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锂电池工作原理如何解释(浅谈电动汽车安全吗)

从环保角度来讲,新能源电动汽车显然要优于传统的燃油汽车,而从购买难度上来讲,获取新能源汽车的购买指标也要相对容易,但很多人却仍心存疑虑,这种疑虑在很大程度上源于对新能源汽车安全性的担忧,毕竟多起新能源汽车自燃的例子就摆在眼前,那么新能源电动汽车到底安不安全,是否可以购买呢?

锂电池工作原理如何解释(浅谈电动汽车安全吗)(图1)

让我们先弄清锂电池的原理,之后自然就有了答案。从1799年,伏特发明伏特电堆算起,电池的历史已经有200多年了,而锂电池由于其质量轻、储电量大、可充电等优点而广泛应用于从手机到汽车的各类产品之上,但其实锂电池并不是什么新兴产物,最早发明锂电池的人其实是著名的发明家爱迪生,那么为什么过去都没有使用锂电池呢?因为锂本身是一种化学性质非常活泼的元素,很容易和其它物质发生反应,因此,锂电池一直被闲置了百年。

直到20世纪90年代初,人们才再次想起了锂电池,从此锂电池的发展便一发不可收拾。

那么锂电池到底是什么原理呢?它为什么会拥有质量轻、储电量大和可充电等优点呢?质量轻是因为锂元素仅为6个原子质量,储电量大是因为仅有6个原子质量的锂元素就可以携带一个电荷。

锂电池的原理简单来讲是这样的:将一个正极材料与一个负极材料放置在粘稠的电解液之中,正极与负极用隔膜隔开,以防电子通过,这就是一个简单的锂电池结构。当我们用一个外电路将正极与负极相接并连接电源,此时,受到外接电源的刺激,正极材料之中的锂原子会分解为锂离子和电子,电子通过外电路前往负极,而锂离子则透过隔膜前往负极,两者在负极相遇并重新组合为锂原子,简单来讲就是锂原子由正极前往负极,并在负极累积,这个过程就是我们俗称的充电。

当我们需要用锂电池给用电器供电,同样也是用外电路将正负极相连并连接用电器,此时由于没有外接电源的刺激,锂离子无法留在负极,它会重新分解为锂离子和电子,锂离子透过隔膜回到正极,而电子则通过外电路前往正极,在这个过程中会经过用电器,为用电器提供电能,简单来讲就是锂原子由负极回到正极的过程,也就是我们俗称的放电。

当锂原子全部由负极回到正极,锂电池就没电了,需要再次充电了。锂电池的充电与放电过程,实际上就是锂原子从正极前往负极,再由负极回到正极的过程,理论上不会出现损耗,所以锂电池可以一直使用。当然在实际使用过程中由于会与电解液发生一定程度的反应,损耗还是会发生,电池的寿命还是有限的。

了解了锂电池的结构和原理,就可以说说锂电池的安全性了,锂电池的安全性主要取决于正极材料。

用于装载锂原子的负极材料一般都是石墨,这没有问题,而正极材料主要有两种,一个是磷酸铁,一个是由镍钴锰组成的三元材料,两种材料可谓是各有优劣。

人类再次想起并广泛使用锂电池是20世纪90年代的事情,但以前我们几乎没有听说过锂电池自燃的事情,这是为什么呢?因为以前的锂电池所使用的正极材料是磷酸铁,磷酸铁锂电池的安全性很高,其自燃温度条件需要达到800摄氏度,所以一般很难发生自燃。不过磷酸铁锂电池虽然安全性高,但低温性能很差,只要天气一冷,瞬间没电。

相比之下,三元材料锂电池的低温性能很好,即使是在零下20度仍然能够进行正常的电能输出,而且它的能量密度是磷酸铁锂电池的2倍左右,也就是说相同体积下,三元材料锂电池的电量是磷酸铁锂电池的2倍。

三元材料锂电池的唯一缺点在于自燃温度条件仅为200摄氏度,所以一旦温度过高,则可能发生自燃,又或者电池发生破损,正负极之间的隔膜破裂造成短路,引发温度升高,同样也会自燃。那么现在的新能源电动汽车使用的是哪一种锂电池呢?都有,有的车型采用的是磷酸铁锂电池,而有的车型则采用的是三元材料锂电池。

其实无论是哪一种车型,安全性都是有保证的,因为在车辆出厂前都要经过严格的测试,不论是被动安全性能,还是主动安全性能都要达到相应的标准,而这些标准要远比真实的道路条件苛刻得多。有什么方法可以提高锂电池的安全性呢?其实很多,比如给三元材料锂电池不同电池模块之间使用特殊材料进行隔离,以保证一块电池出现问题不会波及其它电池,如此安全性能自然就大大提高了。

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