特斯拉Model S采用18650圓柱形鋰電池——這點基本已是路人皆知了，但這種電池的內(nei) 部構造是什麽(me) 樣的？它是如何工作的？為(wei) 什麽(me) 可以實現充放電功能，它的性能由什麽(me) 決(jue) 定？電池除了圓柱形以外還有什麽(me) 其它形態？你清楚嗎？以下我們(men) 將從(cong) 電池的結構及材料為(wei) 大家解讀其工作原理。

■詳解

從(cong) 電池的構造和原理不難了解，電池的帶電性能（包括能量密度和充放電性能）主要取決(jue) 於(yu) 正極材料的失去電子能力。從(cong) 元素周期表中不難發現，鋰是最適合作為(wei) 正極材料的金屬材質。而負級材料的攜帶電子和離子性能也決(jue) 定了電池的能量密度。當前不管使用什麽(me) 樣的材質或工藝，總是逃不掉的一個(ge) 矛盾就是能量密度越高電池的穩定性越差。特別是新材料的使用，雖然在實驗室能夠獲得超出目前量產(chan) 電池很多倍的充放電性能，不過一旦用在環境複雜多變的汽車上就會(hui) 變得極不穩定。所以電池性能的提升並不能像芯片一樣那麽(me) 快，但隨著科技的進步，電池性能也在被緩慢的改進。

目前相對主流的包括18650電池上使用的是石墨。這種材料價(jia) 格便宜，表麵孔洞密度高，在天然材質中是屬於(yu) 平衡成本和效益的最佳材質。當然研發人員也在嚐試用矽作為(wei) 負級材料，它擁有比石墨更好的物理性能。另外，通過人工製造的納米材料也可以用於(yu) 負級，負級材質孔洞越小能夠攜帶的電子就越多，不過後者還處於(yu) 實驗室研發階段。

你一定曾想象過，把鋰電池單體(ti) 扒開，看看裏麵到底有什麽(me) 。當然這樣做是很危險的，我們(men) 可以用模擬的方式帶大家了解鋰電池內(nei) 部的構造。

電池被打開後，可以清晰的看到內(nei) 部構成的材料和構造形態，它的正電極是由金屬鋁製成，負電極是由金屬銅製成。之間還有電解液和石墨，並且在兩(liang) 個(ge) 電極之間還有一層隔膜。這就是一個(ge) 18650圓柱形電池的基本構成形態。

之所以鋰電池要選擇鋰這種金屬元素作為(wei) 核心材料，是因為(wei) 鋰在元素周期表中屬於(yu) 比較活潑的金屬，比較容易失去電子。所以用鋰作為(wei) 電池材料可以提高單體(ti) 電壓。

電解液中的鋰離子（離子狀態的鋰元素）需要在電池中能夠充分流動，但電子必須被隔絕，否則會(hui) 引起短路。

在不帶電狀態下，鋰離子和電子都被束縛在了正極一端，鋰離子會(hui) 與(yu) 正極材料形成化合物，此時處於(yu) 穩定狀態，但電池本身不具備什麽(me) 電勢能。

一旦給電池充電，電子就會(hui) 隨著外部導線在外部電源的作用下移動到負級，並儲(chu) 存在負級材料中，鋰離子也會(hui) 透過隔膜被吸引到負級材料中儲(chu) 存，此時電池處於(yu) 高勢能狀態（也就是帶電狀態）。負級材料由石墨製成，由於(yu) 石墨具有蓬鬆的孔狀結構，所以能夠束縛電子。負級發生的並非化學反應，而是物理反應，鋰離子和電子並沒有在負級形成化合物，而是通過物理手段把他們(men) 束縛住，從(cong) 而產(chan) 生電勢能。

一旦給電池接入外部負載，電子就會(hui) 隨著導線流入正極，從(cong) 而驅動負載做功，此時鋰離子也會(hui) 透過隔膜返回到正極材料中。在正極材料中，鋰離子和電子再次相遇，形成穩定狀態的化合物。

當然，如果正負極之間的隔膜一旦失去絕緣作用，電子直接從(cong) 電池內(nei) 部奔向正極就會(hui) 形成短路，從(cong) 而引發爆炸，所以隔膜的穩定性對鋰離子電池的安全起到了至關(guan) 重要的作用。

隔膜是一種化學材料，它具備兩(liang) 個(ge) 重要特性：既可以絕緣（防止電子通過）又可以透氣（能夠讓鋰離子順利通過）

▲可以阻隔電子流動但不會(hui) 阻隔鋰離子流動的隔膜

在一個(ge) 新的電池單體(ti) 開始工作時，隨著鋰離子透過隔膜的左右遷移（從(cong) 正極到負極，從(cong) 負極到正極的過程），會(hui) 在隔膜的負級一側(ce) 形成一層SEI鈍化層，這個(ge) 鈍化層可以讓電池變得更加穩定，研發人員通過大量實驗計算出了最佳的厚度。這個(ge) 過程大概需要消耗掉5%左右的鋰離子，所以會(hui) 影響一部分電池容量。

在18650電池當中，負級的電極是由銅製成的，正極則是由鋁製成的。將石墨塗抹到正極材料上，再將鋰化合物塗抹到負級材料上就形成了電極。

▲在電極之間插入隔膜就形成了鋰電池的雛形

再將電極和隔膜蜷曲成圓柱形再加入電解液，然後密封，就形成了我們(men) 需要的圓柱形18650鋰電池。

18650電池的放電電壓為(wei) 3伏到4.2伏，在放電過程重，電壓也會(hui) 隨之降低，一旦單體(ti) 電壓低於(yu) 3伏就會(hui) 有損壞的風險。

所以我們(men) 需要一套電池管理係統來保護每一個(ge) 電池單體(ti) 不被過度充放電，這套係統簡稱BMS。在每一個(ge) 由單體(ti) 構成的電池組中都配備了一套BMS控製係統。

由於(yu) 環境溫度對電池的充放電影響極大，要想讓這麽(me) 多電池單體(ti) 在盡可能相同的溫度下工作，還需要設計一套冷卻係統。特斯拉采用了乙二醇作為(wei) 冷卻介質，也就是我們(men) 俗稱的水冷係統。這套係統可以保證每個(ge) 電池單體(ti) 的溫度盡可能一致，從(cong) 而保證充放電程度盡可能一致。

日產(chan) LEAF采用的是軟包電池單體(ti) ，它的電極沒有被卷曲，而是直接層疊而成，原理與(yu) 上麵介紹的圓柱形電芯一致，隻是外部形態看起來有所區別，物理特性上也會(hui) 由一些區別。特斯拉Model S采用的是圓柱形電芯構成的電池組。

軟包形的電池單體(ti) 在設計成電池組時，單體(ti) 與(yu) 單體(ti) 之間縫隙更小。所以同樣帶電量的情況下，軟包電池的體(ti) 積更小。空間利用率更高，便於(yu) 電動車的總布置。並且軟包電芯比圓柱形電芯有更好的防穿刺安全性能。當然，圓柱形電池由於(yu) 其卷曲工藝，使得能量密度相對較高，並且電芯之間通過布置乙二醇水冷係統可以讓電池更加穩定的工作。特斯拉新款的Model 3采用的21700電芯仍然是圓柱形。