电动汽车?带你“锂”解她的内心 | 线上科学日 第5弹

作者: ikkiikki

来源: 中科院物理所

发布日期: 2016-06-19 09:17:28

本文详细介绍了特斯拉电动汽车的锂离子电池技术,从电池的结构、工作原理到特斯拉公司的历史和创始人埃隆·马斯克的成就,以及锂离子电池在实验室中的研究过程和应用。文章旨在传达电动汽车背后的科学原理和技术创新,以及科学工作者的辛勤付出。

现在已经到了“仔细看”系列的第三期了,上次我们回顾了一下电影终结者中的液态金属机器人在实验室中的形态,并比较系统地了解了它的性质和其背后的原理。这一次我们要讲解的东西……还是上图吧!

好了,大家看出来这是什么了吗?

——是的,这是美国特斯拉公司在2015年发布的第三款车型——Tesla Model X。该车对于大众最大的印象大约是它独特的开门方式吧……但是不要忘了特斯拉几代汽车最根本的特点,也是让它的诞生成为在汽车发展历史上一个标志性事件的那个特点。想到了吗?

——没错,那就是特斯拉的根本动力来源——锂离子电池。

电动汽车最近几年在我国还是非常火的,具体为什么……相信大家说的都比小编我深刻……咱们只是找个典型代表特斯拉说说事。(其实我国有很多公司,比如比亚迪、北汽、江淮等等,都做出来了很多优秀的电动汽车车型)

说到特斯拉呢,有个人就不得不提了……是的就是下面这个人,特斯拉公司的投资人。

埃隆·马斯克(Elon Musk)1971年6月28日出生于南非,到2011年6月的40年里,他成功地设计并卖出一款视频游戏(在他12岁时);获得两个学士学位;参与设计并卖出网络时代第一个内容发布平台;担任美国最大的私人太阳能供应商Solar City的董事长;参与创立和投资PayPal,世界最大的网络支付平台;参与设计能把飞行器送上空间站的新型火箭,价格全世界最低,研发时间全世界最短;投资创立生产世界上第一辆能在3秒内从0加速到60英里的电动跑车的公司,并成功量产(说的是特斯拉第一代产品Roadster)。

回到正题,今天咱们就聊聊锂离子电池。上来就讲原理不太好,会让小编我很紧张。

那么我们还从特斯拉汽车讲起……据说有个外国的土豪买了一辆特斯拉Model S 85(Model X的前代)……然后拆掉了……发现有将近900公斤重的电池组(基本上快到整个汽车的一半的重量了),85 kWh,400V直流输出,一共7104颗18650电池(好多数字记的好累)还有说到18650电池呢,是指直径18mm高度65mm的圆柱形电池,是制作工艺最为成熟的锂离子电池型号之一,而且很常见哦~让我们看看都哪里可以看到这种电池:笔记本电脑电池、充电宝、电动自行车电池、航模车模电池等很多电池用的都是这种电池。

所有的电池都有正负极,锂离子电池也不例外,至于具体结构呢有点像三明治。简单点说(注意看图)从上往下依次是正极集流体(铝箔)、正极活性物质、隔膜(在图里面没有标注,在正中间)、负极活性物质、负极集流体(铜箔)。同时在这之间要添加电解液,电解液的作用后面会说到。

好了,是时候进入我们所的实验室看看啦~这是我们所锂离子研究组做出的一些成果,各种电池。

嗯……车模是买的,装饰用……有同学就说了,你们天天都做这么大的电池吗,好厉害!是不是你们自己的电动车的电池都是自己做的?……不是的……在早期研究中我们用的更多的是扣式电池。什么是扣式电池呢?

嗯……这就是扣式电池,典型的三明治结构~将三明治叠好之后要把它压好让其内部电接触良好且密封,用的是专门的压机哦~感兴趣的同学可以去文章末的视频中看整个扣式电池的安装过程~整个组装过程是在手套箱中,保护性氩气气氛下进行的,为什么呢?首先为了保证测试结果的可靠性,涂有电极材料的极片不要放置在空气中,以免吸水变质(我们还经常使用金属锂作为对电极,空气中的氧气会让其表面生成氧化膜,那样就不能正常工作了)。

其次就是有机电解液是不能见空气的,一旦吸水会变质,而且会产生氟化氢气体,那是一种会腐蚀人体的气体哦……所以,遇到破损的电池请尽快处理掉……还有不要啃电池……说你呢这位小朋友!

不过通过本期科学日专栏,小编想传达的一个信息是:你们看得到特斯拉的炫酷的外形,看得到她炫酷的触控操作方式,感受得到她的舒适和快速,但是你真正理解她吗?

虽然小编说了这么多,但只是讲解了特斯拉的储能技术原理的一部分(是的,只是一部分,因为由于篇幅所限并没讲解电池控制的电子电路部分,可以称之为电池的大脑的东西,而且这是特斯拉的关键核心技术之一)电子电路部分讲到底是各种逻辑门,再基理是半导体PN结,再基理是固体物理能带理论量子力学……很多看似炫酷的东西的背后的工作是枯燥乏味的……没错,这就是我们科学工作者的工作状态,也就是你所看到的炫酷的背后的枯燥无趣low品味的展品。

但是正是这些枯燥乏味的付出成就了你我所看到的炫酷。

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