电池训练营 (第一部分)

Battery Boot Camp (part I)

Hello 大家好，欢迎来到小明的自习室，我是爱学习的小明。录这个视频主要是想在学习电池知识的同时做做笔记，以便加深映像；另外也算抛砖引玉，希望和行业内的小伙伴交流讨论，大家共同进步。

那么，首先我来做一下简单的自我介绍：本人于2009年进入吉林大学化学院学习，2013年本科毕业后进入物理学院的电池实验室攻读硕士学位，期间从事二维电池材料的研究，然后在2016年毕业加入宁德时代，从事动力电池的开发工作；在经历了大厂的洗礼后，先后于2018年秋天和2022年春天分别加入大众汽车和华人运通，从整车厂视角开发电池；今年春天来到了目前就职的柯锐世，从事车用低压电池的开发。

从2013到2023，接触电池10年来也积累了一些经验和感悟，希望通过视频的方式得以保留，并分享给同路人。

OK，下面介绍下视频内容的来源及作者：这篇笔记主要围绕左边这本书《Battery Modeling》展开，是一本介绍电池管理系统基础知识的书，它的作者是右边这位叫Gregory的教授，他目前就职于科罗拉多大学的电气与计算机工程学院，大家如果有兴趣可以访问Gregory教授的大学主页，里面有更详尽的研究课题介绍和实验室简介。这本书不仅深入浅出地介绍了电池的物理化学特性和建模规则，并且很良心地分享了建模基础数据和模型代码，方便读者练习和模拟，我也会将书籍和相关资料下载链接放在视频结尾，以便大家取用。讲述地过程中如有错误或疑问，请大家在视频下方留言给我，我会及时改正和答复。

那么，下面介绍下本书的主要章节：分别是第一章 电池训练营，第二章 等效电路模型，第三章 微尺度电芯模型，第四章 连续尺度电芯模型，第五章 状态空间模型与离散时间实现算法，第六章 降阶模型，以及最后一章 热学建模。本期为第一期视频，我们来介绍第一章 电池训练营。

单体电池通常由一些主要零部件组成，包括：负极、正极、电解液和隔离膜，其中正负极通常包含集流体。在电化学电池中，负极通常是纯金属，或合金，甚至是氢气，例如汽车的12V铅酸电池的负极是纯金属铅。电池放电时，负极释放电子到外电路，负极表面发生氧化反应；充电时，负极从外电路接收电子，被还原。因此电化学电池中的反应也被称为氧化还原反应。负极也经常被称为阳极，即发生氧化反应的电极，但注意，只有在电池充电时属于这种情况。在电化学电池中，正极通常是金属氧化物、硫化物或氧气，例如铅酸电池的正极是氧化铅。放电时，正极从外电路接收电子，被还原；充电时，正极释放电子到外电路，发生氧化反应。正极通常被叫做阴极，即发生还原反应的电极，但注意，只有在电池放电时属于这种情况。

电解液是一种离子导体，为电极之间的内部离子电荷转移提供介质。电解液通常包括一种液体溶剂，和溶解其中的溶质，其中溶质可提供离子导电率，溶剂可为水或其他有机溶剂。放电时，阳离子向正极移动，阴离子向负极移动，充电时刚好相反。

隔离膜从物理上隔绝了正负极，它既是一个离子导体，又是一个电子绝缘体。它的作用是防止正负极发生内部短路，从而避免电池单体的自放电甚至是热失控。

集流体是用于电子导通并承接正负极活性物质的，它不参与电化学反应，但允许简单的电子导通从而降低电极的电阻。例如，锂离子电池中通常用铜作为负极集流体，用铝作为负极集流体。

电池正负极端子间电压与正负极的材料种类相关，是正负极的电位差。

关于电位，我们通常把标准氢电极作为参比，将氢离子与电子生成氢气的半反应点位定义为0V。那么常见的电极半反应及对应电位可以看右边的列表：具有较低电位的化合物可作为负极，而较高电位的可作为正极。正负电极间的电位差越大，电压就越高。可以看到，表格中的锂具有最低的电位，表示它最容易被氧化。

那么如何更方便且全面地定性分析各元素的氧化或还原性呢？我们可以借助元素周期表，我想大家都不会陌生，尤其是化学专业的小伙伴，可能都经历过背诵全表的日子。通常我们习惯横向比较元素的氧化还原能力，从左向右，氧化性递增，反之，还原性递增。表中的每个格子对应一种元素，左上角标记了元素序数，及原子核中质子的数量；左下角为相对原子质量，基准是一个碳原子质量的十二分之一；右侧的一系列数字代表原子轨道中电子的排列数量，例如右侧的钴原子，核外共有27个电子，4个电子层，每层分别有2、8、15、2个电子。通常当原子最外层电子比次外层多1或2个电子时，电子更容易失去，形成正离子，此类原子还原性较强，例如周期表左侧第1、2列；反之，当原子最外层电子比次外层少1或2个电子时，电子更容易获得，形成负离子，此类原子氧化性较强，例如周期表右侧第2、3列。

相对于传统的依靠氧化还原反应产生电压的一次电池，二次电池因其充放电过程可逆而得到更广泛地应用。例如镍氢电池，依靠金属镍吸附氢的同时不改变镍本身组分的特点而得到商用。

下面开始进入锂离子电池的部分。我们通常可以用左图形式描述一个锂离子电池：图中正负极被化成层状晶体结构，红色小球代表锂离子，可以在充放电过程中自由穿梭于层状结构之间。右图的电极材料表示更加直观，以钴酸锂化学体系为例，左边是负极石墨材料，右边是正极钴酸锂材料，其中锂是以电荷中性的形式独立存储的。每个锂原子的价电子是松散地分布在相邻原子周围的，这让我想起了固体物理和量子力学，电子的空间分布状态其实由它的概率密度函数决定，并不是宏观世界的粒粒可数的状态。正因为如此，锂没有被束缚在某一区域，而是可以自由移动的。锂在电极材料表面嵌入和脱出时，在开放的层状晶体结构内扩散，以平衡电极空穴内锂的浓度。充放电时，锂离子穿梭于正负极材料之间，类似一个摇椅，来回摇摆。因为这种嵌入脱出的方式比电化学反应温和很多，所以锂离子电池具有比其他二次电池更长的寿命。

直到现在，我们将锂电池电极看作质地均一的晶体块，然而微观世界中并非如此。实际上，电极是由数百万个电极颗粒构成的，这样可以增大电极的表面积，让锂离子更容易嵌入脱出，从而降低电池的整体阻抗，提高功率和容量。

例如左上角的图，是一个电池负极的局部扫描电镜照片，展示了不同尺度下石墨的形貌。

右上角是一个电池正极极的局部扫描电镜照片，展示了不同尺度下锰酸锂的形貌。可以看到与石墨材料的明显差异。

下方展示了电极的一个截面图，左边是刀片切开的面，右侧是聚焦离子束切开颗粒的过程，可以看到电极多孔的形貌。与一次电极材料混合在一起的是粘结剂，例如PVDF，还有一些导电添加剂，例如碳黑，用于提高电子导电性，这些添加剂是不具备电化学活性的。

好了，这就是本期视频的全部内容，下期我们将介绍锂电池的材料、生产工艺、失效模式等内容，敬请期待，我们下次再见，byebye!