《电池原理与构造》课件

电池原理与构造电池是一种能够将化学能转化为电能的基础器件，通过特定的电化学反应产生电流现代社会中，电池已成为不可或缺的能源载体，其年产值已超过千亿美元，广泛应用于日常生活与工业生产的各个领域课程导入电池技术的发展彻底改变了人类能源利用的方式，使电能摆脱了电网束生活中的电池应用实例缚，成为真正便携的能源形式它让我们能够随时随地获取电能，支持•智能手机和平板电脑移动设备的运行，推动社会向更加便捷和环保的方向发展•电动汽车和电动自行车•遥控器和无线设备•便携医疗设备电池发展简史1年1800意大利物理学家亚历山德罗伏打发明了世界上第一块伏打电池，通过在·盐水中交替堆叠锌和铜片，首次证明了化学反应可以产生持续的电流2世纪中期19丹尼尔电池和勒克朗谢电池的发明奠定了现代电池的基础，18361866后者成为现代干电池的前身3世纪20电池的定义电池是一种能够将化学能转化为电能的电化学装置，它通过特定的氧化电池的基本组成还原反应实现能量的转换和存储•正极（阴极）发生还原反应的电极电池的工作基于电化学原理，当连接外部电路时，电池内部的化学反应•负极（阳极）发生氧化反应的电极产生电子流动，从而形成电流，为外部设备提供能量•电解质允许离子流动的介质•隔膜防止正负极直接接触的隔离层•外壳保护内部元件并提供结构支撑电池主要分类二次电池可充电电池，化学反应可逆，能够多次充放电使用一次电池•铅酸电池•镍镉和镍氢电池不可充电的一次性电池，化学反应不可逆，•锂离子电池使用后需丢弃•锌碳电池（干电池）燃料电池•碱性锌锰电池通过持续供应燃料（如氢气）产生电能的特殊•锂一次电池电池类型•氢燃料电池•甲醇燃料电池•固体氧化物燃料电池一次电池简介常见一次电池类型一次电池是不可充电的电池，其内部的电化学反应不可逆转，一旦放电完成后就无法恢复原状这类电池通常具有结构简单、成本低廉、便于•锌碳电池（传统干电池）价格低廉，适用于低功率设备存储等特点，广泛应用于对能量需求不高的日常电子设备中•碱性锌锰电池容量大于锌碳电池，使用寿命更长•锂一次电池能量密度高，自放电率低，适用于医疗设备和军事装备一次电池用完后需要妥善处理，不当处置可能导致环境污染，应按照当地废弃物管理规定进行回收或处理二次电池简介铅酸电池最早的商业化二次电池，广泛应用于汽车启动电源、不间断电源等领域每个单体电池电压为，组合使用可提供更高电压2V镍镉电池早期应用广泛的二次电池，具有良好的放电性能和循环寿命，但含有毒性较强的镉元素，逐渐被更环保的电池所替代镍氢电池作为镍镉电池的环保替代品，能量密度更高，无毒性，但存在一定的记忆效应和自放电问题锂离子电池当今最主流的二次电池技术，具有高能量密度、长循环寿命和低自放电率，广泛应用于消费电子、电动交通工具和能源存储系统原电池工作原理原电池是电池的基本形式，它通过自发进行的氧化还原反应产生电流在原电池中，电子从负极（阳极）流向正极（阴极），形成外部电路的电流；同时，电池内部通过离子的移动完成电路工作过程负极发生氧化反应，释放电子

1.电子通过外部导线流向正极

2.正极发生还原反应，接收电子

3.内部离子通过电解质迁移，保持电荷平衡

4.伏打电池结构锌负极在伏打电池中，锌作为负极材料，具有较负的电极电位，容易失去电子发生氧化反应，提供电子流铜正极铜作为正极材料，具有较正的电极电位，易于接收电子发生还原反应，是电子流的终点电解质与盐桥硫酸溶液作为电解质提供离子传导通道，盐桥连接两个半电池，允许离子迁移以维持电荷平衡伏打电池化学反应电极反应能量转换原理在伏打电池中，锌和铜离子之间的电位差驱动电子流动，产生电流在这一过程中，锌的化学能转化为电能根据电化学原理，标准状态下这一反应可以产生约伏的电动势

1.1负极（锌极）氧化反应Zn→Zn²⁺+2e⁻每个锌原子失去两个电子变成锌离子，这两个电子通过外电路到达铜极，使铜离子得到电子而沉积为金属铜这一过程将继续进行，直到锌正极（铜极）还原反应Cu²⁺+2e⁻→Cu完全消耗或铜离子完全转化为金属铜总反应Zn+Cu²⁺→Zn²⁺+Cu电子与离子流动外部电子流动电子从负极阳极产生，通过外部导线流向正极阴极，这一流动构成了我们可利用的电流内部离子迁移为了维持电荷平衡，电池内部的阳离子向负极方向移动，阴离子向正极方向移动，通过盐桥或电解质形成完整的电路电荷平衡离子的迁移保证了电池内部的电中性，防止电荷在某一区域过度积累，确保电化学反应能够持续进行这种电子和离子的协同流动构成了完整的电流回路，使电池能够持续向外部设备提供电能，直到电极材料耗尽或反应达到平衡电池的电动势电池的电动势（）是指电池提供电能的能力，通常以伏特（）为单常见电池的标准电动势EMF V位它由电池的正负极材料的电极电位差决定，反映了电池驱动电子流•锌碳电池

1.5V动的能力•碱性电池

1.5V根据能斯特方程，电池的电动势受到温度、反应物浓度等因素的影响，•铅酸电池

2.0V（单格）可通过公式计算，其中是标准电极电位，是反应E=E°-RT/nFlnQ E°Q商•镍镉电池

1.2V•镍氢电池

1.2V•锂离子电池

3.6-

3.7V干电池简介干电池最早由乔治勒克朗谢在年开发，是第一种实用的便携式电池，随后由卡尔格尚德改进为现代干电池形式，迅速实现了商业化应用·1876·干电池特点基本构造•电解质呈糊状，不易流动泄漏•锌金属外壳作为负极•结构紧凑，便于携带•二氧化锰混合物作为正极•不需要维护，即买即用•糊状电解质氯化铵或氯化锌溶液•成本低廉，适用广泛•碳棒作为集电体，改善导电性•可长期存储（自放电率较低）干电池结构锌壳（负极）二氧化锰混合物（正极）碳棒与电解质干电池外壳由锌金属制成，同时作为负极材料参正极材料由二氧化锰、碳黑和电解质混合而成，中心碳棒作为集电体，提高导电性电解质通常与电化学反应锌在放电过程中被氧化，释放电包围在中心碳棒周围在放电过程中接收电子，为氯化铵或氯化锌溶液与淀粉混合形成的糊状子进入外电路发生还原反应物，允许离子迁移但不易流出干电池化学反应主要电极反应反应机理干电池中发生的电化学反应相对复杂，涉及多步反应和中间产物在放电过程中，锌负极被氧化释放电子，这些电子通过外电路到达正极同时，二氧化锰接收电子被还原为三氧化二锰负极反应Zn→Zn²⁺+2e⁻反应产生的锌离子和铵离子通过电解质迁移，维持电路完整随着放电正极反应2MnO₂+2NH₄⁺+2e⁻→Mn₂O₃+2NH₃+H₂O继续，电极材料逐渐消耗，电池电压缓慢下降，最终电池无法提供足够在氯化铵电解质中，锌离子进一步与氯离子反应形成可溶性络合物，延的电压长电池寿命干电池优缺点优点缺点•结构简单，制造工艺成熟•能量密度低，无法支持高功率设备•价格低廉，经济实惠•一次性使用，不可充电•适用范围广，几乎所有便携式设备•放电过程中电压逐渐下降•存储寿命长，可长期备用•长期存放容易泄漏，造成设备腐蚀•工作温度范围广•含有一定有害物质，处理不当污染环境•安全性好，不易爆炸•低温环境下性能显著下降二次电池工作原理充电过程充电时，外部电源强制电子从正极流向负极，逆转了放电过程中的电化学反应正极材料被氧化，负极材料被还原，电能转化为化学能储放电过程存起来二次电池放电时，正极材料被还原，负极材料被氧化，电子从负极通过外电路流向正极，化学能转化为电能这个过程与一次电可逆反应池类似，为外部设备提供电能二次电池的核心特点是其电化学反应具有可逆性，允许电池通过充电恢复到原始状态然而，每次循环会有少量不可逆反应，导致容量逐渐衰减铅酸电池结构铅酸电池是最早实用化的二次电池，由法国物理学家普兰特于年发1859明尽管技术已有多年历史，但因其可靠性和成本优势，至今仍广泛160应用于汽车启动电源和备用电源系统基本构造•负极海绵状金属铅•正极二氧化铅•电解质浓度约为38%的稀硫酸溶液•隔板绝缘多孔材料，分隔正负极•外壳耐酸塑料容器铅酸电池反应过程1放电反应在放电过程中，铅负极被氧化为硫酸铅，二氧化铅正极被还原为硫酸铅，电解液中的硫酸浓度降低•负极反应Pb+SO₄²⁻→PbSO₄+2e⁻•正极反应PbO₂+4H⁺+SO₄²⁻+2e⁻→PbSO₄+2H₂O•总反应Pb+PbO₂+2H₂SO₄→2PbSO₄+2H₂O2充电反应充电时，外部电源提供能量，反应方向逆转，硫酸铅转化回铅和二氧化铅，电解液中的硫酸浓度增加•负极反应PbSO₄+2e⁻→Pb+SO₄²⁻•正极反应PbSO₄+2H₂O→PbO₂+4H⁺+SO₄²⁻+2e⁻•总反应2PbSO₄+2H₂O→Pb+PbO₂+2H₂SO₄铅酸电池优缺点优点缺点•技术成熟可靠，使用历史超过160年•体积大、重量重，能量密度低30-40Wh/kg•成本低廉，价格是同容量锂电池的1/3左右•循环寿命短，约300-500次充放电•能提供极高的瞬时电流，适合汽车启动•含有铅等重金属，对环境有潜在危害•工作温度范围广，适应性强•硫酸电解液具有腐蚀性•回收体系完善，铅可以无限次回收利用•需要定期维护传统液体铅酸电池•对过充过放有较好的耐受性•充电时间长，快充能力有限镍镉电池及镍氢电池镍镉电池镍氢电池最早由瓦尔德马容纳于年发明，世作为镍镉电池的环保替代品于世纪年代·1899202080纪年代实现商业化，曾广泛应用于便携式问世，用氢吸收合金替代镉作为负极材料60电子设备镍镉电池具有循环寿命长、耐过镍氢电池比镍镉电池具有更高的能量密度和充过放、低温性能好等优点，但含有有毒的更好的环保性，不含有毒重金属，曾在混合镉元素，能量密度较低动力汽车和便携设备中广泛应用这两种电池都使用氢氧化钾溶液作为电解质，正极均为氢氧化镍，负极材料的不同是它们的主要区别随着锂离子电池技术的发展，它们的应用逐渐减少镍氢电池优缺点优点缺点•能量密度70-100Wh/kg比镍镉电池高30-40%•自放电率高，存放1个月可损失15-20%容量•环保性好，不含有毒重金属•存在记忆效应（虽比镍镉电池轻微）•安全性高，不易发生热失控•充电效率低，发热严重•耐过充过放，使用寿命长500-1000次循环•快充性能差，充满需3-4小时•价格适中，比锂电池便宜•能量密度低于锂离子电池•温度适应性好，能在-20°C至45°C范围工作•需要特定充电器和管理系统镍氢电池在丰田普锐斯等早期混合动力汽车中得到了成功应用，证明了其在高功率应用中的可靠性但随着锂电池技术的成熟，镍氢电池的应用范围逐渐缩小锂电池发展背景1年代1970美国科学家惠廷汉和英国科学家约翰古德诺夫分别开发了首个锂电池原M·S··型和锂钴氧化物正极材料，奠定了锂离子电池的理论基础2年代1980美国科学家约翰巴尼斯特发现石墨可作为锂离子电池的负极材料，解决了金·属锂负极的安全问题日本旭化成公司的吉野彰整合了这些发现，开发出第一个实用锂离子电池原型3年1991索尼公司首次实现锂离子电池的商业化生产，并应用于其便携式摄像机产品中，开启了锂电池的商业化时代4年至今2000锂离子电池技术快速发展，能量密度从最初的提升至现在的80Wh/kg以上，广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域，成为最300Wh/kg主流的便携式能源技术锂离子电池结构正极负极电解质与隔膜主流商业锂电池正极材料为锂钴氧化物典型负极材料为石墨，涂覆在铜箔集流体上近电解质通常为六氟磷酸锂溶于碳酸酯有机LiPF₆，也有锰酸锂、磷酸铁锂和三元材料镍年来也出现了硅碳复合、锂钛氧化物等新型负极溶剂中形成的溶液隔膜为微孔聚烯烃膜，既阻LiCoO₂钴锰镍钴铝等正极材料涂覆在铝箔集流体材料负极是锂离子的储存仓库，决定了电池止正负极直接接触短路，又允许锂离子通过/上，形成多孔结构的容量锂电池基本原理锂离子的摇椅机制锂离子电池工作原理基于摇椅机制，即锂离子在充rocking-chair mechanism放电过程中在正负极之间来回嵌入和脱出，像摇椅一样往返运动充电过程外部电源驱动锂离子从正极脱出，穿过电解质和隔膜，嵌入负极；同时电子通过外电路从正极流向负极放电过程锂离子从负极脱出，返回正极；电子通过外电路从负极流向正极，产生电流为设备供电这一过程中不涉及金属锂的沉积和溶解，大大提高了电池的安全性锂离子的嵌入和脱出不破坏电极材料的晶体结构，使得反应具有良好的可逆性，实现多次充放电循环锂电池关键反应电极反应方程式反应机理以常见的钴酸锂正极和石墨负极为例，锂离子电池的电化学反应可表示充电时，正极的锂离子被氧化并释放到电解液中，同时电子通过外电路为传递到负极锂离子穿过电解质和隔膜到达负极，与从外电路获得的电子结合，嵌入石墨层间正极反应LiCoO₂↔Li₁₋ₓCoO₂+xLi⁺+xe⁻放电时过程相反，锂离子从石墨层间脱出，通过电解质返回正极并重新负极反应6C+xLi⁺+xe⁻↔LixC₆嵌入钴酸锂晶格，同时电子通过外电路从负极流向正极，为连接的设备总反应LiCoO₂+6C↔Li₁₋ₓCoO₂+LixC₆提供电能其中，箭头左侧为放电方向，右侧为充电方向；代表锂离子的转移量，x理论上最大可达，但实际使用中为保证电池稳定性和循环寿命，通常1x控制在之间

0.5-

0.6锂电池性能优势月200-260Wh/kg1000-

20003.7V5%/能量密度循环寿命单体电压自放电率锂离子电池的能量密度约为铅酸电高质量锂电池可实现上千次完整充锂离子电池单体电压为，是锂离子电池的月自放电率低于，

3.6-

3.7V5%池的倍，镍镉电池的倍，是当前放电循环，远高于传统二次电池镍基电池的倍，可减少电池而镍氢电池可达这意味着锂

631.2V320%商业化电池中能量密度最高的，能在部分充放电条件下，循环次数可串联数量，简化电池组设计电池在长期存放后仍能保持大部分够在更小更轻的体积内存储更多能达次以上电量，非常适合不常使用的设备5000量锂电池挑战与安全问题热失控风险安全保护措施锂离子电池的最大安全隐患是热失控，这是一种自加电池管理系统监控并控制电池电压、电流和温度，防止过充过放thermal runawayBMS速的放热反应链当电池内部温度超过临界点约时，电解液130-150°C开始分解放热，进一步升高温度，触发更剧烈的反应，最终可能导致电安全阀在内部压力过高时释放气体，防止爆炸池起火或爆炸热敏断路器在温度过高时切断电路热失控可能由多种因素触发，包括内部短路、过充电、物理损伤、制造隔膜关断机制隔膜在高温下熔化闭合孔隙，阻止离子传导缺陷或极端高温环境等阻燃电解液添加阻燃添加剂减少火灾风险燃料电池原理燃料电池是一种将燃料通常是氢气中的化学能直接转化为电能的装置，主要反应方程式与传统电池不同，它不需要充电，只要持续供应燃料和氧化剂通常是氧阳极反应2H₂→4H⁺+4e⁻气就能持续发电阴极反应O₂+4H⁺+4e⁻→2H₂O基本工作原理总反应电能热能2H₂+O₂→2H₂O++氢气在阳极催化剂作用下分解为质子和电子

1.燃料电池的理论效率可达，远高于内燃机的，且唯一的60-80%30-40%电子通过外部电路流向阴极，形成电流

2.排放物是水，是一种高效清洁的能源转换技术质子通过电解质膜迁移到阴极

3.在阴极，电子、质子与氧气反应生成水

4.燃料电池结构阳极通常由碳纸基底上涂覆铂催化剂构成，负责将氢气分解为质子和电子催化剂的活性和寿命是决定燃料电池性能的关键因素之一电解质膜对于质子交换膜燃料电池PEMFC，使用特殊的高分子膜如Nafion作为电解质，它只允许质子通过，阻止电子和气体渗透，防止燃料直接与氧气混合阴极结构与阳极类似，催化剂促进氧气、质子和电子的反应生成水这一反应被称为氧还原反应ORR，是燃料电池中动力学最慢的步骤，也是研究的重点单个燃料电池产生的电压约为

0.7V，实际应用中通常将多个单元串联成电池组以提供所需电压此外，燃料电池系统还包括燃料供应、空气供应、水管理和热管理等辅助系统电池的主要组成部分负极正极电池的负极是放电过程中释放电子的电极，通电池的正极是放电过程中接收电子的电极，通常由活泼金属或能够被氧化的材料制成负极常由金属氧化物或其他能够被还原的材料制材料决定了电池的容量和安全性成正极材料的选择直接影响电池的电压和能量密度电解质电解质提供离子传导通道，连接正负极形成完整电路它可以是液体、凝胶或固体，必须具有良好的离子导电性和电子绝缘性外壳与端子隔膜外壳封装并保护电池内部组件，防止水分和空气进入端子连接外部电路，提供电子传输通隔膜位于正负极之间，防止两极直接接触造成道短路，同时允许离子通过它必须具有化学稳定性、机械强度和适当的孔隙率电池参数与评价指标标称电压容量电池在正常工作状态下的平均电压，由电池化学体系决定例如，锂电池能够提供的电荷量，单位为安时或毫安时容量与电池Ah mAh离子电池为，镍氢电池为，锌碳电池为尺寸、重量和电极材料有关高容量意味着电池可以工作更长时间

3.6-

3.7V

1.2V

1.5V能量密度功率密度单位质量或体积电池所含的能量，分别以质量能量密度和电池单位质量或体积能够输出的最大功率，单位为或高功Wh/kgW/kg W/L体积能量密度表示这是衡量电池轻量化和小型化程度的率密度意味着电池能够快速充放电，适用于需要大电流的场景Wh/L重要指标循环寿命自放电率电池在容量降至额定值的前能够完成的充放电循环次数高循环电池在不使用状态下容量自然损失的速率，通常以每月百分比表示80%寿命意味着更长的使用寿命和更低的长期成本低自放电率对于长期存储的电池尤为重要电池充放电特性充电特性放电特性充电速率率表示充电电流与电池额定容量的比值，如意味着小时放电平台放电过程中电压相对稳定的区域，反映电池化学体系特性C1C1充满，则为分钟2C30倍率性能电池在不同放电电流下容量保持能力恒流恒压充电锂电池常用充电方式，先以恒定电流充电至一定-CC-CV截止电压放电终止的最低电压，过度放电会损害电池电压，再以恒定电压充电至电流降至设定值放电曲线电压随放电时间或深度的变化曲线，反映电池性能充电效率输入电池的电能与实际存储电能的比值，受内阻和副反应影温度影响低温会增加内阻，降低可用容量响快充技术通过提高电流、多阶段充电等方式缩短充电时间电池串联与并联串联连接并联连接将多个电池的正极连接到下一个电池的负极，形成一条链将所有电池的正极相连，所有负极相连电压总电压等于各电池电压之和电压总电压等于单个电池的电压容量总容量等于最小容量电池的容量容量总容量等于各电池容量之和应用当需要更高电压时使用应用当需要更大容量或电流时使用注意事项所有电池应具有相同容量和状态，否则可能导致过充过放注意事项并联电池的电压应相近，避免循环电流例如三个的锂电池串联后，电压为，容量仍为例如三个的锂电池并联后，电压仍为，容量增至

3.7V/2000mAh

11.1V

3.7V/2000mAh

3.7V2000mAh6000mAh常见电池的对比类别能量密度循环寿命价格主要应用铅酸电池次低汽车启动、备用电源30-40Wh/kg300-500UPS镍镉电池次中早期便携设备、电动工具40-60Wh/kg500-1000镍氢电池次中混合动力汽车、便携设备60-80Wh/kg500-800锂离子电池次以上高智能手机、笔记本、电动150-250Wh/kg1000汽车锂聚合物电池次高超薄设备、无人机130-200Wh/kg300-500碱性电池一次性低家用设备、遥控器80-110Wh/kg各类电池有其独特的优缺点和适用场景选择电池时应综合考虑能量密度、功率密度、循环寿命、温度适应性、安全性和成本等因素，以匹配特定应用的需求电池的衰老与寿命循环老化日历老化由反复充放电引起的容量衰减每次充放电都会导致电极材料结构即使不使用，电池也会随时间缓慢老化主要由电解液与电极的副变化、活性物质损失和固体电解质界面层增厚高温和大电流反应引起，高温和高荷电状态会显著加速日历老化在SEI SOC25°C充放电会加速循环老化过程下存储电池并保持的电量可以最大限度延长存储寿命40-60%容量衰减机制延长电池寿命的方法锂离子电池容量衰减主要源于活性锂的不可逆损失、电极材料结避免极端温度环境；控制充电电压在推荐范围内；避免深度放电；构退化、电解液分解、集流体腐蚀以及隔膜孔隙堵塞等不同电池使用适当的充电电流；避免长期存放在完全充满或放空状态；使用化学体系有不同的主导衰减机制智能电池管理系统进行保护常见失效模式及防护主要失效模式保护机制与防护策略内部短路由金属锂枝晶生长、制造缺陷或机械挤压导致过流保护当电流超过安全限值时切断电路枝晶生长锂金属在电极表面形成树枝状结构，可能刺穿隔膜过压保护防止充电电压过高损伤电池电解液分解在高温或过电压条件下发生不可逆分解低压切断防止电池过度放电电极粉化电极材料因体积变化而碎裂，失去电接触温度监控在温度过高或过低时停止充放电集流体腐蚀电解液与集流体发生反应，增加内阻压力释放阀释放过高内部压力，防止爆炸气体膨胀副反应产生气体，导致电池鼓胀正温度系数装置温度升高时电阻增大，限制电流PTC电池管理系统综合管理和平衡电池组BMS电池应用领域消费电子锂离子和锂聚合物电池主导消费电子市场，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑和可穿戴设备这些应用对电池的轻薄、高能量密度和安全性要求极高，推动了软包电池和高能量密度材料的发展动力电池电动汽车、电动自行车和电动工具等移动应用依赖大型电池组提供动力这类应用要求电池具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命和快充能力，磷酸铁锂和三元锂电池是主要技术路线储能系统大型电网储能、家庭储能系统和备用电源应用对成本、安全性和寿命要求较高除锂电池外，铅酸电池、液流电池和钠离子电池也在这一领域有所应用，不同技术路线各有优势特殊电池介绍纽扣电池太阳能电池小型圆形电池，用于手表、计算器、助听将光能直接转换为电能的光伏器件，严格器等小型设备常见类型包括碱性纽扣电来说不属于化学电池硅基太阳能电池是池、锂锰纽扣电池和银氧化物电池体积主流，钙钛矿太阳能电池是新兴技术广小、容量稳定，但存在儿童误食风险，近泛应用于便携充电器、建筑集成光伏和大年来安全性受到重视型光伏电站空气电池使用空气中的氧气作为正极活性物质，大幅降低电池重量锌空气电池已商业化用于助听器，铝空气电池和锂空气电池仍处于研发阶段理论能量密度极高，但存在反应可逆性差等问题电池安全规范国际标准中国国家标准便携式密封二次电池安全要求手机用锂离子电池总规范IEC62133GB/T18287便携式锂二次电池性能测试方法便携式电子产品用锂离子电池和电池组安全要求IEC61960GB/T31241锂电池运输安全测试要求电动汽车用动力蓄电池安全要求及测试方法UN

38.3GB/T31485锂电池安全标准电动自行车用锂离子电池安全要求UL1642GB/T36276家用和商用电池标准UL2054电池安全测试通常包括过充电测试、过放电测试、外部短路测试、挤压测试、针刺测试、跌落测试、热冲击测试、温度循环测试等，确保电池在各种极端条件下仍能保持安全航空运输对锂电池有特别严格的要求，必须通过测试并遵守包装和标识规定UN

38.3电池的回收与环保环境风险回收工艺废弃电池中含有重金属如铅、镉、汞和有毒电解液，若处理不当主流电池回收技术包括火法冶金高温熔炼、湿法冶金化学浸出会污染土壤和水源锂电池还存在火灾风险中国每年产生废旧电和直接再生技术对于锂电池，通常先进行放电、拆解和破碎，然池数十万吨，回收处理不足，环境压力巨大后通过物理或化学方法分离回收钴、镍、锂、铜、铝等有价金属30%梯次利用政策法规电动汽车退役电池在容量降至以下时，仍可用于储能等对能量中国实施《新能源汽车动力蓄电池回收利用管理暂行办法》等政80%密度要求较低的领域，延长使用寿命梯次利用后的电池最终仍需策，推动建立电池全生命周期追溯系统欧盟《电池指令》规定了进入回收体系处理电池回收率目标，推动生产者责任延伸制度电池未来发展趋势高能量密度通过开发高容量正负极材料、高电压体系和轻量化设计，提升电池能量密度硅碳负极、高镍正极和锂金属电池是重要方向，目标是达到350-500Wh/kg快充技术开发能承受高电流的电极材料和电解质，结合先进的充电算法和热管理系统，实现分钟内充满容量，解决电动汽车充电焦虑问题10-1580%绿色环保减少或替代钴、镍等稀缺金属，发展全固态、钠离子等新型电池技术，并建立高效回收体系，降低资源压力和环境影响，实现电池产业可持续发展安全可靠通过材料创新、结构优化和智能管理，提高电池本质安全性无机固态电解质、阻燃添加剂和自愈合电极是重要研究方向固态电池前沿固态电池是以固态电解质替代传统液态电解质的新型电池技术，被认为技术挑战是下一代锂电池的重要发展方向固态电解质可以是无机陶瓷、聚合物•固液界面接触电阻大或复合材料，具有不燃、稳定性高等优势•室温离子导电率低技术优势•电极/电解质界面稳定性问题•安全性大幅提升，消除火灾风险•大规模制造工艺尚不成熟•理论能量密度高，可使用锂金属负极•成本高于传统锂离子电池•寿命更长，电解质不会降解丰田、宁德时代、三星等公司积极投入固态电池研发，预计SDI2025-•温度适应性好，工作范围广年将实现商业化应用，最先应用于高端电子产品和豪华电动汽车2030•可实现更紧凑的电池组设计钠离子电池展望技术原理优势与局限钠离子电池工作原理与锂离子电池类似，但使用储量丰富的钠元素替代•优势锂，通过钠离子在正负极之间的嵌入脱出实现能量储存和释放/•钠资源丰富，价格低主流正极材料包括层状氧化物、普鲁士蓝类材料和聚阴离子化合物，负•可使用铝箔作负极集流体，降低成本极多采用硬碳、软碳等碳基材料，电解液为钠盐有机溶液•安全性好，可完全放电储存运输•低温性能优于锂电池•局限•能量密度较低100-160Wh/kg•循环寿命有待提高•体积能量密度不及锂电池钠离子电池特别适合大规模储能系统和低速电动车等对成本敏感、对能量密度要求不高的领域中国电池企业如宁德时代、比亚迪、中航锂电等已开始钠离子电池产业化布局简单动手实验制作简单原电池所需材料实验步骤•新鲜柠檬（或土豆、苹果等含酸性物质的水果）

1.轻轻挤压柠檬使其内部组织破裂，但不要破皮•铜片（可用铜币或铜线）

2.将铜片和锌片插入柠檬中，保持约2厘米距离•锌片（可用镀锌钉或锌质硬币）

3.用导线将金属片连接到LED两端或万用表导线观察是否发光或测量电压值•

4.LED小型灯或数字万用表可以将多个柠檬电池串联，增加电压•LED

5.实验原理柠檬中的柠檬酸作为电解质，铜和锌之间的电位差驱动电子流动锌作为负极被氧化，释放电子；铜作为正极接收电子，产生约的电

0.9V压这种简易电池能够点亮小型或驱动简单电子设备，生动展示了电池的基本原理LED电池科学热点话题资源争夺锂、钴、镍等电池关键材料资源争夺加剧中国企业积极布局澳大利亚、智利等锂资源国，美国提出关键矿产安全战略随着电动汽车产业扩张，预计到2030年锂需求将增长倍以上，钠离子电池被视为减轻资源压力的重要途径10技术竞争二次电池技术成为国际竞争焦点日韩在高端电池材料和制造工艺上优势明显，中国在产能规模和成本控制方面领先，欧美加速追赶并注重前沿技术研发固态电池、锂硫电池等新技术成为各国战略布局重点回收与再利用随着第一代电动汽车电池逐渐退役，电池回收产业迅速发展梯次利用延长电池寿命，提高经济性；回收技术进步降低成本，提高金属回收率闭环电池供应链成为行业趋势，中国已建立较完善的动力电池溯源管理体系主要电池制造商介绍宁德时代CATL全球最大动力电池制造商，市场份额约37%，主要为特斯拉、大众等供应动力电池技术路线全面，包括磷酸铁锂、三元锂、钠离子电池等，在储能领域也占据领先地位位于福建宁德，已建立全球化生产网络比亚迪全球第二大动力电池制造商，同时也是领先的电动汽车制造商专注于磷酸铁锂技术，开发的刀片电池安全性高、成本低，已开始向其他汽车厂商供货垂直整合程度高，拥有从电池材料到整车制造的完整产业链化学LG韩国领先的电池制造商，在高能量密度和高功率电池领域技术领先，为通用、福特等提供动力电池三元锂电池技术优势明显，在美国、波兰等地建有生产基地，产品覆盖消费电子、电动汽车和储能系统松下最早实现锂离子电池商业化的企业之一，与特斯拉合作建立超级工厂电池安全性和一致性享有盛誉，在高端电池市场份额稳定专注于高镍三元材料开发，同时也在研发固态电池技术小结与思考电池技术的重要性未来发展方向随着能源转型和电气化趋势加速，电池作为能源转换的核心器件，其重•动力电池向高能量密度、长寿命、快充方向发展要性日益凸显从微小的可穿戴设备到大型电网储能系统，电池技术的•储能电池强调低成本、高安全、长循环寿命进步正在改变我们生产生活的方方面面•材料多元化，减少对关键矿产依赖电池技术是清洁能源发展的关键支撑，解决了可再生能源间歇性问题；•智能化电池管理，延长使用寿命同时也是交通电动化的核心，推动全球向低碳社会转型•全生命周期管理，实现资源循环利用互动与复习电池分类复习请回顾本课程学习的电池分类方式，并思考各类电池的优缺点和适用场景能否根据应用需求，选择最合适的电池类型？电池原理思考电池将化学能转化为电能的过程中，电子和离子分别如何流动？充电和放电过程中反应方向如何变化？这些基本原理如何指导我们正确使用电池？未来技术展望在学习了多种新型电池技术后，你最看好哪一种？为什么？考虑能量密度、成本、安全性、资源丰富度等多方面因素，分析其商业化前景实践应用思考如何将本课程所学知识应用到日常生活中？例如，如何正确使用和维护手机电池，延长其使用寿命？如何评估和选择适合特定应用的电池产品？。