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動力鋰離子電池基本知識

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年08月16日  

鋰離子動力鋰離子電池是目前比較環保的新能源電池之一,我們從鋰離子動力鋰離子電池材料、結構、分類、使用環境溫度和優缺點這幾方面來深入理解鋰離子電池。


1、鋰離子動力鋰離子電池材料項目


目前較為常用的鋰離子電池材料有鉆酸鋰、鎳酸鋰以及錳酸鋰。用得最多的材料是鉆酸鋰,循環性能好,制造也方便,缺點是鉆化合物價格較貴。鎳酸鋰的因為性質不穩定,制造困難,通常用得較多的是鉆酸鋰摻雜鎳的化合物,又稱鎳鉆酸鋰。錳酸鋰也是非常好的材料,在高溫下錳酸鋰的衰減比較快等諸多原由,目前使用多數還停留在試驗室階段。


磷酸鐵鋰離子電池的磷酸基正極材料依其超長的循環壽命,極好的安全性能,較好的高溫性能,極其低廉的價格,而且低溫性能和倍率放電已經可以達到鉆酸鋰的水平等,使其成為最有希望的動力鋰離子電池材料。


2、鋰離子動力鋰離子電池的結構


電池一般包括:正極(positive)、負極(negative)、電解質(electrolyte)、隔膜(separator)、正極引線(positivelead)、負極引線(negativeplate)、中心端子、絕緣材料(insulator)、安全閥(safetyvent)、密封圈(gasket)、PTC(正溫度控制端子)、電池殼。一般大家較關心正極、負極、電解質。


3、鋰離子動力鋰離子電池分類


(1)按照電池外形


圓柱形鋰離子電池:目前緊要為18650(直徑18mm,長度65mm)和26650(直徑26mm,長度65mm)兩種型號,緊要使用于筆記本和電動工具范疇;


方形鋰離子電池:種類較多,緊要使用于手機、數碼相機等范疇;


扣式鋰離子電池:可滿足計算機、攝像機等對高比容量和薄型化的要求;


(2)按使用溫度


高溫鋰離子電池:緊要使用于、航天等范疇,民用范疇緊要是汽車的GPS范疇;


常溫鋰離子電池:目前商業化的鋰離子電池基本丟只能在-20~45℃范圍內工作;


低溫鋰離子電池:目前商業化的鋰離子電池基本丟只能在-40~55℃范圍內工作;


(3)按電解質的狀態


液態鋰離子電池:電解質為有機溶劑+鋰鹽;


聚合物鋰離子電池:聚合物的基體緊要為HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等;


全固態鋰離子電池:還處在試驗階段;


(4)按外殼材質


鋼殼鋰離子電池:密封性較好;


鋁殼鋰離子電池:質量輕;


鋁塑膜鋰離子電池:電池加工工藝簡單,電池的質量比能量高;


(5)按正極材料分類


鉆酸鋰離子電池:使用最廣,振實密度高,比能量高,電壓平臺穩,但是原來貴,對環境有污染,安全性差;


錳酸鋰:三維隧道的結構,鋰離子可以可逆地從尖晶石晶格中脫嵌,不會引起結構的塌陷,因而具有優異的倍率性能和穩定性。環境友好,但能量密度低、高溫性能大;


磷酸鐵鋰離子電池:比表面積大,能量密度高,循環性能好,材料批量化加工很難達到較高的一致性,低溫放電性能不好;


(6)按負極材料分類


石墨:電導性好,結晶度高,具有良好的層狀結構適合Li的脫嵌,容量在300mAh/g以上,充放電效率90%以上,良好的充放電平臺;


軟碳:結晶度低,晶粒尺寸小,與電解液相容性好,輸出電壓低,無分明充放電平臺,不可逆容量較高,基本沒商業化;


硬碳:Li嵌入不會引起膨脹,又良好的充放電循環性能,較高的比容量,可達到400mAh/g以上,并且低溫性能好,是理想的電動汽車電池負極材料,日本已經商業化;


鈦酸鋰:“零應變”材料,電位較高不會形成鋰枝晶,目前研究較熱,但由于脹氣問題至今未得到大規模使用;


硅基:超高的比容量,但由于粉化問題,無法真正使用,仍處于試驗室研究階段;


4、鋰離子動力鋰離子電池使用的環境溫度


目前鋰離子動力鋰離子電池使用的環境溫度最低-40℃,最高70℃;而溫度范圍為-40℃——50℃,-20℃——60℃;


不同溫度下,鋰離子電池放電能力和放電容量也會不同,一般說在常溫下放電性能是最好的,其他高溫或是低溫,放電性能都會降低。


5、鋰離子動力鋰離子電池優勢與不足


鋰離子動力鋰離子電池優勢


a、電壓高:單體電池的工作電壓高達3.7-3.8V(電芯電壓最高可充到4.2V),是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍。


b、比能量大:目前能達到的實際比能量為555Wh/kg左右,即材料能達到150mAh/g以上的比容量(3-4倍于Ni-Cd,2-3倍于Ni-MH),已接近于其理論值的約88%。


c、循環壽命長:一般均可達到500次以上,甚至1000次以上,磷酸鐵鋰的可以達到2000次以上。有關小電流放電的電器,電池的使用期限,將倍增電器的競爭力。


d、安全性能好:無公害,無記憶效應.作為Li-ion前身的鋰離子電池,因金屬鋰易形成枝晶發生短路,縮減了其使用范疇:Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環境有污染的元素:部分工藝(如燒結式)的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”,嚴重束縛電池的使用,但Li-ion根本不存在這方面的問題。


e、自放電小:室溫下洋溢電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為2%左右,大大低于Ni-Cd的25-30%,Ni、MH的30-35%。


f、可快速充放電:充電30分鐘容量可以達到標稱容量的80%以上,今朝磷鐵電池可以達到10分鐘充電到標稱容量的90%。


g、工作溫度范圍高:工作溫度為-25~55°C,隨著電解液和正極的改進,期待能擴寬到-40~70°C。


鋰離子動力鋰離子電池缺點:


a、衰老:與其它充電電池不同,鋰離子電池的容量會緩慢衰退,與使用次數無關,而與溫度有關。可能的機制是內阻逐漸升高,所以,在工作電流高的電子產品更容易體現。用鈦酸鋰取代石墨仿佛可以延長壽命。


儲存溫度與容量永久損失速度的關系:


充電電量儲存溫度0℃儲存溫度25℃儲存溫度40℃儲存溫度60℃


40%~60%2%2%/年4%/年15%/年25%/年


100%6%/年20%/年35%/年80%/六月


b、不耐受過充:過充電時,過量嵌入的鋰離子會永久固定于晶格中,無法再釋放,可導致電池壽命短及產氣造成氣鼓。


c、不耐受過放:過放電時,電極脫嵌過多鋰離子,可導致晶格坍塌,從而縮短壽命及產氣造成氣鼓。


d、要多重保護機制:由于錯誤使用會減少壽命,甚至可能導致爆炸,所以,鋰離子電池設計時新增了多種保護機制。


保護電路:戒備過充、過放、過載、過熱。


排氣孔:戒備電池內部壓強過大。


隔膜特性:有較高的抗穿刺強度,戒備內部短路;在電池內部溫度過高時還能融化,阻止鋰離子通過,阻滯電池反應,升高內阻(至2kQ)。


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