动力型18650锂离子电池的过充电性能Word下载.docx
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锂离子电池在过充条件下的安全性是一大问题。
锂离子 电池过充时。
电池电压随极化增大而迅速上升,引起正极活 会
(MP)适当比例混匀。
N按搅拌成浆料均匀地涂在铝箔上;
负
极材料选用人造石墨中问相碳微球(MB)粘结剂、电 MC与导
性物质结构的不可逆变化及电解液的分解,生大量气体,产放 出大量的热,电池温度和内压急剧增加,在爆炸、烧等 使存燃
隐患。
剂、甲基吡咯烷酮(MP)N.N按适当比例混匀,拌成浆料均 搅
匀地涂在铜箔上。
别选用不同型号的电解液,涂覆好的正 分将
负极片分别碾压切片与clad20egr 30隔膜通过卷绕、壳、l装焊 接、干燥、注液、口、封化成等工艺制成动力型160锂离子电 85
池。
动力型锂离子电池,通常是多支串、联使用,并电池的总 能量较大,在充电过程中存在单支电池过充或因充电器故障 导致整组过充的隐患,其安全性能更被人们所注意。
为防止过 充电通常采用专用的充电电路、防爆组合盖帽、正温度系数电 阻器(T、PC)专用隔膜、添加添加剂和选用安全的电池正极
材料等措施,提高电池的过充电安全性能。
本文通过相关实 验,动力型l60锂离子电池的防过充电性能进行了研究。
对85
12实验方法 .
化成后实验电池容量在15 Ah左右,在1C充放电 0m3 条件下循环两次后,电池外壳接热电偶放人防爆测试箱中,用 广州擎天BS96 30二次电池性能检测装置,设置1 电流 .A3充电至l 转恒压充电,录电池电压及电池表面温度随时 0v记间的变化,时记录电池是否发生爆炸、火及发生爆炸、同起起
火的时间。
1实验
11电池的制备 .
分别选用不同生产厂家的钻酸锂、锰酸锂、三元材料等活 性材料作为正极材料,粘结剂、电剂、与导N.甲基吡咯烷酮
收稿日期:
070~320—42 作者简介:
唐琛明(9O)江苏省人,16一,男,高级工程师,主要研究方 向为电池及其材料。
BorpyTG e-n(90-)maesno nierigah:
ANChnmig16-,l,eirgne.e
2结果与讨论
21不同正极材料的过充性能 .
211钻酸锂 ..对正极材料为钴酸锂的电池进行过充性能实验,分别用
耐过充、耐高温、电流、酸锂专用、大锰三元材料专用耐过充、
三元材料专用大电流等不同功能的电解液制备的G系列样
88 5
20 1V0. No1 071 131.1
濠技
品电池,号为1234、6号。
样品电池进行l编、、、5、对 C过充试
其反应,以也发生起火、所爆炸等现象。
不同的样品电池温度 上升速度有所不同,内部连接点拉开后即起火爆炸。
虽然,使 用耐过充性能的功能电解液可以提高电池起火爆炸时的最高 电压,改善其耐过充性能,但不能解决1 过充电的安全隐 0v
患问题。
212三元材料 ..
验,观察电池的电压、温度变化及实验整个过程现象。
果,结所
有样品电池在过充过程中全部发生爆炸、火现象。
起电压及温 度变化见图l图2 、。
用A公司、B公司三元材料作为正极材料,分别用不同的
电解液制备S系列样品电池。
正极材料采用A公司的,电解 液采用耐过充、大电流电解液的样品,电池分别编号为l2、
号;
正极材料采用B公司的,电解液分别采用耐过充、电流 大电解液的样品,电池分别编号为34号。
、对样品电池进行过充 电测试。
过充实验时的电压及温度变化见图3图4 、。
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图1钴酸锂材料不同电解液过充电压变化曲线
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图3三元材料不同电解液过充电压变化曲线
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图2钴酸锂材料不同电解液过充温度变化曲线
Fg. Cure vchretmpauecansf tum i2vsoferag eoertr hge lhioricbtoiewi iertecrye oalxd tdfen helttsol
从上面的测试结果可以看出,钴酸锂的耐1 0V过充性 能全部不合格。
不同功能的电解液对电池的过充性能有所影 响,使用耐过充功能电解液的样品电池过充电压最高,而使用 大电流电解液的样品电池过充电压最低。
观察电池在爆炸前
tmi /n
的现象可以看到,当过充电压上升到一定程度后,电池帽的保
护功能开始作用,盖帽与电极之间连接点断开,电被迫终 使充止,电池两端电压较快降至零。
这时电池内部已达到较高的 但
温度,生了热失控。
长时间后,帽上的防爆膜爆开。
细 发不盖仔
图4三元材料不同电解液过充温度变化曲线
Fg. Cure ecareti4vsofovrhg empatr hage oreayeruecnsf mr t
maeiswi feeteetoye tr tdirn lcrltsalh
从实验结果看出,同的电解液对正极采用三元材料的 不
样品电池过充性能影响很大,采用大电流功能电解液,当过充 时,电池的电压与温度变化曲线与采用钴酸锂为正极材料的 电池基本相似,也发生起火、爆炸。
采用耐过充电液的样品电 池,在过充时电池外壳的表面温度基本没有明显的上升,电池
分析l2号样品电池的过充电电压温度曲线,、当充电超过4 0mi,n后电压上升速度明显加快,同时电池壳外表温度也开始 急剧上升。
虽然电压上升到一定值后出现一拐点,有所下降,
但温度依然上升。
这时,电池内部已经有短路发生,消耗的电
能已大于充人的电能,以电压两端电压已开始下降,所当电池 内部进一步恶化时,内压上升至防爆膜破裂。
由于钴酸锂材料 富含锂,过充时LCO:
io的反应为:
LCO一C02i+eio2o+L ()1
的两端电压可以上升到5v以上。
电压升到一定值后, 但电压 很快急速下降。
际是因为电池帽的保护功能开始作用,实使盖
帽与电极之间连接点断开,电被迫终止。
充这时由于充电已经
终止,有新的能量进入,没而电池内部温度较低,没有微短路
等自放电现象发生,电池内部的压力不足以使防爆膜破裂,电
池没有发生起火、炸。
爆
CO是一种极不稳定的物质,易分解放出氧气,电解液 o 容且中存在大量游离的金属锂及可燃有机物并随爆破时的气流冲 出,发生起火、爆炸。
尽管耐过充电解液中含有抑制CO分 o
解的添加剂,但钻酸锂过充时CO含量较高,能完全抑制 o 不
三元材料中镍、钻含量比钴酸锂低,虽然在过充时有 CO、O等不稳定物质的生成,由于其量比钴酸锂少,o Ni 但当
有添加剂的电解液抑制了CO、O的分解反应时,充电停 o Ni
20. Vf1N. 071O. O1 13 1
8 86
止后,电池内部温度、压力就不再上升,电池不发生起火、爆
炸。
213锰酸锂 ..
加剂,可以提高电池的过充电压。
耐过充功能电解液制作正 用
极为钴酸锂的G系列样品电池,测试得过充电时的最高电压
在48.V之间,.~51 与用其他电解液制成的电池比,耐过充电
性能有所改善,不能通过5V(l 耐过充电时不起 但 或0V)火、不爆炸的要求。
我们用耐过充功能电解液制作正极为三元 材料的S系列样品电池,测试得到过充电时的最高电压在 51.V之间。
与用其他电解液制成的电池比,.~58 过充电时最
高电压有所提高,而且在过充电测试过程中电池没有发生起
用C公司、D公司、E公司提供的锰酸锂作为正极材料, 采用锰酸锂专用电解液制备成M系列样品电池,分别编号为 123号。
对样品电池进行1、、0V过充性能实验,实验结果全 部合格,电压及温度变化见图5图6 、。
火、炸现象,爆这与电解液使用的添加剂等有关_4_究中发 。
研现,使用耐过充电解液,对电池的其他性能有影响。
222大电流电解液 -_
用大电流电解液做同样实验,电池的高倍率放电性能比
耐过充电解液优越,但进行耐过充电性能测试时,所有样品电 池全部起火、炸。
223其他功能性电解液圈..
用耐高温、酸锂专用系列、锰三元材料专用系列等功能性
图5锰酸锂过充电压曲线
Fi5Cuve foerhgevtg or¨
h_m obloxdeg. rso vcar olefalucati
电解液,用不同的正极材料制成样品电池进行试验,没有发现
能与耐过充性能兼顾的功能性电解液,在进行过充电时除锰 酸锂外电池都起火,炸。
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23防爆组合盖帽结构对过充性能的影响 .
锂离子二次电池的盖帽与镉镍、氢镍电池有所不同,是个
/,
.
组合件(图7,见)主要由上盖帽、TPC过流保护片、防爆半球
面铝膜、底板组成。
下底板与电池正极耳焊接连接,正极 下是
片与外部连接的过渡,与防爆半球面铝膜点焊连接。
防爆半球 面铝膜有两大功能,一是当电池内压增大到一定值后,向内凹 曲面受力后变成向外凸出,使防爆半球面铝膜与极耳的焊接
图6锰酸锂过充电池表面温度曲线
Fg. Cure ecaresraeti6vsofovrhg uc empeateffrur or¨
hulim
cati obloxde
点拉裂断开,电池与外界形成开路,电池盖帽的过充保护功能 开始作用;
二是电池内压增大超过防爆铝膜刻痕处受力极限 时,防爆铝膜破裂,电池开启,电池内压力从破裂处泄出。
M系列的电池,在过充中电池外壳温度上升较慢,合盖 组帽拉开后,温度一般不再上升,而且即使盖帽防爆膜爆开,由
于锰酸锂材料含锂低,且过充时LMnO的反应是:
i:
LMnO 2Mn2i+ei ̄4 O+L ( 2)
图7组合盖帽示意图
Fg7Scemai igao opnn a i. htdarm fcmoudigcpc
LMn0脱去L后的产物是Mn,i2 i O:
性质比较稳定,不会发 也
生起火及爆燃现象。
对M系列样品电池,进行最高电压5V耐过充电性能试
验,电池未发生起火及爆燃现象[1_。
在三类正极材料中,酸 锰锂的耐过充性能最好。
显然,充电时,池的内压升高有了速度问题,不仅 过电这与电池所用材料和电池结构设计有关系,还与过充电时的电
22不同电解液的过充性能 .
流大小有关。
而防爆半球面铝膜焊接点的拉裂断开与焊接点 面积大小和半球面开始变形力的大小有关。
在动力型电池设 计中,为了降低电池欧姆电阻,确保在大电流下连接件不发 热,必须保证盖帽上的防爆半球面铝膜与下底板的焊接点有 足够的面积,这样就不利于过充电时尽早断开起到安全保护
般锂离子电池功能性电解液是指耐过充、高温、耐高倍
率(电流),大等而且对正极材料、负极材料都有不同要求。
目前市场上功能性电解液的型号很多,市场份额越来越大。
我们 用国内某公司制备的钴酸锂系列耐过充、电流、大耐高温、锰
酸锂系列、三元材料专用耐过充、三元材料专用耐高温等各种
功能性电解液,制备各系列样品电池进行各种测试,本文重点
汇总耐过充试验结果。
221耐过充电解液
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- 动力 18650 锂离子电池 充电 性能