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開聊電動汽車-動力電池篇

發布人:三德子 時間:2022-04-25 來源:工程師 發布文章

歲月如流水,彈指一揮間,幾度秋風起,轉眼好幾年。這不,灑家剛眨了幾下眼,大女兒已經上了三年級了。

時間,竟是這般不經過的么?

灑家向來是多愁善感,傷春悲秋慣了的,尤其這幾年,遭遇了不足為外人道的大變故,心思更是敏感了些許。但是,當大寶上了三年級,妻子把課業輔導任務交棒給我時,我竟是遲鈍得很,欣欣然地接過了這個雷。

我真傻,真的,我單知道妻子學習差,才會自覺地把這個光榮艱巨的任務交給我。我不知道,這個任務竟然有時會讓我力不從心。 

比如,剛剛小學三年級,就要開始寫命題作文了?掰著腳指頭算一算,距離灑家最后一次正兒八經地寫命題作文,已經過去整整二十來年了??! 

那不堪回首的最后一次,還是在高考場上。灑家憑借著微弱的想象,抄襲起老師在課堂上讀過的一篇范文,結果,很自然地寫成了一坨屎,從此無緣C2,只能C9了。 

小樓昨夜又東風,往事不堪回首,月明中。。。

虞美人.jpg 

說起來,灑家之所以對命題作文心生恐怖,許是因為灑家行文總是興之所至,天馬行空,以筆為刀卻不講章法,沒啥天分卻總想做那雪中悍刀行之瀟灑。 

說白了,就是寫半天,還點不到題上! 

比如今天這一篇,寫到這里,各位看官肯定想不到,灑家今天想跟大家聊的其實是電動汽車的三電技術之電池篇。 

1-三電

 

許久沒有碼字,諸君也許已經淡忘了灑家的寫作風格,且讓灑家再提個醒~~ 

文風上,堅持詼諧幽默,讓子彈飛里,姜文想站著把錢掙了,灑家不才,也想著您會心一笑著還能把知識點學了。 
內容上,只講盲點,想他人之未想,講他人之未講。畢竟,知乎上的技術科普貼滿天飛,雖然大都像懶婆娘的裹腳一樣又臭又長,但也滿滿的知識點不是? 

總之,我還是我,是顏色不一樣的煙火。
 

閑言碎語不要講,講電池,還是要先從三電說起。 

于謙老師有三大愛好:抽煙、喝酒、燙頭。汽車的電動化也有三大技術-電池、電機、電控。 

電池供電,電機出力,電控居中調度。 

關于三電,灑家有個不大到位的比喻:把電動汽車比作一位小姐姐的話,電池是她那需要小心呵護、熱不得也冷不得的小心臟,電機是她那可以瞬間爆發卻虎頭蛇尾不了了之的精氣神,電控是她那管天管地、也管中間空氣的大腦袋。 

灑家覺得,“三電”更多是一種營銷上的概念,強行對比傳統燃油車“三大件”搞出來的概念。和燃油車發動機、變速箱、底盤三大件不同的是,電池、電機和電控并非可以并駕齊驅的三巨頭。 

原因很簡單,在電池面前,電機和電控根本不是個個兒。 

我們拿新勢力里面的某高端車型舉例算一算好了。這款車電池包100度電,采取的是前160kW永磁同步電機后240kW感應電機的配置。 

目前,三元鋰的成本大概是1度電800元(磷酸鐵鋰更便宜一些,大概在一度電600元),100度電就是8萬。 

永磁同步電機成本大概是1kW 30元,感應電機大概是1kW 20元,成本算下來是9600塊。 

電機成本只是電池成本的八分之一而已。 

當然,三電這種說法就是一種“名相”,塵歸塵,土歸土,既然一切萬物歸于主,也不用覺得誰的說法虎。 

佛說,凡所有相皆是虛妄。太祖當年也曾對佛教協會會長趙樸初說,趙樸初,既非趙樸初,是名趙樸初也,各位看官深思之。。。

 

2-電池

直接上圖,鋰離子電池的放電機理如下所示。 

外電路接通后,電子、鋰離子從負極一道出發,水陸并進,在正極勝利會師。 

鋰電池充放電.jpg 

2.1 為什么是鋰 

電池會放電,這是一個基本事實。但是,這里面,有一個讓不懂風情的理工直男迷惑不解的問題: 

電子本來在負極呆得好好的,為什么外電路一通,它就迫不及待地要跑到正極去呢?鋰離子也是,就不能敵動我不動,一動也不動嗎? 

難道說,每個電子都是見異思遷的渣男?這幫鋰離子也如此這般耐不住寂寞?
 

佛陀曰,凡事有因必有果,馬克思老爺子說,在這個唯物的世界里,物質是第一性的因,精神是第二性的果。 

電子之所以躁動不安,鋰離子之所以蠢蠢欲動,最本質的原因就是‘鋰’本性如此!
 

讓鋰原子里的質子約束電子?嬪妾做不到??! 

大家小時候可能都搖頭晃腦地背過元素周期表,“氫氦鋰鈹硼,碳氮氧氟氖。。?!?,在元素周期表中,位置越靠前,原子核中的質子就越少,原子核對電子的束縛能力就越弱,從化學角度來看,表示它越容易發生氧化還原反應。 

諸君請看,鋰的位置相當靠前,表明其活性很高,游蕩在原子核外層的電子很活潑,時刻準備著放飛自我。 

巧了么不是,這不巧了么不是? 

所以,外電路接通時,負極中的鋰原子釋放出電子,帶負電的電子通過外電路遷移到正極,同時,帶正電的鋰離子通過電解液遷移到正極,兩者再在正極還原成鋰原子。 

就這? 

當然不是,原理這么簡單的話,何至于到了上個世紀九十年代,鋰離子電池才千呼萬喚始出來呢?

 

2.2 鋰離子電池 

實際上,上述過程更接近更早發明的鋰金屬電池的反應過程,而在鋰離子電池里面,并不存在單獨形態的鋰原子。鋰離子電池電池正極含鋰金屬復合氧化物,負極則是層狀結構的石墨。“鋰”只以復合物的形式存在。 

當然,嚴謹起見,也不是說鋰離子電池中不會出現鋰原子,在過充時,鋰離子沖得猛,電子來得快,于是,天雷勾動地火,它倆就意外地緊密結合了,成了真正的鋰原子,當然,也成了令人聞之色變的鋰枝晶! 

鋰枝晶是啥?想想這幾年,路面上有多少電動汽車著火了?這個世界,真的是從來都不缺少意外??! 

言歸正傳。 

正常靜置狀態下,鋰離子堆積在石墨層中,電子聚集在負極板上,它倆異性相吸,維持著脆弱的平衡。 

一旦外電路結合,高濃度電子便開始向正極擴散。鋰離子也從石墨中脫嵌,通過電解液向正極遷移,最后,在正極側結合電子,發生氧化反應,形成金屬復合氧化物。 

電子之所以馬上跑路,是因為當電池體系處于平衡狀態時,正負極之間“自然而然”存在著一個叫做EMF的電勢差,它是電池體系中客觀存在的一個物理量。一旦鵲橋鋪就,電子就馬上一枝紅杏出墻來。 

等一下,電子跑了好理解,本就滿園春色關不住,可鋰離子怎么也跟著不管不顧地跑了呢? 

你說這個世界復雜吧,它有時候很復雜,你說它簡單吧,三言兩語也能講明白。 

還是那句老話:同性相斥,異性相吸! 

想一想吧,電子跑了,聚集在負極板上的電子少了,脆弱的平衡就被打破了。 

現在國內男多女少,好多光棍就惦記上了烏克蘭的金發碧眼、膚白貌美、細腰大長腿的美女,既然電子少了,吸不住那么多帶正電的鋰離子了,鋰離子自然就從石墨中脫嵌,通過電解液向正極遷移了。 

再開一點腦洞,如果電子離開了負極而鋰離子沒有離開,整體中性的負極就變得陽剛無比了,電子就會被負極緊緊吸住,脫離不得。 

愛,從來都是雙向的奔赴!

雙向奔赴.jpg 

所以,在外電路不通的狀態下,電池只是維持著一個動態的平衡,一旦搭上線,天雷勾動地火,這個平衡就被打破了。 

這跟當下的世界是何其相似呀!俄烏沖突爆發之前,這個世界一度歲月靜好,結果,普京大帝萬字檄文,十萬大軍一揮,世界就變成了戰爭與熱火。 

只是,誰是做局者,誰是入局者,又有誰分得清呢?就好像在鋰離子電池里面,你說,主導者是電子呢,還是鋰離子呢? 

元素周期表里那么多元素,誰還不帶電子呢,可是,鋰離子也說了: 

我不生產電,我只是電能的搬運工!



文:蘭陵笑笑生

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關鍵詞: 電動汽車 鋰電池

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