锂离子电池结构、工作原理、材料分类等全面知识介绍

来源:诺信电子   2019-08-02  阅读数:

  当今社会,人类文明已然离不开电,小到我们使用的手机、手表;大到冰箱、空调,以及新能源汽车等,都离不开电力的需求。不说话说回来,对于电的使用,除了我们家庭用电,就属锂电池应用最为广泛。锂电池是一类由锂金属或锂合金为负极材料,由于锂的化学特性十分活泼,使得锂金属的加工、保存、运用,对环境要求十分高。锂离子电池负极是石墨等插层结构材料,电池中是锂离子在正负极移动,因而比锂电池安全许多。锂离子电池和锂聚合物电池,锂离子电池电解液是液态,聚合物电池的电解质是凝胶或者固态,更安全一些。下面咱们来说说锂离子电池的结构、工作原理、材料分类、充电方法、爆炸原因、设计规范等知识介绍。篇幅有点长,请耐心看完哦。

锂离子电池结构

锂离子电池的结构组成,主要分为以下五个部分,如图所示是圆柱形锂离子电池结构示意图:

锂离子电池结构

圆柱形锂离子电池结构示意图

锂离子电池正极材料:电极电势较高、结构安稳的具有嵌锂才能的层状或尖晶石结构的过渡金属氧化物或聚阴离子型化合物,如钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料等。

锂离子电池负极材料:电位挨近锂电位、结构安稳的并可许多储锂的层状石墨、金属单质及金属氧化物,如石墨、中心相碳微球、钛酸锂等。

锂离子电池电解液:溶有电解质锂盐的有机溶剂,供给锂离子,电解质锂盐有LiPF6、LiClO4、LiBF4等,有机溶剂主要由碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲酯(DMC)等其中的一种或几种混合组成。

锂离子电池电芯隔阂:置于正负极之间,避免正负极直接接触,且答应Li+离子经过的聚烯微多孔膜,如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP),或它们复合膜,PP/PE/PP三层隔阂。

锂离子电池外壳:电池封装,主要有铝壳、盖板、极耳、绝缘片等。

锂离子电池工作原理详解

  所谓锂离子电池是由两个可嵌入与可脱嵌锂离子的材料作为电池的正极与负极,实现可屡次充放电功用的二次电池。锂离子电池是依靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电作业。

锂离子电池工作原理

①当电池充电时,锂离子脱离正极嵌入到负极中,放电时方向正好相反。这样就需求正极在制作前就处于嵌锂状况,常规会选用相对锂而言电位大于3V且在空气中安稳的锂化合物,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

②负极材料常规会挑选电位尽或许挨近锂电位的可嵌入锂离子的物质,如石墨、碳纤维、石墨烯、钛酸锂等。

③电解质常规选用LiPF6的乙烯碳酸脂(EC)、丙烯碳酸脂(PC)和低粘度二乙基碳酸脂(DEC)等烷基碳酸脂调配的混合溶剂体系。

④隔阂选用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔阂不仅熔点较低,并且具有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。

⑤外壳选用钢或铝材料,正极盖体组件具有防爆断电的安全维护功用。

  对于其他类型的电池产品,锂电池具有重量轻、容量大、无回忆效应等长处,在数码设备、小型电动工具及大型储能设备及新能源动力电池都选用锂离子电池作储能设备,锂离子电池的能量密度高,容量是同重量的镍氢电池的1.5~2倍,并且具有很低的自放电率;此外,锂离子电池简直没有“回忆效应”及不含有毒物质。

锂离子电池按材料体系分类以及特点

  现在主流的锂离子动力电池,主要按正极材料来分类,可分为以下几类:①磷酸铁锂;②锰酸锂;③镍酸锂;④三元材料主要有镍钴锰与镍钴铝;⑤磷酸锰锂;负极材料主要有石墨及钛酸锂。

以上正极材料体系的主要特点表现在以下几方面:

一、锰酸锂体系,电池负极材料主要为石墨

  其克容量低,但压实密度高,总体能量密度与磷酸铁里相当;最大问题是较高温度作业时易溶解。需求经过参杂和外表处理来改善其温度耐受性,其安稳性、安全性不如磷酸铁锂。

二、磷酸锰铁锂体系,负极为石墨

  材料成熟度低,电子电阻高,现在寿数较短,由于有铁锂和锰锂混合,所以平台电压有两段,做成组策略时要考虑SOC不一致的影响。

三、磷酸铁锂电池,负极为石墨

  电压平台很平稳,能量发挥好,原材料储量大,经济功用较好。同时简直无没有热失控问题(热失控温度在800℃以上),材料体系十分安全。也由于电池材料特性安全性高,磷酸铁里电池能够做大容量单体电芯(高达几百安时),有利于体系的成组效率(按重量能量比核算,客车运用硬壳电池能够到达78%的成组效率)。磷酸铁里现已广泛用于混合动力、纯电动客车以及电网和家庭储能体系,是现在新能源客车市场上用量最多的锂离子动力电池。

四、三元电池,多数运用镍钴锰混合作为正极材料,也有用镍钴铝作为正极材料的(如特斯拉所用松下电池),负极为石墨

  能量密度高(现在NCM电功用做到200WH/kg以上,NCA则更高)、寿数特性优秀,但热失控温度200℃以上,需求在体系集成中多方面考虑如何操控热扩散,以满足其体系安全性需求。也是由于安全性考虑,三元系材料一般不会做大容量单体电芯,三原材料电池多用于纯电动乘用车和非载客的商用车,现在是新能源乘用车用量增加最快的电池。

五、钛酸锂电池是在锂离子电池中,用钛酸锂代替石墨作为负极材料,只正极材料能够是以上任何正极材料

  钛酸锂电池有四大长处:低温特性好(尤其是低温-30℃还能够充电)、高功率(可大功率充放电,尤其是充电倍率能够很高)、长寿数循环(能够轻松到达万次以上)、安全性高(简直没有热失控风险);

  钛酸锂也有三大缺点:平台电压低(仅有2.2V,体系成组需连接许多电芯,效率很低)、还存在高温胀气问题(尽管现在有所改善但并没有底子处理)、本钱高(约为石墨体系电池的两倍多),钛酸锂电池多用于混合动力和单词续航路程要求不高但需求屡次充电的运用场景中;

锂电池制作设计采取的基本安全措施

  依据锂电池材料体系的不同,锂电池充电时电压高于锂电池的极限电压后,便开端发作副作用,过充电压越高,危险性也跟着越高。锂电芯电压高于极限电压后,正极材料内剩下的锂离子数量不到一半,此时储存格会垮掉,让电池容量发作永久性的下降。假如持续充电,由于负极的储存格现已装满了锂离子,后续的锂离子会堆积于负极材料外表长出枝状结晶,这些锂结晶会刺穿隔阂,使正负极短路。有时在短路发作前电池就或许现已爆破,这是由于在过充进程,电解液等材料会裂解发作气体,使电池外壳或压力阀鼓涨破裂,空气中的氧气与堆积在负极外表的锂原子发作反响爆破。因而,锂电池充电时,一定要设定电压上限,才能够同时兼顾到电池的寿数、容量和安全性。

  锂电芯放电时也要有电压下限,当电芯电压低于极限电压时,部分材料会开端被损坏。同时由于锂电池本身会自放电,放置时刻越久电压会越低。因而在规划锂电池时,放电到电压的设定会充分考虑这些要素,锂电池从截止放电电压到安全电压这段期间,所释放的能量只占电池容量的3%-5%左右。

  充放电时,除了电压的限制,电流的限制也十分必要。电流过大时,锂离子来不及进入储存格,会聚集于材料外表。这些锂离子获得电子后,会在材料外表发作锂原子结晶,这与过充相同,会形成危险性。

  因而,对锂离子电池的维护,至少要包括:充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内,除了锂电芯外,都会有一片维护板或者功用丰厚的BMS电池办理体系。

锂离子电池充电方法

  锂离子电池常用的充电办法补充阐明锂电池技术 6天前恒流/恒压充电法充电的进程分为三个阶段。

  ①预充阶段。接通直流电源以后,在检测到电池时,发动充电芯片进入预充进程,在此期间充电操控器以比较小的电流给电池充电,使电池电压和温度恢复到正常状况。

  ②恒流充电阶段。在充电初期充电电路以恒定的电流对锂离子电池充电,通常锂电池大多会选用规范充电速率。在恒流充电时,电池的电压将会缓慢上升,只要电池电压到达所设定的终止电压,恒流充电就会终止,然后进入恒压充电进程。

  ③恒压充电阶段。在恒压充电的进程中,充电的电流会逐渐衰减,当监测到充电电流降至设置值以下或满充时刻超时转入顶端截止充电,此时充电操控器会以极小的充电电流为电池补充能量,一般状况下该进程能够延长电池5%~10%的运用时刻。

  这种充电办法中,为避免电流过大,电池温度过高,在恒流阶段,通常选用较小的充电电流进行充电,充电效率仍然不高。为提高充电效率,可选用变流充电法。

锂离子电池变流充电法

  锂离子电池可接受的充电电流随充电时刻呈指数规则下降,若充电电流曲线在电池可接受充电电流曲线以上会导致电池电解液发作析气反响,影响电池寿数。

锂离子电池爆炸原因分析

  锂电芯爆破的原因可能是外部短路、内部短路及过充,包括电池组内部绝缘规划不良等所引起的短路。

  因此,对锂离子电池的保护,至少要包括:充电电压上限、放电电压下限、及电流上限三项。一般锂电池组内,除了锂电芯外,都会有一片维护板或者功用丰厚的BMS电池办理体系。

  内部短路主要是由于分切不良的铜箔与铝箔的毛刺刺穿隔阂,或是由于过充原因形成的锂枝状结晶刺穿膈膜所形成。细微极片毛刺会形成微短路,由于毛刺很细有一定的电阻值,因而,电流不见得会很大。

  铜、铝箔毛刺是在出产进程中由于分切不良形成,可检测到的现象是电芯自放电太快,大多数状况下能够在后端挑选时检测出来。并且由于毛刺细微,有时会被烧断,使得电池又恢复正常。因而,因毛刺微短路引发爆破的机率并不高。

锂电池在线检测设备“二次元印象观测仪“

  锂电池在线检测设备“二次元印象观测仪“(如上图)可有用检测极片毛刺状况,二次元印象仪能将图画放大500倍,能明晰判别毛刺状况。

  内部短路引发的爆破,主要仍是由于过充原因形成。由于,过充后极片上到处都是锂枝结晶,刺穿点到处都是,到处都发作微短路。因而,电池温度会逐渐升高,最后高温将电解液气化。这种景象,不论是温度过高使材料焚烧爆破,仍是外壳先被撑破,使空气进去与锂金属发作剧烈氧化,都会爆破。

  归纳以上爆破的类型,我们能够将防爆要点放在过充的避免、外部短路的避免及提升电芯安全性三方面。其中过充避免及外部短路避免归于电子防护,归于电池组体系规划及电池拼装有较大联系;电芯安全性的提升要点是化学与结构规划防护,与电池芯的规划与制作进程质量操控有较大关系。

锂离子电池设计规范涉及的几个方面

  电池维护板或BMS电池办理体系硬件冗余规划,预防电子元器件失效而引起的整个维护体系失效。电池办理体系如能对过充、过放、过流都分别供给两道安全防护,此外为了提升BMS体系的可靠性,BMS产品须经过高温老化处理,供给ESD、浪涌防护及防潮防尘这些基本功用。

  在电动汽车电池体系中,BMS电池办理体系不担要提过过充、过放、过流维护功用,还要对巨大的电池体系的运行状况进行监控与办理。为了确保电池作业在相同的温度环境下,BMS还要监控所有电芯的作业温度,具备热平衡功用,高效水冷电池模组可将电池作业温度有用操控在25±2℃。此外为了提升车辆电池安全性,BMS集成落水监测、烟雾监测、磕碰监测、翻车监测、长途报警及自动灭火等安全功用。

  锂电芯在出产制作时会严格操控正极、负极、隔阂、电解液等主要原材料的质量,从电芯结构规划到电芯出产制作整个进程,都须经过严格的质量操控与在线检测监控程序,来确保锂电芯的高质量,经过严格的后端挑选与批次的损坏性查验,来确保每一颗出厂电芯的质量都契合质量要求,确保在过充、过放、过流、振动、机械冲击、跌落、挤压、翻转、磕碰、刺穿等状况下契合质量规范要求。

  总之,电池体系规划时,必须对过充、过放与过流分别供给两道电子防护。其中维护板或BMS电池办理体系是第二道防护,假如没有外部维护的状况,电池发作爆破就代表规划不良。

锂电芯的质量成为关键

  假如外部维护失利,对锂电芯质量提出更高的要求。电池假如在爆破前,内部有锂原子堆积在材料外表,焚烧爆破的威力会更大。所以锂电芯抗过充才能比抗外部短路的才能显得更为重要。

  电芯抗外部短路的办法,通常包括运用高质量的隔阂纸和选用压力阀两种措施。其中高质量的隔阂效果最好,外部短路时超过百分之九十九的电池不会发作爆破。出产的锂电芯,每批次须经过过充、过放、过流等检测实验,备有先进的规划理念及高度自动化的出产制作才能,质量检测合格率才能到达100%。

锂离子电池的毛病机理与影响剖析总结

  毛病模式机理与影响剖析(FMMEA)衍生于失效模式与影响剖析(FMEA),在FMEA剖析的基础上,FMMEA愈加具体的界说和指出了导致毛病发作的机理。因而,锂离子电池的FMMEA的开展依据多年来对电池可靠性的实验、结构拆解及失效剖析研究。本文从锂离子电池结构的视点动身总结了锂离子电池的毛病机理与影响剖析,如表1所示:

锂离子电池的毛病模式机理与影响分析

锂离子电池的毛病模式机理与影响分析

  以上表格是依据长期可靠性实验与剖析积累所得。在锂离子电池失效分析中,还应该依据实际状况全面考察电池的材料、工艺、环境、运用状况及宿主设备等多方面信息。电池所涉及的方面非常复杂繁琐,因此锂电池研究者们在研究考察的时候,还需要依据背景情况,做出合理的结论才是。

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