新能源汽车锂离子电池课程教学设计

新能源汽车锂离子电池课程教学设计
一、任务引入
（时间： 5分钟）
【知识回顾】
1.镍氢电池的结构原理及特点
2.镍氢电池的充放电特性。

【任务分析】
本次课学习内容包括锂离子电池的结构、原理和主要材料及充放电特性和优缺点。

【目标要求】
1.了解锂电池的类
2.掌握锂电池的结构和工作原理
3.了解锂电池正负极材料
【教学活动设计】
教师活动：创设情境，展示教具；学生活动：体会场景，感知实物。

二、知识准备
（时间：40分钟）
【相关知识】
1.导入新课
锂离子电池是1990年由日本索尼公司首先推向市场的新型高能蓄电池，是目前世界上最新一代的充电电池。

与其他蓄电池相比，锂离子电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点，它已成为未来电动汽车较为理想的动力电池。

下面我们起进入锂离子电池的学习。

2.讲授新知识
引导问题：锂离子电池的结构特点及使用情况？
教学开展：设置问题引导学生自学，并答疑提问和学生一起总结。

一、锂电池简介
锂离子电池:是一种二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。

在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态;放电时则相反。

电池一般采用含有锂元素的材料作为电极，是现代高性能电池的代表。

二、锂离子电池的分类
（1）按照锂离子电池外形形状，可以分为方形锂离子电池和圆柱形锂离子电池。

（2）按照锂离子电池所用电解质材料不同，可以分为聚合物锂离子电池和液态锂离子电池。

（3）按照锂离子电池正极的材料不同，可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池或镍钴锰锂离子电池。

第一代车用锂离子电池是锰酸锂离子电池，成本低，安全性较好，但循环寿命欠佳，在高温环境下循环寿命更短，高温时会出现锰离子溶出的现象。

第二代是具有美国专利的磷酸铁锂离子电池，是锂离子电池的发展方向，由于原材料价格低且磷、铁、锂的资源丰富，且工作电压适中，充放电特性好，高放电功率，可快速充电且循环寿命长，高温和高热稳定性好，储能特性强，完全无毒。

三、锂离子电池的结构
锂离子电池由正极、负极、隔板、电解液和安全阀等组成。

圆柱形锂离子电池结构如图P96所示。

四、锂离子电池的工作原理
锂离子电池正极材料采用锂化合物LiCoO2、LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物LixC6，电解液为有机溶液。

锂离子电池的工作原理，电池在充电时，锂离子从正
极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。

在整个充放电过程中，锂离子往返于±极之间。

充电时:xLi + xe + 6C →L ixC6
放电时:LixC6 → xLi + xe + 6C
锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。

锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。

锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。

在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极
用插入或脱插表示）。

在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为"摇椅电池"。

当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。

而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。

同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。

回正极的锂离子越多，放电容量越高。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。

而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。

就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

五、锂电池的正极材料
六、锂电池的负极材料
七、锂离子电池的特点
锂离子电池有许多显著特点，它的优点主要表现为：
（1）工作电压高。

锂离子电池工作电压为3.6V，是镍氢和镍镉电池工作电压的3倍。

（2）比能量高。

锂离子电池比能量已达到150Wh/kg，是镍镉电池的3倍，镍氢电池的1.5倍。

（3）循环寿命长。

目前锂离子电池循环寿命已达到1000次以上，在低放电深度下可达几万次，超过了其它几种二次电池。

（4）自放电率低。

锂离子电池月自放电率仅为6~8%，远低于镍镉电池（25~30%）和镍氢电池（15~20%）。

（5）无记忆性。

可以根据要求随时充电，而不会降低电池性能。

（6）对环境无污染。

锂离子电池中不存在有害物质，是名副其实的“绿色电池”。

（7）能够制造成任意形状。

锂离子电池也有一些不足，主要表现在：
（1）成本高。

主要是正极材料LiCoO2的价格高，但按单位瓦时的价格来计算，已经低于镍氢电池，与镍镉电池持平，但高于铅酸蓄电池。

（2）必须有特殊的保护电路，以防止过充。

【教学活动设计】
教师活动：讲授知识，讲演结合；学生活动：理解结构、原理、性能。

三、任务实施
（时间：30 分钟）
【任务实施】
汽车用锂电池的检测
1.基本设备
一组汽车用锂电池。

2.操作步骤
汽车用锂电池的结构特点、性能参数检测。

3.具体操作
【步骤一】示范操作
【步骤二】学生操作训练或课堂实践
4.适任评估
对任务效果进行检验评价。

1.评估要素
结合能力要求
2.评估标准
①操作准确、熟练（100％×满分）；②操作准确、较为熟练（80％×满分）；③熟练程度一般、能完成操作（60％×满分）；……
【教学活动设计】
教师活动：示范操作，突出要领；学生活动：工学结合，学做合一。

四、项目拓展
（时间：10分钟）
我国电动汽车锂电池应用现状。

五、课堂总结
（时间：5分钟）
【任务总结】
本次课学习内容包括锂离子电池的结构、原理和主要材料及充放电特性和优缺点。

【教学活动设计】
教师活动：知识归纳；学生活动评价..；学生活动：提问；分享交流...。