鋰離子電池由正極、負(fù)極、電解液及隔膜,外加正負(fù)引線、電池殼、安全裝置等組成的。鋰離子電池在充放電過(guò)程中,Li+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時(shí),Li+從正極脫嵌,經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極,負(fù)極處于富鋰狀態(tài);放電時(shí)則相反。手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們俗稱其為鋰電池。
鋰離子電池作為動(dòng)力源,被廣泛應(yīng)用在單兵電子設(shè)備、潛艇、魚(yú)雷、無(wú)人機(jī)中。
概述
鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們俗稱其為鋰電池。電池一般采用含有鋰元素的材料作為電極,是現(xiàn)代高性能電池的代表。而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大,很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。
鋰離子電池由日本索尼公司于1990年最先開(kāi)發(fā)成功。它是把鋰離子嵌入碳(石油焦炭和石墨)中形成負(fù)極(傳統(tǒng)鋰電池用鋰或鋰合金作負(fù)極)。正極材料常用LixCoO2,也用LixNiO2和LixMnO4,電解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯(EC)+二甲基碳酸酯(DMC)。
石油焦炭和石墨作負(fù)極材料無(wú)毒,且資源充足,鋰離子嵌入碳中,克服了鋰的高活性,解決了傳統(tǒng)鋰電池存在的安全問(wèn)題,正極LixCoO2在充、放電性能和壽命上均能達(dá)到較高水平,使成本降低,總之鋰離子電池的綜合性能提高了。預(yù)計(jì)21世紀(jì)鋰離子電池將會(huì)占有很大的市場(chǎng)。
鋰離子二次電池充、放電時(shí)的反應(yīng)式為:LiCoO2+C=Li1-xCoO2+LixC
電池區(qū)別
鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆:
(1)鋰電池:以金屬鋰為負(fù)極。
(2)鋰離子電池:使用非水液態(tài)有機(jī)電解質(zhì)。
(3)鋰離子聚合物電池:用聚合物來(lái)凝膠化液態(tài)有機(jī)溶劑,或者直接用全固態(tài)電解質(zhì)。鋰離子電池一般以石墨類碳材料為負(fù)極。
鋰離子電池是一類重要的電池技術(shù),其在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。關(guān)于鋰離子電池的區(qū)別,可以從多個(gè)維度來(lái)探討,包括與其他類型電池的區(qū)別、不同種類鋰離子電池之間的區(qū)別以及應(yīng)用領(lǐng)域的區(qū)別。
鋰離子電池與其他類型電池的區(qū)別
1、鋰電池:鋰離子電池與鋰電池雖然都含有鋰元素,但它們?cè)谠?、結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上存在顯著差異。鋰電池通常指以鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料的一次性電池,其化學(xué)性質(zhì)活潑,加工、保存和使用對(duì)環(huán)境要求高,且容量衰減快。而鋰離子電池則以鋰化合物為正極材料,石墨等插層結(jié)構(gòu)材料為負(fù)極,鋰離子在正負(fù)極之間移動(dòng)實(shí)現(xiàn)充放電,因此更加安全,且可循環(huán)使用。
2、蓄電池:蓄電池與鋰離子電池同都是可以多次重復(fù)充電的電池,但它們?cè)陔娊赓|(zhì)、電壓穩(wěn)定性和適用環(huán)境等方面有所不同。蓄電池電解質(zhì)由亞鐵和多種酸溶液組成,電壓穩(wěn)定但高溫時(shí)易變形;而鋰離子電池電解質(zhì)為帶電離子的有機(jī)溶劑,電壓穩(wěn)定且能在高溫中使用,同時(shí)能量密度更高。
不同種類鋰離子電池之間的區(qū)別
鋰離子電池根據(jù)正極材料的不同主要分為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、鎳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池等。這些電池在性能上各有特點(diǎn),例如:
鈷酸鋰電池:具有較高的能量密度和較好的循環(huán)性能,但成本較高且安全性相對(duì)較差。
錳酸鋰電池:成本較低且安全性好,但能量密度和循環(huán)壽命相對(duì)較短。
磷酸鐵鋰電池:具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命、較好的安全性和穩(wěn)定性,但能量密度相對(duì)較低。
三元鋰電池:能量密度高、充電速度快且耐低溫性好,但成本較高且安全性需要特別注意。
鋰離子電池在不同應(yīng)用領(lǐng)域的區(qū)別
鋰離子電池根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可分為消費(fèi)電池、動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池。它們?cè)谛阅芤?、使用壽命和成本等方面有所不同?/p>
消費(fèi)電池:主要用于便攜式電子設(shè)備如手機(jī)、筆記本電腦等,對(duì)能量密度、體積和重量有較高要求。
動(dòng)力電池:多用于電動(dòng)汽車、電動(dòng)自行車等電動(dòng)工具,對(duì)能量密度、充電速度、放電電流和安全性有更高要求。
儲(chǔ)能電池:主要應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻電力輔助服務(wù)、可再生能源并網(wǎng)和微電網(wǎng)等領(lǐng)域,對(duì)電池容量、運(yùn)行穩(wěn)定性和循環(huán)壽命有較高要求。
綜上所述,鋰離子電池在多個(gè)方面存在區(qū)別,這些區(qū)別使得鋰離子電池能夠適應(yīng)不同的應(yīng)用需求和環(huán)境條件。
主要種類
根據(jù)鋰離子電池所用電解質(zhì)材料的不同,鋰離子電池分為液態(tài)鋰離子電池(Liquified Lithium-Ion Battery,簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)IB)和聚合物鋰離子電池(Polymer Lithium-Ion Battery,簡(jiǎn)稱為PLB)。
鋰離子電池(Li--ion)
可充電鋰離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池,但它較為“嬌氣”,在使用中不可過(guò)充、過(guò)放(會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢)。因此,在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。鋰離子電池充電要求很高,要保證終止電壓精度在±1%之內(nèi),各大半導(dǎo)體器件廠已開(kāi)發(fā)出多種鋰離子電池充電的IC,以保證安全、可靠、快速地充電。
手機(jī)基本上都是使用鋰離子電池。正確地使用鋰離子電池對(duì)延長(zhǎng)電池壽命是十分重要的。它根據(jù)不同的電子產(chǎn)品的要求可以做成扁平長(zhǎng)方形、圓柱形、長(zhǎng)方形及扣式,并且有由幾個(gè)電池串聯(lián)并聯(lián)在一起組成的電池組。鋰離子電池的額定電壓,因?yàn)椴牧系淖兓?,一般?.7V,磷酸鐵鋰(以下稱磷鐵)正極的則為3.2V。充滿電時(shí)的終止充電電壓一般是4.2V,磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V~3.0V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓,各參數(shù)略有不同,一般為3.0V,磷鐵為2.5V)。低于2.5V(磷鐵2.0V)繼續(xù)放電稱為過(guò)放,過(guò)放對(duì)電池會(huì)有損害。
鈷酸鋰類型材料為正極的鋰離子電池不適合用作大電流放電,過(guò)大電流放電時(shí)會(huì)降低放電時(shí)間(內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量),并可能發(fā)生危險(xiǎn);但磷酸鐵鋰正極材料鋰電池,可以以20C甚至更大(C是電池的容量,如C=800mAh,1C充電率即充電電流為800mA)的大電流進(jìn)行充放電,特別適合電動(dòng)車使用。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流,在使用中應(yīng)小于最大放電電流。鋰離子電池對(duì)溫度有一定要求,工廠給出了充電溫度范圍、放電溫度范圍及保存溫度范圍,過(guò)壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議,并要求有限流電路以免發(fā)生過(guò)流(過(guò)熱)。一般常用的充電倍率為0.25C~1C。在大電流充電時(shí)往往要檢測(cè)電池溫度,以防止過(guò)熱損壞電池或產(chǎn)生爆炸。
鋰離子電池充電分為兩個(gè)階段:先恒流充電,到接近終止電壓時(shí)改為恒壓充電。例一種800mAh容量的電池,其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電,開(kāi)始時(shí)電池電壓以較大的斜率升壓,當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí),改成4.2V恒壓充電,電流漸降,電壓變化不大,到充電電流降為1/10-50C(各廠設(shè)定值不一,不影響使用)時(shí),認(rèn)為接近充滿,可以終止充電(有的充電器到1/10C后啟動(dòng)定時(shí)器,過(guò)一定時(shí)間后結(jié)束充電)。
凝聚態(tài)鋰離子電池
2023年4月19日,寧德時(shí)代發(fā)布凝聚態(tài)電池,能量密度最高為500Wh/kg,2023年內(nèi)具備量產(chǎn)能力。
發(fā)展過(guò)程
1970年,??松腗.S.Whittingham采用硫化鈦?zhàn)鳛檎龢O材料,金屬鋰作為負(fù)極材料,制成首個(gè)鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或氯化亞砜,負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。鋰離子電池(Li-ion Batteries)是鋰電池發(fā)展而來(lái)。舉例來(lái)講,以前照相機(jī)里用的扣式電池就屬于鋰電池。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好,在充放電循環(huán)過(guò)程中容易形成鋰結(jié)晶,造成電池內(nèi)部短路,所以一般情況下這種電池是禁止充電的。
1982年伊利諾伊理工大學(xué)(the Illinois Institute of Technology)的R.R.Agarwal和J.R.Selman發(fā)現(xiàn)鋰離子具有嵌入石墨的特性,此過(guò)程是快速的,并且可逆。與此同時(shí),采用金屬鋰制成的鋰電池,其安全隱患備受關(guān)注,因此人們嘗試?yán)娩囯x子嵌入石墨的特性制作充電電池。首個(gè)可用的鋰離子石墨電極由貝爾實(shí)驗(yàn)室試制成功。
1983年M.Thackeray、J.Goodenough等人發(fā)現(xiàn)錳尖晶石是優(yōu)良的正極材料,具有低價(jià)、穩(wěn)定和優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)鋰性能。其分解溫度高,且氧化性遠(yuǎn)低于鈷酸鋰,即使出現(xiàn)短路、過(guò)充電,也能夠避免了燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。
1989年,A.Manthiram和J.Goodenough發(fā)現(xiàn)采用聚合陰離子的正極將產(chǎn)生更高的電壓。
1992年,日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負(fù)極,以含鋰的化合物作正極的鋰電池,在充放電過(guò)程中,沒(méi)有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。此類以鈷酸鋰作為正極材料的電池,是便攜電子器件的主要電源。
1996年,Padhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽,如磷酸鐵鋰(LiFePO4),比傳統(tǒng)的正極材料更具安全性,尤其耐高溫,耐過(guò)充電性能遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)鋰離子電池材料。
縱觀電池發(fā)展的歷史,可以看出當(dāng)前世界電池工業(yè)發(fā)展的三個(gè)特點(diǎn),一是綠色環(huán)保電池迅猛發(fā)展,包括鋰離子蓄電池、氫鎳電池等;二是一次電池向蓄電池轉(zhuǎn)化,這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略;三是電池進(jìn)一步向小、輕、薄方向發(fā)展。在商品化的可充電池中,鋰離子電池的比能量最高,特別是聚合物鋰離子電池,可以實(shí)現(xiàn)可充電池的薄形化。正因?yàn)殇囯x子電池的體積比能量和質(zhì)量比能量高,可充且無(wú)污染,具備當(dāng)前電池工業(yè)發(fā)展的三大特點(diǎn),因此在發(fā)達(dá)國(guó)家中有較快的增長(zhǎng)。電信、信息市場(chǎng)的發(fā)展,特別是移動(dòng)電話和筆記本電腦的大量使用,給鋰離子電池帶來(lái)了市場(chǎng)機(jī)遇。而鋰離子電池中的聚合物鋰離子電池以其在安全性的獨(dú)特優(yōu)勢(shì),將逐步取代液體電解質(zhì)鋰離子電池,而成為鋰離子電池的主流。聚合物鋰離子電池被譽(yù)為“21世紀(jì)的電池”,將開(kāi)辟蓄電池的新時(shí)代,發(fā)展前景十分樂(lè)觀。
2015年3月,日本夏普與京都大學(xué)的田中功教授聯(lián)手成功研發(fā)出了使用壽命可達(dá)70年之久的鋰離子電池。此次試制出的長(zhǎng)壽鋰離子電池,體積為8立方厘米,充放電次數(shù)可達(dá)2.5萬(wàn)次。并且夏普方面表示,此長(zhǎng)壽鋰離子電池實(shí)際充放電1萬(wàn)次之后,其性能依舊穩(wěn)定。
2019年10月9日,瑞典皇家科學(xué)院宣布,將2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予約翰·古迪納夫、斯坦利·惠廷厄姆和吉野彰,以表彰他們?cè)阡囯x子電池研發(fā)領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)。
2022年二季度,鋰離子電池、電子元器件、集成電路等小類行業(yè)增加值增速均在20%以上。
自2023年8月1日起,對(duì)鋰離子電池和電池組實(shí)施CCC認(rèn)證管理。自2024年8月1日起,未獲得CCC認(rèn)證證書(shū)和標(biāo)注認(rèn)證標(biāo)志的,不得出廠、銷售、進(jìn)口或者在其他經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中使用。
使用和維護(hù)
概述
掌握鋰離子電池的使用和維護(hù)技術(shù),可以延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命和保持電池的優(yōu)越性能。
鋰離子電池放電
放電終止電壓:鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產(chǎn)品為3.7V),終止放電電壓為2.5-2.75V(電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓,各參數(shù)略有不同)。電池的放電終止電壓不應(yīng)小于2.5(n是串聯(lián)的電池?cái)?shù)),低于終止放電電壓繼續(xù)放電稱為過(guò)放,過(guò)放會(huì)使電池壽命縮短,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池失效。電池不用時(shí),應(yīng)將電池充電到保有20%的電容量,再進(jìn)行防潮包裝保存,3~6個(gè)月檢測(cè)電壓1次,并進(jìn)行充電,保證電池電壓在安全電壓值(3V以上)范圍內(nèi)。
放電電流:鋰離子電池不適合用作大電流放電,過(guò)大電流放電時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較高的溫度而損耗能量,減少放電時(shí)間,若電池中無(wú)保護(hù)元件還會(huì)產(chǎn)生過(guò)熱而損壞電池。因此電池生產(chǎn)工廠給出最大放電電流,在使用中不能超過(guò)產(chǎn)品特性表中給出的最大放電電流。
放電溫度:不同溫度下的放電曲線是不同的。在不同溫度下,鋰離子電池的放電電壓及放電時(shí)間也不同,電池應(yīng)在-20℃到+60℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行放電(工作)。
鋰離子電池充電
在使用鋰電池中應(yīng)注意的是,電池放置一段時(shí)間后則進(jìn)入休眠狀態(tài),此時(shí)容量低于正常值,使用時(shí)間亦隨之縮短。但鋰電池很容易激活,只要經(jīng)過(guò)3—5次正常的充放電循環(huán)就可激活電池,恢復(fù)正常容量。由于鋰電池本身的特性,決定了它幾乎沒(méi)有記憶效應(yīng)。因此用戶手機(jī)中的新鋰電池在激活過(guò)程中,是不需要特別的方法和設(shè)備的。
對(duì)鋰離子電池充電,應(yīng)使用專用的鋰離子電池充電器。鋰離子電池充電采用 “恒流/恒壓”方式,先恒流充電,到接近終止電壓時(shí)改為恒壓充電。如一種800mA.h容量的電池,其終止充電電壓為4.2V。電池以800mA(充電率為1C)恒流充電,開(kāi)始時(shí)電池電壓以較大的斜率上升,當(dāng)電池電壓接近4.2V時(shí),改成4.2V恒壓充電,鋰電池電流漸降,電壓變化不大,到充電電流降為1/10C(約80mA)時(shí),認(rèn)為接近充滿,可以終止充電(有的充電器到10C后啟動(dòng)定時(shí)器,過(guò)一定時(shí)間后結(jié)束充電)。不能用充鎳鎘電池的充電器(充三節(jié)鎳鎘電池的)來(lái)充鋰離子電池(雖然額定電壓一樣,都是3.6V),由于充電方式不同,容易造成過(guò)充。
充電電壓:充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池負(fù)極材料有關(guān),焦炭為4.1V,而石墨為4.2V,一般稱為4.1V鋰離子電池及4.2V鋰離子電池。在充電時(shí)應(yīng)注意4.1V的電池不能用4.2V的充電器充電,否則會(huì)有過(guò)充危險(xiǎn)(4.1V與4.2V的充電器所用的充電器IC不同)。鋰離子電池對(duì)充電的要求是很高的,它要求精密的充電電路以保證充電的安全。終止充電電壓精度允差為額定值的±1%(例如,充4.2V的鋰離子電池,其允差為±0.042V),過(guò)壓充電會(huì)造成鋰離子電池永久性損壞。
充電電流:鋰離子電池充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議,并要求有限流電路以免發(fā)生過(guò)流(過(guò)熱)。一般常用的充電率為0.25~1C,推薦的充電電流為0.5C(C是電池的容量,如標(biāo)稱容量1500mA.h的電池,充電電流0.5*1500=750mA)。在大電流充電時(shí)往往要檢測(cè)電池溫度,以防止因過(guò)熱而損壞電池或產(chǎn)生爆炸。
充電溫度:對(duì)電池充電時(shí),其環(huán)境溫度不能超過(guò)產(chǎn)品特性表中所列的溫度范圍。電池應(yīng)在0~45℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行充電,遠(yuǎn)離高溫(高于60℃)和低溫(-20℃)環(huán)境。
鋰離子電池在充電或放電過(guò)程中若發(fā)生過(guò)充、過(guò)放或過(guò)流時(shí),會(huì)造成電池的損壞或降低使用壽命。為此開(kāi)發(fā)出各種保護(hù)元件及由保護(hù)IC組成的保護(hù)電路,它安裝在電池或電池組中,使電池獲得完善的保護(hù)。但是在使用中應(yīng)盡可能防止過(guò)充電及過(guò)放電。例如,手機(jī)電池在充電過(guò)程中,快充滿時(shí)應(yīng)及時(shí)與充電器進(jìn)行分離。放電深度淺時(shí),循環(huán)壽命會(huì)明顯提高。因此在使用時(shí),不要等到手機(jī)上出現(xiàn)電池不足的信號(hào)時(shí)才去充電,更不要在出現(xiàn)此信號(hào)時(shí)繼續(xù)使用,盡管出現(xiàn)此信號(hào)時(shí)還有一部分殘余容量可供使用。
貯存和運(yùn)輸
鋰離子電池可貯存在溫度為-5~35℃,相對(duì)濕度不大于75%的清潔、干燥、通風(fēng)的環(huán)境中,應(yīng)避免與腐蝕性物質(zhì)接觸,遠(yuǎn)離火源及熱源,不要置于陽(yáng)光直射的地方,不能隨意拆卸電池。電池若長(zhǎng)期貯存,電池電量應(yīng)保持標(biāo)稱容量的30%~50%,推薦貯存的電池每6個(gè)月充電一次。
電池應(yīng)包裝成箱進(jìn)行運(yùn)輸,在運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)防止劇烈振動(dòng)、撞擊或擠壓,防止日曬雨淋,可使用汽車、火車、輪船、飛機(jī)等交通工具進(jìn)行運(yùn)輸。
短路
關(guān)于鋰離子電池的安全問(wèn)題,請(qǐng)各位朋友重視。鋰離子電池在充電過(guò)程中很容易發(fā)生短路情況。
雖然大多數(shù)鋰離子電池都帶有防短路的保護(hù)電路,還有防爆線。但很多情況下,這個(gè)電路在各種情況下,不一定會(huì)起作用。防爆線能起的作用也很有限。
過(guò)充
所有的鋰離子電池,包括聚合物鋰離子電池、鋰鐵電池等等,都非常害怕過(guò)充。
鋰離子電池如果充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng),發(fā)生的爆炸的可能性就會(huì)加大。
鋰的化學(xué)性質(zhì)非?;顫姡苋菀兹紵?,當(dāng)電池充放電時(shí),電池內(nèi)部持續(xù)升溫,活化過(guò)程中所產(chǎn)生的氣體膨脹,使電池內(nèi)壓加大。壓力達(dá)到一定程度,如外殼有傷痕,即會(huì)破裂,引起漏液、起火,甚至爆炸。
所以,大家在使用鋰離子電池的時(shí)候要非常注意安全。
充電
充電是電池重復(fù)使用的重要步驟,鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段:恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。恒流快充階段,電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓,隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段,電壓不再升高以確保不會(huì)過(guò)充,電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設(shè)定的值,而最終完成充電。電量統(tǒng)計(jì)芯片通過(guò)記錄放電曲線可以抽樣計(jì)算出電池的電量。鋰離子電池在多次使用后,放電曲線會(huì)發(fā)生改變,鋰離子電池雖然不存在記憶效應(yīng),但是充、放電不當(dāng)會(huì)嚴(yán)重影響電池性能。
充電注意事項(xiàng)
鋰離子電池過(guò)度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過(guò)度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,而塌陷會(huì)造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入;過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu),而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。
充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間,在充電控制電壓一定的情況下,充電電流越大(充電速度越快),充電電量越小。電池充電速度過(guò)快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng),同樣會(huì)造成電池容量不足,實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒(méi)有得到充分反應(yīng)就停止充電,這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。
放電
第一次充放電,如果時(shí)間能較長(zhǎng)(一般3--4小時(shí)足夠),那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)(充足電),放電(或使用)時(shí)則強(qiáng)制放到規(guī)定的電壓、或直至自動(dòng)關(guān)機(jī),如此能激活電池使用容量。
但在鋰離子電池的平常使用中,不需要如此操作,可以隨時(shí)根據(jù)需要充電,充電時(shí)既不必要一定充滿電為止,也不需要先放電。象首次充放電那樣的操作,只需要每隔3--4個(gè)月進(jìn)行連續(xù)的1--2次即可。
內(nèi)短路保護(hù)
鋰離子電池由于材料體系及制成工藝等諸多方面因素的影響,存在發(fā)生內(nèi)短路的風(fēng)險(xiǎn)。雖然鋰離子電池在出廠時(shí)都已經(jīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的老化及自放電篩選,但由于過(guò)程失效及其他不可預(yù)知的使用因素影響,依然存在一定的失效概率導(dǎo)致使用過(guò)程中出現(xiàn)內(nèi)短路。對(duì)于動(dòng)力電池,其電池組中鋰離子電池多達(dá)幾百節(jié)甚至上萬(wàn)節(jié),大大放大了電池組發(fā)生內(nèi)短的概率。由于動(dòng)力電池組內(nèi)部所蘊(yùn)含的能量極大,內(nèi)短路的發(fā)生極易誘發(fā)惡性事故,導(dǎo)致人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。
對(duì)于并聯(lián)的鋰離子動(dòng)力電池模組,當(dāng)其中一節(jié)或幾節(jié)電池發(fā)生內(nèi)短時(shí),電池模組中的其他電池會(huì)對(duì)其放電,電池組的能量會(huì)使內(nèi)短電池溫度急速升高,極易誘發(fā)熱失控,最終導(dǎo)致電池起火爆炸。
常規(guī)的溫度探測(cè)在電池升溫時(shí),雖然可以告知IC切斷主回路,但無(wú)法阻止并聯(lián)電池模組內(nèi)部的持續(xù)放電,并且由于主回路切斷,電池模組所有的能量都集中于內(nèi)短路電池,反而增加了熱失控發(fā)生的幾率。
理想的方案是,在發(fā)現(xiàn)某節(jié)電池發(fā)生內(nèi)短而升溫時(shí),可以切斷該節(jié)電池與模組中其他電池的連接回路。在單節(jié)電池上組裝TE PPTC或者M(jìn)HP-TA系列產(chǎn)品,當(dāng)內(nèi)短路發(fā)生時(shí)TE保護(hù)器件可以有效地阻斷內(nèi)短路電池與模組內(nèi)其他電池的聯(lián)系,防止惡性事故的發(fā)生。對(duì)于單體電池?cái)?shù)量大的動(dòng)力電池組,配組時(shí)對(duì)電池及器件內(nèi)阻一致性要求較高,而MHP-TA由于其內(nèi)部雙金屬結(jié)構(gòu),器件電阻的一致性非常好, 可以極大地滿足對(duì)于電池內(nèi)阻的要求。
鋰離子動(dòng)力電池的系統(tǒng)組成及實(shí)際路況復(fù)雜,被動(dòng)器件的防護(hù)是必不可少的。
和磷酸鐵鋰電池的區(qū)別
鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池在多個(gè)方面存在顯著的區(qū)別,這些區(qū)別主要體現(xiàn)在正極材料、電池性能、應(yīng)用領(lǐng)域、外觀形狀以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面。
一、正極材料
鋰離子電池:正極材料種類多樣,主要包括鋰鈷酸、鋰錳酸、鋰鎳酸、三元材料(鎳鈷錳或鎳鈷鋁)以及磷酸鐵鋰等。其中,鈷酸鋰是目前絕大多數(shù)鋰離子電池使用的正極材料。
磷酸鐵鋰電池:特指以磷酸鐵鋰為正極材料的鋰離子電池。磷酸鐵鋰材料具有獨(dú)特的橄欖石結(jié)構(gòu),使得電池在安全性、循環(huán)壽命等方面表現(xiàn)出色。
二、電池性能
能量密度:鋰離子電池通常具有較高的能量密度,能夠提供更高的能量輸出。相比之下,磷酸鐵鋰電池的能量密度相對(duì)較低,但其在循環(huán)壽命和安全性方面更具優(yōu)勢(shì)。
循環(huán)壽命:磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命普遍較長(zhǎng),部分電池甚至可以達(dá)到上萬(wàn)次的充放電循環(huán),遠(yuǎn)超過(guò)鋰離子電池的循環(huán)壽命(一般在數(shù)千次左右)。
安全性:磷酸鐵鋰電池因其良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性,在安全性方面表現(xiàn)優(yōu)異,不易發(fā)生過(guò)熱、燃燒及爆炸等安全事故。而鋰離子電池在過(guò)充或過(guò)熱的條件下可能存在安全隱患。
充放電性能:鋰離子電池具有較高的充放電倍率性能,適用于需要快速充放電的場(chǎng)合。磷酸鐵鋰電池雖然充放電倍率不如鋰離子電池,但其在大電流放電方面也有一定優(yōu)勢(shì)。
三、應(yīng)用領(lǐng)域
鋰離子電池:廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦等便攜設(shè)備和消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域。同時(shí),隨著電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速發(fā)展,鋰離子電池也逐漸成為這些領(lǐng)域的重要能源解決方案。
磷酸鐵鋰電池:主要應(yīng)用于電動(dòng)車、儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域,尤其適用于對(duì)安全性和循環(huán)壽命要求較高的場(chǎng)合。例如,磷酸鐵鋰電池在電動(dòng)公交車、儲(chǔ)能電站等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
四、外觀形狀
鋰離子電池:外觀形狀和尺寸多樣化,可根據(jù)不同需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的鋰離子電池形狀包括圓柱形、扁平形和異形等。
磷酸鐵鋰電池:通常為方形或圓柱形,外殼一般為金屬材質(zhì)。其外觀形狀相對(duì)較為統(tǒng)一,便于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
五、優(yōu)缺點(diǎn)歸納
鋰離子電池:
優(yōu)點(diǎn):高能量密度、長(zhǎng)壽命、輕質(zhì)、無(wú)記憶效應(yīng)、低自放電率、環(huán)保等。
缺點(diǎn):安全性相對(duì)較低(尤其是在過(guò)充或過(guò)熱條件下)、成本較高、部分電池存在單體一致性差的問(wèn)題。
磷酸鐵鋰電池:
優(yōu)點(diǎn):安全性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、耐高溫、綠色環(huán)保、無(wú)毒無(wú)污染等。
缺點(diǎn):能量密度相對(duì)較低、低溫性能較差、導(dǎo)電性能不如部分鋰離子電池等。
綜上所述,鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用范圍。在選擇電池時(shí),應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用需求和場(chǎng)景來(lái)選擇合適的電池類型。
制作工藝
鋰電池的正極材料有鈷酸鋰LiCoO2 、三元材料Ni+Mn+Co、錳酸鋰LiMn2O4加導(dǎo)電劑和粘合劑,涂在鋁箔上形成正極,負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上,比較先進(jìn)的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。
1、制漿:用專門的溶劑和粘結(jié)劑分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合,經(jīng)攪拌均勻后,制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。
2、涂膜:通過(guò)自動(dòng)涂布機(jī)將正負(fù)極漿料分別均勻地涂覆在金屬箔表面,經(jīng)自動(dòng)烘干后自動(dòng)剪切制成正負(fù)極極片。
3、裝配:按正極片—隔膜—負(fù)極片—隔膜自上而下的順序經(jīng)卷繞注入電解液、封口、正負(fù)極耳焊接等工藝過(guò)程,即完成電池的裝配過(guò)程,制成成品電池。
4、化成:將成品電池放置測(cè)試柜進(jìn)行充放電測(cè)試,篩選出合格的成品電池,待出廠。
前景
鋰離子電池的前景非常廣闊,主要得益于其在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及技術(shù)的不斷進(jìn)步。以下是對(duì)鋰離子電池前景的詳細(xì)分析:
一、市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng)
1、新能源汽車市場(chǎng):隨著全球范圍內(nèi)對(duì)環(huán)保和能源效率的重視日益增強(qiáng),新能源汽車市場(chǎng)快速發(fā)展,特別是電動(dòng)汽車的普及,極大地推動(dòng)了鋰離子電池的需求。中國(guó)作為全球最大的新能源汽車市場(chǎng),其動(dòng)力電池需求激增,為鋰離子電池行業(yè)提供了廣闊的市場(chǎng)空間。據(jù)數(shù)據(jù)顯示,中國(guó)新能源汽車產(chǎn)量和動(dòng)力電池裝車量均保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。
2、儲(chǔ)能領(lǐng)域:隨著可再生能源(如太陽(yáng)能、風(fēng)能)的廣泛應(yīng)用,儲(chǔ)能系統(tǒng)成為解決能源供需不平衡的關(guān)鍵。鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命等特點(diǎn),在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。特別是在通訊儲(chǔ)能、電力儲(chǔ)能、分布式能源系統(tǒng)等方面,鋰離子電池的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。
3、消費(fèi)電子市場(chǎng):盡管智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)電子產(chǎn)品的市場(chǎng)增長(zhǎng)有所放緩,但鋰離子電池在這些領(lǐng)域的應(yīng)用仍然穩(wěn)定。同時(shí),隨著新興消費(fèi)電子產(chǎn)品(如可穿戴設(shè)備、智能家居等)的興起,鋰離子電池的需求也將得到進(jìn)一步拓展。
二、技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)
1、固態(tài)電池技術(shù):固態(tài)電池被認(rèn)為是下一代鋰離子電池的主流技術(shù)。相比傳統(tǒng)液態(tài)電池,固態(tài)電池具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命和更好的安全性。隨著固態(tài)電池技術(shù)的不斷突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,鋰離子電池的性能將得到顯著提升。
2、智能制造與數(shù)字化管理:隨著智能制造的興起和數(shù)字化管理技術(shù)的應(yīng)用,鋰離子電池的生產(chǎn)過(guò)程將逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化。這不僅可以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,還可以降低生產(chǎn)成本和能耗。
三、政策支持與市場(chǎng)環(huán)境
1、政策支持:各國(guó)政府紛紛出臺(tái)相關(guān)政策措施支持新能源汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展,為鋰離子電池行業(yè)提供了良好的政策環(huán)境。例如,中國(guó)政府提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)以及一系列針對(duì)新能源汽車的優(yōu)惠政策,都將進(jìn)一步推動(dòng)鋰離子電池市場(chǎng)的發(fā)展。
2、市場(chǎng)環(huán)境:隨著全球貿(mào)易的不斷發(fā)展和中國(guó)鋰離子電池企業(yè)實(shí)力的增強(qiáng),越來(lái)越多的企業(yè)將加快拓展國(guó)際市場(chǎng)。通過(guò)參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、加強(qiáng)與國(guó)際先進(jìn)企業(yè)的合作與交流,中國(guó)鋰離子電池行業(yè)將進(jìn)一步提升在國(guó)際市場(chǎng)上的地位和影響力。
四、挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存
盡管鋰離子電池市場(chǎng)前景廣闊,但行業(yè)也面臨著一些挑戰(zhàn)。首先,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈,價(jià)格戰(zhàn)頻發(fā),導(dǎo)致企業(yè)利潤(rùn)空間被壓縮。其次,原材料價(jià)格波動(dòng)、國(guó)際貿(mào)易摩擦等外部因素也對(duì)行業(yè)發(fā)展帶來(lái)了一定的沖擊。然而,這些挑戰(zhàn)同時(shí)也孕育著新的機(jī)遇。通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、拓展國(guó)際市場(chǎng)等措施,鋰離子電池行業(yè)有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健和可持續(xù)的發(fā)展。
綜上所述,鋰離子電池前景廣闊,市場(chǎng)需求持續(xù)增長(zhǎng),技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí),政策支持與市場(chǎng)環(huán)境良好。雖然面臨一定挑戰(zhàn),但行業(yè)整體發(fā)展趨勢(shì)向好,未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健和可持續(xù)的發(fā)展。
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