚烯烃隔膜，在高温下能形成保护层，防止内短添加磷酸酯类阻燃剂的电解液，在燃烧条件下能形成阻燃膜，抑路这种隔膜在120-130℃会软化但不熔化，保持物理隔离制火势蔓延虽然会略微降低电池性能，但大幅提升安全性复合铜箔结构智能BMS系统三明治结构铜箔在过流情况下能像保险丝一样快速熔断，切断采用多重传感器和AI算法的电池管理系统，能实时监测电池状电流路径，防止热失控扩散态，预测潜在风险，并采取主动保护措施复合铜箔的优势倍62%38%5减重效果成本降低安全提升相比传统铜箔，复合铜箔减少铜材用量，直接降低在短路条件下熔断速度是大幅减轻电池重量，提升原材料成本，同时提高了普通铜箔的5倍，显著降了电池的重量能量密度约电池的经济性低热失控风险9%电池维护与使用注意事项日常维护禁忌行为定期检查•避免将电池暴露在高温环境（45℃）•不要拆解、挤压或穿刺电池检查电池外观，查看是否有膨胀、漏液或过热现象•防止金属物品短路电池端子•不要将电池投入火中或水中端子清洁•避免混用不同类型或新旧电池保持电池端子清洁，防止氧化造成接触不良•长期不用设备时取出电池适当充电使用原装充电器，避免长时间过充或深度放电电池热失控过程1初始触发（0-1分钟）机械损伤、过充或过热导致局部温度升高，SEI膜（固体电解质界面膜）开始分解2内部短路（1-2分钟）隔膜在高温下收缩或熔化，正负极接触形成内部短路，大量热量迅速产生3气体产生（2-3分钟）电解液受热分解产生大量易燃气体，电池内部压力急剧上升4破裂燃烧（3-5分钟）电池外壳无法承受内部压力而破裂，高温引发易燃气体燃烧，温度可达800℃以上5热蔓延（5-30分钟）第三章电池的创新与未来趋势新型电池技术概览锂离子电池固态电池钠离子电池目前主流技术，能量密度高（250-使用固态电解质替代液态电解质，显著提高安300Wh/kg），循环寿命长（500-1000次）全性，理论能量密度可达400Wh/kg以上目广泛应用于手机、笔记本电脑和电动汽车主前面临界面稳定性和规模化生产挑战，预计要挑战是安全性和稀有金属资源依赖2027年实现商业化电池能量密度与成本趋势能量密度Wh/kg成本元/kWh电池回收与环保废旧电池环境风险•含有镉、铅等重金属污染物•电解液可能渗入土壤和水源•焚烧会释放有毒气体回收技术与价值•湿法冶金通过化学溶液提取金属•热处理高温分离组分•直接回收保留结构，进行再利用现代电池回收设施能回收超过95%的有价金属电池在新能源汽车中的应用单体电池电池包基本能量单元，多为18650或21700圆柱电池、方形电池或多个模组组合而成，包含冷却系统、BMS和安全保护装置软包电池1234电池模组整车集成多个单体电池串并联组成，配有温度传感器和均衡电路电池包与电机、电控系统协同工作，优化能量管理电池产业链与市场动态上游原材料1锂、钴、镍等矿产资源与精炼中游关键材料2正负极材料、电解液、隔膜、复合铜箔中游电芯制造3电池单体、模组和电池包生产下游应用领域4新能源汽车、储能系统、消费电子未来电池技术展望第一代固态电池（2027年）硫化物电解质，能量密度350-400Wh/kg，快充能力提升50%锂硫电池（2030年）理论能量密度高达500Wh/kg，成本可能降低40%锂空气电池（2035年）理论能量密度接近1000Wh/kg，接近汽油能量密度智能自适应电池（2040年）集成传感、自修复和人工智能功能，寿命提升3倍新能源汽车电池生产电极制备活性材料与导电剂、粘结剂混合，涂覆在集流体上，经干燥、压实形成电极电池组装正负极与隔膜卷绕或叠片，注入电解液，密封成电池单体化成与分选电池首次充放电激活，测试性能参数，按容量和内阻分组PACK封装电池单体组成模组，模组组成电池包，集成BMS和冷却系统电池教学互动环节建议实验观察测量实验•使用万用表测量不同电池的电压•测量使用中的电池与新电池电压差异•串并联电池测量，验证电路原理•简易放电实验，记录电压随时间变化安全模拟•设计情景如何正确处理漏液电池•讨论日常电池使用中的安全注意事项•准备各类电池样品（干电池、纽扣电池、锂电池等）•让学生观察标识、结构特点并记录•引导学生识别正负极、电压规格•比较不同电池的尺寸、重量与能量密度关系教学小结基础知识安全意识理解电池的基本结构、分类与工作原理，掌握认识电池安全隐患，学习预防措施，培养正确电压、容量等关键参数使用习惯环保责任技术创新重视电池回收与资源再利用，践行绿色发展理了解电池技术前沿发展，认识其在能源革命中念的关键作用参考资料与推荐阅读学术资料在线资源•《电池技术基础与应用》，科学出版社•中国电池网www.itdcw.com•《锂离子电池原理与技术》，化学工业出版社•科学松鼠会电池科普专题•《新能源汽车动力电池系统》，机械工业出版社•MIT能源课程开放资源行业报告视频资料•中信建投证券《锂电池行业研究报告》2025•《电池的秘密》科普纪录片•宁德时代《动力电池技术白皮书》•《探秘锂电池工厂》实拍视频•工信部《新能源汽车产业发展规划》•《电池安全实验演示》教学视频谢谢聆听！。