锂电池学习.docx
- 文档编号:28567395
- 上传时间:2023-07-19
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:208.95KB
锂电池学习.docx
《锂电池学习.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《锂电池学习.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
锂电池学习
锂系电池分为锂电池和锂离子电池。
锂电池即锂金属电池,一般是指使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
放电反应为:
Li+MnO2=LiMnO2。
然而,通常金属态的锂非常活泼,会与电解质产生不良反应,导致电解质过热,甚至导致燃烧。
由于金属锂的安全问题尚未完全突破,目前商用化的锂系电池均为锂离子电池。
锂离子电池工作原理
锂离子电池:
是一种二次电池(充电电池),主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入和脱嵌来工作,实现能量的存储和释放。
以钴酸锂正极、石墨负极系锂离子电池为例:
充电时,在外加电场的作用下,正极材料LiCoO2分子中的锂元素脱离出来,成为带正电荷的锂离子Li+,从正极移动到负极,与负极的碳原子发生化学反应,生成LiC6,从而“稳定”的嵌入到层状石墨负极中。
放电时相反,内部电场转向,Li+从负极脱嵌,顺电场方向,回到正极,重新成为钴酸锂分子LiCoO2,这样的工作原理被形象的称为“摇椅电池”。
参与往返嵌入和脱嵌的锂离子越多,电池可存储能量越大。
LiCoO2/C系锂离子电池工作原理
LiCoO2/C系锂离子电池充放电反应式
锂离子电池结构与材料
锂离子电池有着能适应不同应用场景的各种形状和构造,其主要构成均为正极、负极、隔膜、电解液及外壳。
锂离子电池结构图:
a.圆柱型锂离子电池
b.方型锂离子电池
c.纽扣锂离子电池
d.薄膜锂离子电池
(图片出处:
JM,ArmandM.Issuesandchallengesfacingrechargeablelithiumbatteries[J].Nature,2001,414(6861):
359-367.)
正极
为了实现上述能量存储与释放的功能,正极材料需要有稳定的电化学性能,不易分解的结构,较高的氧化还原电位和越高越好的比容量,经过产学界长期的研究和探索,现已付诸商用的正极材料有:
磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)以及三元材料:
镍钴锰酸锂(NCM)、镍锰铝酸锂(NCA)等。
正极材料占锂离子电池成本30%--40%,直接影响锂离子电池的能量密度和性能。
磷酸铁锂
图注:
其稳定的橄榄石结构,有助于在充放电即锂离子的脱出与嵌入过程中保持结构的稳定,不出现晶格坍塌。
(图片来源:
Chem.Mater.,Vol.22,No.3,2010)
在实际应用中,完整的锂离子电池正极结构除上述活性物质嵌锂化合物外还包括导电剂、粘结剂和集流体。
粘结剂将上述正极材料“固定”在正极基带上,导电剂增强活性物质与基体的电导率,以达到更大的充放电电流,集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。
负极
负极材料需由相对于锂电极电势更低的材料构成,并具有高比容量和较好的充放电可逆性,从而在嵌锂的过程中保持良好的尺寸和机械稳定性。
目前商用负极活性物质以碳材料石墨类为主。
然而,常规石墨负极材料的容量和倍率性能已经难以满足锂离子电池下游产品的需求。
硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。
来源:
鑫椤咨讯,中国储能网
负极的结构与正极基本相同,使用粘结剂来固定活性物质,使用铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体,由于石墨本身具有良好导电性,一般无需添加导电剂材料。
电解液
电解液在正负电极间起到运输电荷的作用,它影响着锂离子电池的能量密度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等因素。
理想的电解液应具有高的离子电导率,宽的电化学稳定窗口(0-5V)不与集流体和恬性物质发生化学反应,和好的热稳定性以实现更大的工作温度范围,且安全、无毒、无污染。
基于这些原则,经过长期的工程探索,人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的电解液。
隔膜
我们希望电池的存储能量尽可能多而体积尽可能小,于是正负极之间的距离越来越小,短路成为一个巨大的风险。
为了防止正负极材料短路,造成能量的剧烈释放,就需要用一种材料将正负极“隔离”开来,这就是隔膜的由来。
隔膜的孔径需满足良好的离子通过性,吸液保湿能力强,保持离子导电性;同时具有电子绝缘性,以实现正负极之间绝缘的机械隔离,此外应有足够的穿刺强度、拉伸强度等力学性能及耐腐蚀性和足够的电化学稳定性。
目前市场上的隔膜主要采用聚烯微多孔膜如PE、PP或其复合膜,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。
除了以上材料外,一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体(铝,钢,复合膜等),以及其他辅助材料。
锂离子电池制作工艺
锂离子电池的制备工艺包括:
电极制片电芯装配激活检测PACK电池组装。
电极制片
极片是电池结构中最核心的部分,直接影响电池性能。
极片制作要求粒度分布均匀、极片涂布均匀、分切后极片无毛刺,无变形,无粉尘影响、以及高效节能、自动化的生产技术。
电芯装配
∙卷绕/叠片:
极片卷绕/叠片为电芯;
∙注液:
在卷绕的极片中加入电解液;
∙封装:
焊接正负极片,盖帽等;
∙电芯烘烤:
除水,水分影响电池性能。
激活检测
∙检测:
短路检测,壳体缺陷检测,容量、内阻、内压、自放电、安全性能、循环性能检测等;
∙化成:
首次充电激活电池;
∙分容:
将电池进行一致性筛分,一致性差的电池一起使用对电池损害较大。
本期关于锂离子电池解析就分享到这里了
为何特斯拉坚持使用钴酸锂电池?
作为电动车的核心部件之一,特斯拉(Tesla)的电池曾经被嘲笑、被诟病,甚至在实现销售爆发式增长之后,仍有很多业界专家称其“电池技术老旧”、“无核心竞争力”。
原因在于特斯拉是唯一一家采用18650型钴酸锂离子电池的公司,这种电池一直用于笔记本电脑中,难登电动汽车之”大雅之堂”,并且存在安全隐患。
事实果真如此吗?
据报道,作为动力输出的后盾,电池对电动车的作用不言而喻。
因为本身性能较稳定、安全系数较高且可循环充电次数多,磷酸铁锂电池是目前市场上动力电池的首选,如雪佛兰Volt、日产Leaf、比亚迪E6和FiskerKarma。
在汽车上使用钴酸锂电池,特斯拉算第一个
特斯拉则有些另类,他旗下的Roadster和ModelS使用的是18650钴酸锂电池。
与磷酸铁锂电池相比,这种电池虽然技术较为成熟,功率高、能量密度大、且一致性较高,但安全系数较低,热特性和电特性较差,成本也相对较高。
据业内人士介绍,18650电池外电压但凡低于2.7V或高于3.3V,都会出现过热的症状。
如果电池组较大且组内温度梯度控制得不好,就会存在很大的起火风险。
而电池技术的关键恰恰就是电压电流和热量控制,难怪Tesla被批评为电池技术不靠谱。
但实际上,被认为更安全可靠的磷酸铁锂电池也并非万无一失。
在制备的烧结过程中,氧化铁在高温环境下存在被还原成单质铁的可能性,单质铁会引起电池的微短路,这是电池中很忌讳的物质。
此外,磷酸铁锂电池在实际生产中充放电曲线差异大,一致性较差且能量密度较低,这直接影响到电动车敏感的续航问题。
海通国际证券公司最新的研报显示:
特斯拉电池能量密度(170wh/kg)大约是比亚迪电动车磷酸铁锂电池能量密度的两倍。
特斯拉为何坚持使用钴酸锂电池?
特斯拉使用的18650电池
早在上世纪70年代,英国宾汉顿大学的Whittingham女士就发明了18650电池,这种电池常应用于笔记本电脑、强光手电等数码产品上,但是,将这种直径18mm、高65mm的圆柱形锂电池用在汽车上,特斯拉是第一个吃螃蟹的人。
特斯拉的电池技术总监KurtKelty曾经表示:
特斯拉起初也尝试了市面上超过300种电池,包括板型和方型电池,最终选择了松下的18650电池,一方面,18650的能量密度更大且稳定性与一致性更好。
另一方面,18650可以有效降低电池系统的成本。
并且,虽然每个电池单元的尺寸小,但每个单元的能量可控制在较小的范围,与使用大尺寸电池单元时相比,即使电池组的某个单元发生故障,也能降低故障带来的影响。
此外,全球每年要生产数十亿个18650型电池单元,安全级别也在不断提高。
松下官网显示,型号为NCR18650的锂电池是一款高能量模型(HighCapacity)电池,该电池的名义伏特数为3.6V,名义最小容量为2750毫安时,重量为45.5克。
并且,在特斯拉第二代车型ModelS上使用的18650比之前Roadster的能量密度高出3成。
据特斯拉首席技术官JBStraubel表述:
从Roadster到ModelS”转型”的四年时间,电池组成本已经下降了约44%,并且仍然会继续下降。
松下曾在2010年向特斯拉投资3000万美元,成为其股东之一。
并且于2011年达成战略协议,将负责特斯拉今后5年全部车辆的电池供应。
按照特斯拉目前预计每年2万辆的产量,松下18650将装配在超过8万台ModelS上。
6831节锂电池的神奇重组
18650存在安全风险是不争的事实,特斯拉如何”搞定”这一硬伤?
秘密武器在于其电池管理系统,给出的解决方案是将6831节2安时左右的松下18650封装电池通过串联和并联结合在一起。
特斯拉为何坚持使用钴酸锂电池?
TeslaRoadster电动跑车动力系统
要驱动一辆电动车,需要大量的18650电池,TeslaRoadster的电池系统包含6831节小电池,而TeslaModelS更是高达8000节,如何排列组装这些数量众多的小电池尤为重要。
这时候,特斯拉创始人之一MarcTarpenning以往的经验派上了用场。
他曾是这个领域的专家并成功出售过一家公司。
他把网络控制领域用程序控制成百上万台服务器的模式搬到了特斯拉电池系统控制领域,通过一年的DOE(designofexperiment,实验设计),用分层次管理的办法成功控制了这6831节小电池以及电压和温度:
69个18650电池被并联封装成一个电池砖;
99个电池砖串联成一个电池片;
11个电池片组成一个电池包,总计6831节。
仅仅有这些层次还不够,对于每一个层次都要进行监控,于是他们在每个电池单元、每个电池砖、每个电池片的两端均设置有保险丝,一旦电池过热或者电流过大则立刻融断,断开输出。
仅仅有保险丝还是不够,于是:
在每个电池片上,均设置有BMB(BatteryMonitorboard)即电池监控板,用以监控每个电池砖的电压,温度以及整个电池片的输出电压。
在整个电池包上,设置有BSM(BatterySystemMonitor),用以监控整个电池包的工作环境。
包括电池包的电流,电压,温度,湿度,方位,烟雾等。
在整车层面,设置有VSM(VehicleSystemMonitor),用以监控BSM。
这样一套电池控制系统成为Tesla的技术核心,当特斯拉刚刚公布这套造价高昂的系统时(传言高于20000美金),很多业内人士不约而同地对其唱衰,认为将7000个电池放在汽车里的行为是可笑的。
但事实却给予他们有力的回应,雪佛兰Volt起火、FiskerKarma车型更是一年内发生三次自燃事件,而反观特斯拉,不论是Roadster还是TeslaModelS都从未发生过起火自燃事件。
特斯拉为何坚持使用钴酸锂电池?
TeslaModelS电池板与车架融为一体的设计
特斯拉已经和丰田、戴姆勒等厂商在电动车领域进行合作,包括为smart、奔驰A级、奔驰B级等车型电动版提供电池动力,给丰田RAV4电动车提供电池组和电机等。
目前戴姆勒持有特斯拉4.3%的股份,丰田也持有特斯拉2.9%的股份。
但是由于特斯拉正式投入市场的产品时间不长且数量不多,理论上完美的特斯拉电池系统还需继续面临实践检验。
[文档可能无法思考全面,请浏览后下载,另外祝您生活愉快,工作顺利,万事如意!
]
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 锂电池 学习
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)