你真的了解吗 深度解读锂离子电池

steve 发表于 2018-05-14 11:35:42 收藏 已收藏
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你真的了解吗 深度解读锂离子电池

steve 发表于 2018-05-14 11:35:42

锂电池是20世纪开发成功的新型高能电池,可以理解为含有锂元素(包括金属锂、锂合金、锂离子、锂聚合物)的电池,可分为锂金属电池(极少的生产和使用)和锂离子电池(现今大量使用)。因其具有比能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点,已广泛应用于军事和民用小型电器中,如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等,部分代替了传统电池。

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锂离子电池的由来及发展

1970年代埃克森的M.S.Whittingham采用硫化钛作为正极材料,金属锂作为负极材料,制成首个锂电池。

1980年,J. Goodenough 发现钴酸锂可以作为锂离子电池正极材料。

982年伊利诺伊理工大学(the Illinois InsTItute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman发现锂离子具有嵌入石墨的特性,此过程是快速的,并且可逆。与此同时,采用金属锂制成的锂电池,其安全隐患备受关注,因此人们尝试利用锂离子嵌入石墨的特性制作充电电池。首个可用的锂离子石墨电极由贝尔实验室试制成功。

1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人发现锰尖晶石是优良的正极材料,具有低价、稳定和优良的导电、导锂性能。其分解温度高,且氧化性远低于钴酸锂,即使出现短路、过充电,也能够避免了燃烧、爆炸的危险。

1989年,A.Manthiram和J.Goodenough发现采用聚合阴离子的正极将产生更高的电压。

1991年索尼公司发布首个商用锂离子电池。随后,锂离子电池革新了消费电子产品的面貌。

1996年Padhi和Goodenough发现具有橄榄石结构的磷酸盐,如磷酸锂铁(LiFePO4),比传统的正极材料更具优越性,因此已成为当前主流的正极材料。

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锂离子电池(Li-ion Batteries)是锂电池发展而来。所以在介绍Li-ion之前,先介绍锂电池。举例来讲,纽扣式电池就属于锂电池。锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可以充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

后来,日本索尼公司发明了以炭材料为负极,以含锂的化合物作正极的锂电池,在充放电过程中,没有金属锂存在,只有锂离子,这就是锂离子电池。

20世纪90年代初,日本Sony能源开发公司和加拿大Moli能源公司分别研制成功了新型的锂离子蓄电池,不仅性能良好,而且对环境无污染。随着信息技术、手持式机械和电动汽车的迅猛发展,对高效能电源的需求急剧增长,锂电池已成为目前发展最为迅速的领域之一。

锂离子电池的结构及原理

锂离子电池的主要组成:

(1)正极——活性物质主要指钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂、镍钴锰酸锂等,导电集流体一般使用厚度在10--20微米的铝箔;

(2)隔膜——一种特殊的塑料膜,可以让锂离子通过,但却是电子的绝缘体,目前主要有PE和PP两种及其组合。还有一类无机固体隔膜,如氧化铝隔膜涂层就是一种无机固体隔膜,;

(3)负极——活性物质主要指石墨、钛酸锂、或近似石墨结构的碳材料,导电集流体一般使用厚度在7-15微米的铜箔;

(4)电解液——一般为有机体系,如溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂,另有些聚合物电池使用凝胶状电解液;

(5)电池外壳——主要分为硬壳(钢壳、铝壳、镀镍铁壳等)和软包(铝塑膜)两种 。

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当电池充电时,锂离子从正极中脱嵌,在负极中嵌入,放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态,一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。

做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物,如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物,包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2 +3x+5y)/2)等。

电解质采用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)等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。

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

外壳采用钢或铝材料,盖体组件具有防爆断电的功能。

基本工作原理

当对电池进行充电时,正极的含锂化合物有锂离子脱出,锂离子经过电解液运动到负极。负极的炭材料呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

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。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。

在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这就像一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就在摇椅两端来回运动。所以锂离子电池又叫摇椅式电池。

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充放电机理

锂离子电池的充电过程分为两个阶段:恒流充电阶段和恒压电流递减充电阶段。

锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。

锂离子电池保持性能最佳的充放电方式为浅充浅放。一般60%DOD是100%DOD条件下循环寿命的2~4倍。

锂离子电池主要性能指标

电池的容量

电池的容量有额定容量和实际容量之分。电池的额定容量是指电池在环境温度为20℃±5℃条件下,以5h率放电至终止电压时所应提供的电量,用C5表示。电池的实际容量是指电池在一定的放电条件下所放出的实际电量,主要受放电倍率和温度的影响(故严格来讲,电池容量应指明充放电条件)。

容量单位:mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。

电池内阻

电池内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力。有欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻值大,会导致电池放电工作电压降低,放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。电池内阻是衡量电池性能的一个重要参数。

电压

开路电压是指电池在非工作状态下即电路中无电流流过时,电池正负极之间的电势差。一般情况下,锂离子电池充满电后开路电压为4.1—4.2V左右,放电后开路电压为3.0V左右。通过对电池的开路电压的检测,可以判断电池的荷电状态。

工作电压又称端电压,是指电池在工作状态下即电路中有电流流过时电池正负极之间的电势差。在电池放电工作状态下,当电流流过电池内部时,不需克服电池的内阻所造成阻力,故工作电压总是低于开路电压,充电时则与之相反。锂离子电池的放电工作电压在3.6V左右。

放电平台时间

放电平台时间是指在电池满电情况下放电至某电压的放电时间。例对某三元电池测量其3.6V的放电平台时间,以恒压充到电压为4.2V,并且充电电流小于0.02C时停止充电即充满电后,然后搁置10分钟,在任何倍率的放电电流下放电至3.6V时的放电时间即为该电流下的放电平台时间。

因某些使用锂离子电池的用电器的工作电压都有电压要求,如果低于要求值,则会出现无法工作的情况。所以放电平台是衡量电池性能好坏的重要标准之一。

充放电倍率

充放电倍率是指电池在规定的时间内放出其额定容量时所需要的电流值,1C在数值上等于电池额定容量,通常以字母C表示。如电池的标称额定容量为10Ah,则10A为1C(1倍率),5A则为0.5C,100A为10C,以此类推。

自放电率

自放电率又称荷电保持能力,是指电池在开路状态下,电池所储存的电量在一定条件下的保持能力。主要受电池的制造工艺、材料、储存条件等因素的影响。是衡量电池性能的重要参数。

效率

充电效率是指电池在充电过程中所消耗的电能转化成电池所能储存的化学能程度的量度。主要受电池工艺,配方及电池的工作环境温度影响,一般环境温度越高,则充电效率要低。

放电效率是指在一定的放电条件下放电至终点电压所放出的实际电量与电池的额定容量之比,主要受放电倍率,环境温度,内阻等因素影响,一般情况下,放电倍率越高,则放电效率越低。温度越低,放电效率越低。

循环寿命

电池循环寿命是指电池容量下降到某一规定的值时,电池在某一充放电制度下所经历的充放电次数。锂离子电池GB规定,1C条件下电池循环500次后容量保持率在60%以上。

锂离子电池的主要分类

(一)、根据锂电池所用电解质材料不同,锂电池可以分为液态锂电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。

(二)、按充电方式可分为:不可充电的及可充电的两类。

(三)、锂电池外型分:有方型锂电(如常用的手机电池)和柱形(如18650、18500);

(四)、锂电池外包材料分:铝壳锂电池,钢壳锂电池,软包电池;

(五)、锂电池从正负极材料(添加剂)分:钴酸锂(LiCoO2)电池、锰酸锂(LiMn2O4),磷酸铁锂电池,一次性二氧化锰锂电池

更多分类见下表所列:

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聚合物锂电池

聚合物锂电池所用的正负极材料与液态锂都是相同的,电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同, 锂电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。

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聚合物锂电池可分为三类:

1、固体聚合物电解质锂电池。电解质为聚合物与盐的混合物,这种电池在常温下的离子电导率低,适于高温使用。

2、 凝胶聚合物电解质锂电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂,从而提高离子电导率,使电池可在常温下使用。

3、 聚合物正极材料的锂电池。采用导电聚合物作为正极材料,其能量是现有锂电池的3倍,是最新一代的锂电池。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂电池相比,聚合物锂电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点,也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题,因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳,从而可以提高整个电池的容量;聚合物锂电池还可以采用高分子作正极材料,其质量比能量将会比目前的液态锂电池提高50%以上。此外,聚合物锂电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂电池有所提高。

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锂聚合物电池优点:

1、安全性能好

聚合物锂电池在结构上采用铝塑软包装,有别于液态电芯的金属外壳,一旦发生安全隐患,液态电芯容易爆炸,而聚合物电芯最多只会气鼓。

2、厚度小,能做得更薄

普通液态锂电采用先定制外壳,后塞正负极村料的方法,厚度做到3.6mm以下存在技术瓶颈,聚合物电芯则不存在这一问题,厚度可做到1mm以下,符合时下手机需求方向。

3、重量轻

聚合物电池重量较同等容量规格的钢壳锂电轻40%,较铝壳电池轻20%。

4、容量大

聚合物电池较同等尺寸规格的钢壳电池容量高10~15%,较铝壳电池高5~10%,成为彩屏手机及彩信手机的首选,现在市面上新出的彩屏和彩信手机也大多采用聚合物电芯。

5、内阻小

聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小,目前国产聚合物电芯的内阻甚至可以做到35mΩ以下,极大的减低了电池的自耗电,延长手机的待机时间,完全可以达到与国际接轨的水平。这种支持大放电电流的聚合物锂电更是遥控模型的理想选择,成为最有希望替代镍氢电池的产品。

6、形状可定制

聚合物电池可根据客户的需求增加或减少电芯厚度,开发新的电芯型号,价格便宜,开模周期短,有的甚至可以根据手机形状量身定做,以充分利用电池外壳空间,提升电池容量。

7、放电特性佳

聚合物电池采用胶体电解质,相比液态电解质,胶体电解质具有平稳的放电特性和更高的放电平台。

8、保护板设计简单

由于采用聚合物材料,电芯不起火、不爆炸,电芯本身具有足够的安全性,因此聚合物电池的保护线路设计可考虑省略PTC和保险丝,从而节约电池成本。聚合物锂电池在安全性、体积、重量、容量、放电性能方面均具有极大优势。

磷酸铁锂电池

从正负极材料锂电池还分为:钴酸锂(LiCoO2)电池、锰酸锂(LiMn2O4),磷酸铁锂电池

Sony公司推出的第一块锂电池中,正极材料是钴酸锂,负极材料为碳。其中,决定电池的可充电最大容量及开路电压的主要是正极材料。

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂电池。锂电池的正极材料有很多种,主要有钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、三元材料、磷酸铁锂等。其中钴酸锂是目前绝大多数锂电池使用的正极材料,而其它正极材料由于多种原因,目前在市场上还没有大量生产。磷酸铁锂也是其中一种锂电池。从材料的原理上讲,磷酸铁锂也是一种嵌入/脱嵌过程,这一原理与钴酸锂,锰酸锂完全相同。磷酸铁锂电池是用来做锂二次电池的, 现在主要方向是动力电池,相对NI-MH,Ni-Cd电池有很大优势。

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磷酸铁锂电池的特性

1、超长寿命

长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右,最高也就500次,而磷酸铁锂动力电池,循环寿命达到2000次以上,标准充电(5小时率)使用,可达到2000次。同质量的铅酸电池是“新半年、旧半年、维护维护又半年”,最多也就1—1.5年时间,而磷酸铁锂电池在同样条件下使用,将达到7-8年。综合考虑,性能价格比将为铅酸电池的4倍以上。

2、使用安全

磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题,钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁,而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸。

可大电流2C快速充放电,在专用充电器下,1.5C充电40分钟内即可使电池充满,起动电流可达2C,而铅酸电池现在无此性能。

3、耐高温

磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广(-20C--+75C),有耐高温特性磷酸铁锂电热峰值可达350℃—500℃而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。

4、容量

具有比普通电池(铅酸等)更大的容量。可充电池在经常处于充满不放完的条件下工作,容量会迅速低于额定容量值,这种现象叫做记忆效应。像镍氢、镍镉电池存在记忆性,而磷酸铁锂电池无此现象,电池无论处于什么状态,可随充随用,无须先放完再充电。

同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3重量是铅酸电池的1/3。 该电池不含任何重金属与稀有金属(镍氢电池需稀有金属),无毒(SGS认证通过),无污染,符合欧洲RoHS规定,为绝对的绿色环保电池证。

5、无记忆效应

锂动力电池的性能主要取决于正负极材料,磷酸铁锂作为锂电池材料是近几年才出现的事,国内开发出大容量磷酸铁锂电池是2005年7月。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的,这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧,穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂电池更易串联使用。以满足电动车频繁充放电的需要。具有无毒、无污染、安全性能好、原材料来源广泛、价格便宜,寿命长等优点,是新一代锂电池的理想正极材料。

锂电池的正极为磷酸铁锂材料。这种新材料不是以往的锂电池正极材LiCoO2;LiMn2O4;LiNiMO2。其安全性能与循环寿命是其它材料所无法相比的,这些也正是动力电池最重要的技术指标。1C充放循环寿命达2000次。单节电池过充电压30V不燃烧,不爆炸。穿刺不爆炸。磷酸铁锂正极材料做出大容量锂电池更易并串联使用。

磷酸铁锂电池也有其缺点:例如磷酸铁锂正极材料的振实密度较小,等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂电池,因此在微型电池方面不具有优势。

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在后工业时代,汽车普及的速度大大超过了我们的想象,在带来高效方便的同时,大量尾气的排放,也给环境增添了很大压力,而随着石油价格飞涨、二氧化碳排放带来温室效应等问题的凸显,更是迫切需要寻找替代传统能源的新型能源。液态氢、燃料电池等都是好的选择,但是存在价格高、技术不成熟等问题,普通铅酸电池使用成本相对较低,但重量重,能量密度低,使用寿命短,还存在潜在的重金属污染等问题。

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采新一代电动车用了新型的磷酸铁锂电池作为其动力核心,这种绿色环保动力具有很多特点和优势:

1、安全性相当高

要作为汽车动力,安全性是压倒一切的首要考虑因素。普通锂电池的安全性尽管能得到基本保证,但是在极端条件下存在起火、爆炸的可能性。磷酸铁锂电池作为锂电池的二代产品,本身物理性能稳定,再配合电池组内置的过压、欠压、过流、过充等保护功能,不爆炸不起火,是目前全球唯一绝对安全的锂离子电池。由于采用高热稳定性材料和缜密工艺设计,电池安全和可靠性大为增强。与锂电池不当使用中可能出现的爆炸现象相比,磷酸铁锂电池即使扔在火中也不会发生爆炸。高温稳定性可达400—500°C, 保证了电池内在的高安全性;不会因过充、温度过高、短路、撞击而产生爆炸或燃烧。经过严格的安全测试,即使在最恶劣的交通事故中也不会发生爆炸。

2、寿命长成本低

作为动力电池,使用寿命(循环性能)与总体使用成本密切相关, 和普通锂电池500次左右的循环使用寿命相比,磷酸铁锂电池在室温下可充放电循环1500 次,容量保持率 95 %以上,而50%容量的循环寿命更是达到了2000次以上,电池的持续里程寿命大于50万公里,可以使用五年左右,是铅酸电池的8倍,镍氢电池的3倍,是钴酸锂电池的4倍左右。再加上其生产制造成本本身就低于普通锂电池,无疑能大大降低电动车的使用和维护成本。

同时磷酸铁锂电池放电性能也十分优异,功率曲线平稳,抗过放能力强,普通锂电电芯在低于3.2V后,再放电就是过放,可能会导致报废。但是磷酸铁锂电池在2.8V的时候还有能量释放,低于2.5V都不存在报废的问题。

3、使用处理方便

我们知道,镍氢、镍镉电池存在较强的记忆效应,普通锂电池也有一定的记忆效应问题,需要尽量“满充满放”,会给电动车日常使用带来不便,而磷酸铁锂电池无此现象,自放电小;无记忆效应,电池无论处于什么状态,可随充随用,无须先放完再充电,同时该电池快速充电特性优异,用专用充电器快充,半小时能充足95%左右。电池寿命终结后的处理问题,也值得我们关注,磷酸铁锂电池不含任何重金属与稀有金属,无毒,无污染,符合规定,为绝对的绿色环保电池,铅酸电池中存在着大量的铅,在其废弃后若处理不当,将对环境构成二次污染,而磷酸铁锂材料无论在生产及使用中,均无污染。

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