怎样做好高倍率锂电池?高倍率电池市场工艺介绍

来源:高倍率锂电池   2019-09-24  阅读数:

  记得早期接触高倍率锂电池的时候还没有现在的Z字型叠片,只有Bell-Core工艺的叠片,而且稍微大一点的型号还得手动来。国内早期的几家锂电池厂家将这个工艺用到了极致,采用了吸附式叠片,一次性可以吸5片以上,效率还是不错的。但是这个工艺有很多缺陷,比如:萃取剂毒性比较大、Loading不能做太高导致能量密度很低;但由于这个工艺是真正意义上的凝胶电池,所以安全性能非常好,我亲自做过实验,拿剪刀剪,钉子刺,电池电压正常,也能充放电,不会起火燃烧。后面卷绕工艺开发出来后,Bellcore工艺就慢慢淘汰了,高倍率电池也向多极耳发展了,再到后来,Z字型叠片也出来了。直至今日,用于高倍率电池的工艺主流还是Z字型叠片和多极耳卷绕。

一、高倍率电池市场

  高倍率电池的用途主要为:电动工具、传统模型玩具、电子烟、部分医疗设备、无人机、启停等。电动工具和传统模型是在之前镍氢的基础上抢占市场,由于锂离子电池的特性,导致电动工具市场一直不温不火,在传统模型这一块实现了完美替换,但是市场容量一直没有很大的起色,2009年预计高倍率电池总市场容量仅为10亿RMB,在锂电池市场统计中始终处于Others地位。下面摘取高工锂电的一份数据:

高倍率锂电池市场

图1 高倍率锂电池市场

  最近几年,随着应用领域的进一步拓展,倍率型锂离子电池的市场一直在高速增长。

二、高倍率电池材料体系

  高倍率电池的特点就是能够大倍率放电,其正负极体系主流还是钴酸锂和石墨体系,当然活性材料的颗粒度均比常规的高容体系要小很多。一般钴酸锂的粒径D50在5-6um,石墨的粒径在7-8um,粒径越小,其BET就越大,反应活性就越高。电解液体系采用的是低粘度、高锂盐浓度的体系,其电导率很高。而隔离膜,主要以高孔隙率、高透气度为主。

高倍率电池正极颗粒对比

图2 高倍率电池正极颗粒对比

高倍率电池负极颗粒对比

图3 高倍率电池负极颗粒对比

  在辅材方面,为了满足高倍率电池的高倍率放电特性,就势必要添加更多的导电剂来提升极片的电子电导,通常,导电剂都是多种导电剂的混合。

  总的说来,在材料体系方面,为了实现倍率放电,在电子电导和离子电导方面都需要提升,一旦两者都提升,那么就意味着高倍率电池整个化学体系比较活跃,化学反应的反应速度要快,从另外一方面来讲,就是一旦出现内部,热失控更容易发生。

  高倍率电池由于放电电流比较大,因此,内部温升比较高,一般在放电末期,电池表面的温度会去到60℃以上,此时,电芯内部的温度可能会去到接近80℃的水平,更加加剧了电池内部的一些副反应发生,堵塞离子通道,同时,部分溶剂气化破坏界面,SEI重组损耗电解液,内阻增大,倍率下降,循环性能会衰减很快。

三、高倍率电池工艺

  目前市面上主流存在的工艺为:Z字型叠片工艺和多极耳卷绕工艺。两者工艺有个共同点:均需要刀模模切。相对来说,叠片工艺由于每一片都是模切出来,刀模接触周长更长,其出现毛刺和掉粉的几率更大;再者,叠片电池在极耳焊接时容易拉扯导致错位,见图4和图5。

高倍率电池错位

图4 错位

高倍率电池毛刺

图5 毛刺

  而多极耳工艺同样也存在类似的问题,毕竟极片经过了刀模冲切,损害不可避免。加上倍率电池使用的是高孔隙率、高透气度的隔膜,其穿刺强度会低于普通隔膜,抗毛刺、粉尘等风险要弱,因此,两种工艺在安全性能上来说要低于普通的数码类电池。只是相对于叠片电池来说,多极耳工艺会在效率上面有所提升,降低电池的人工成本和制造成本。

四、高倍率电池一致性

  高倍率电池由于其使用的特殊性,需要大电流放电,而目前制造厂商在配组筛选时不可能全检大电流放电性能,基本都是采用的是小电流来检测容量、电压平台等,其实这根本不能很好的解决电池在大电流放电时的一致性,我之前做过研究,设计一款60C倍率放电的电池,其在35C放电时放电曲线一致性很好,但是一旦倍率扩大到55C,放电严重出现不一致,见图6和图7:

高倍率电池35C放电曲线

图6 35C放电曲线

高倍率电池55C放电曲线

图7 55C放电曲线

  不一致性因为电流增大而扩大,这样很容易导致组合电池出现不平衡现象,尤其是目前很多高倍率电池组没有加保护板的情况下很容易因为电池不一致而出现性能衰减快、胀气甚至起火等情况。

五、总结

  鉴于以上分析,我们得知高倍率电池为了满足其快速放电要求,必须提升整个化学体系的电子电导和离子电导,势必会带来很多缺陷,例如:倍率放电循环差、安全性能差、配组困难。怎么样做好高倍率电池是一个需要探讨的话题,尤其是倍率和安全的兼顾更是一个难题,任重而道远。