鋰離子電池作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)分析

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

從鋰離子電池結(jié)構(gòu)來說，主要分為以下五個部分組成，

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)、作業(yè)原理、資料分類、充電辦法、規(guī)劃規(guī)范

（1）正極資料：電極電勢較高、結(jié)構(gòu)安穩(wěn)的具有嵌鋰才能的層狀或尖晶石結(jié)構(gòu)的過渡金屬氧化物或聚陰離子型化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元資料等。

（2）負極資料：電位挨近鋰電位、結(jié)構(gòu)安穩(wěn)的并可許多儲鋰的層狀石墨、金屬單質(zhì)及金屬氧化物，如石墨、中心相碳微球、鈦酸鋰等。

（3）電解液：溶有電解質(zhì)鋰鹽的有機溶劑，供給鋰離子，電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機溶劑主要由碳酸二乙酯（DEC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）、二甲酯（DMC）等其中的一種或幾種混合組成。

（4）隔閡：置于正負極之間，避免正負極直接接觸，且答應Li+離子經(jīng)過的聚烯微多孔膜，如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP），或它們復合膜，PP/PE/PP三層隔閡。

（5）外殼：電池封裝，主要有鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片等。

鋰離子電池作業(yè)原理

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)、作業(yè)原理、資料分類、充電辦法、規(guī)劃規(guī)范

所謂鋰離子電池是由兩個可嵌入與可脫嵌鋰離子的資料作為電池的正極與負極，實現(xiàn)可屢次充放電功用的二次電池。鋰離子電池是依靠鋰離子在正負極之間的轉(zhuǎn)移來完成電池充放電作業(yè)。

1.當電池充電時，鋰離子脫離正極嵌入到負極中，放電時方向正好相反。這樣就需求正極在制作前就處于嵌鋰狀況，常規(guī)會選用相對鋰而言電位大于3V且在空氣中安穩(wěn)的鋰化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

2.負極資料常規(guī)會挑選電位盡或許挨近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質(zhì)，如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。

3.電解質(zhì)常規(guī)選用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）等烷基碳酸脂調(diào)配的混合溶劑體系。

4.隔閡選用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔閡不僅熔點較低，并且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。

5.外殼選用鋼或鋁資料，正極蓋體組件具有防爆斷電的安全維護功用。

對于其他類型的電池產(chǎn)品，鋰電池具有重量輕、容量大、無回憶效應等長處，在數(shù)碼設備、小型電動工具及大型儲能設備及新能源動力電池都選用鋰離子電池作儲能設備，鋰離子電池的能量密度高，容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，并且具有很低的自放電率；此外，鋰離子電池簡直沒有“回憶效應”及不含有毒物質(zhì)。

鋰離子電池按資料體系分類及特色

現(xiàn)在主流的鋰離子動力電池，主要按正極資料來分類，可分為以下幾種類別

1.磷酸鐵鋰

2.錳酸鋰

3.鎳酸鋰

4.三元資料主要有鎳鈷錳與鎳鈷鋁

5.磷酸錳鋰

負極資料主要有石墨及鈦酸鋰。

以上正極資料體系的特色主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

一、錳酸鋰體系，電池負極資料主要為石墨。

其克容量低，但壓實密度高，總體能量密度與磷酸鐵里相當；最大問題是較高溫度作業(yè)時易溶解。需求經(jīng)過參雜和外表處理來改善其溫度耐受性，其安穩(wěn)性、安全性不如磷酸鐵鋰。

二、磷酸錳鐵鋰體系，負極為石墨。

資料成熟度低，電子電阻高，現(xiàn)在壽數(shù)較短，由于有鐵鋰和錳鋰混合，所以平臺電壓有兩段，做成組策略時要考慮SOC不一致的影響。

三、磷酸鐵鋰電池，負極為石墨

電壓平臺很平穩(wěn)，能量發(fā)揮好，原資料儲量大，經(jīng)濟功用較好。

同時簡直無沒有熱失控問題（熱失控溫度在800℃以上），資料體系十分安全。也由于電池資料特性安全性高，磷酸鐵里電池能夠做大容量單體電芯（高達幾百安時），有利于體系的成組效率（按重量能量比核算，客車運用硬殼電池能夠到達78%的成組效率）。

磷酸鐵里現(xiàn)已廣泛用于混合動力、純電動客車以及電網(wǎng)和家庭儲能體系，是現(xiàn)在新能源客車市場上用量最多的鋰離子動力電池。

四、三元資料電池，多數(shù)運用鎳鈷錳混合作為正極資料，也有用鎳鈷鋁作為正極資料的（如特斯拉所用松下電池），負極為石墨

能量密度高（現(xiàn)在NCM電功用做到200WH/kg以上，NCA則更高）、壽數(shù)特性優(yōu)秀，但熱失控溫度200℃以上，需求在體系集成中多方面考慮如何操控熱擴散，以滿足其體系安全性需求。也是由于安全性考慮，三元系資料一般不會做大容量單體電芯，三原資料電池多用于純電動乘用車和非載客的商用車，現(xiàn)在是新能源乘用車用量增加最快的電池。

五、鈦酸鋰電池是在鋰離子電池中，用鈦酸鋰代替石墨作為負極資料，只正極資料能夠是以上任何正極資料。

鈦酸鋰電池有四大長處：低溫特性好（尤其是低溫-30℃還能夠充電）、高功率（可大功率充放電，尤其是充電倍率能夠很高）、長壽數(shù)循環(huán)（能夠輕松到達萬次以上）、安全性高（簡直沒有熱失控風險）；

鈦酸鋰也有三大缺點：平臺電壓低（僅有2.2V，體系成組需連接許多電芯，效率很低）、還存在高溫脹氣問題（盡管現(xiàn)在有所改善但并沒有底子處理）、本錢高（約為石墨體系電池的兩倍多），鈦酸鋰電池多用于混合動力和單詞續(xù)航路程要求不高但需求屢次充電的運用場景中;

鋰電池規(guī)劃時所采取的基本安全措施

依據(jù)鋰電池資料體系的不同，鋰電池充電時電壓高于鋰電池的極限電壓后，便開端發(fā)作副作用，過充電壓越高，危險性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后，正極資料內(nèi)剩下的鋰離子數(shù)量不到一半，此時儲存格會垮掉，讓電池容量發(fā)作永久性的下降。假如持續(xù)充電，由于負極的儲存格現(xiàn)已裝滿了鋰離子，后續(xù)的鋰離子會堆積于負極資料外表長出枝狀結(jié)晶，這些鋰結(jié)晶會刺穿隔閡，使正負極短路。有時在短路發(fā)作前電池就或許現(xiàn)已爆破，這是由于在過充進程，電解液等資料會裂解發(fā)作氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負極外表的鋰原子發(fā)作反響爆破。因而，鋰電池充電時，一定要設定電壓上限，才能夠同時兼顧到電池的壽數(shù)、容量和安全性。

鋰電芯放電時也要有電壓下限，當電芯電壓低于極限電壓時，部分資料會開端被損壞。同時由于鋰電池本身會自放電，放置時刻越久電壓會越低。因而在規(guī)劃鋰電池時，放電到電壓的設定會充分考慮這些要素，鋰電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%-5%左右。

充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也十分必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會聚集于資料外表。這些鋰離子獲得電子后，會在資料外表發(fā)作鋰原子結(jié)晶，這與過充相同，會形成危險性。

因而，對鋰離子電池的維護，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會有一片維護板或者功用豐厚的BMS電池辦理體系。

鋰離子電池充電辦法

鋰離子電池常用的充電辦法補充闡明鋰電池技術(shù)6天前恒流/恒壓充電法充電的進程分為三個階段。

（1）預充階段。接通直流電源以后，在檢測到電池時，發(fā)動充電芯片進入預充進程，在此期間充電操控器以比較小的電流給電池充電，使電池電壓和溫度恢復到正常狀況。

（2）恒流充電階段。在充電初期充電電路以恒定的電流對鋰離子電池充電，通常鋰電池大多會選用規(guī)范充電速率。在恒流充電時，電池的電壓將會緩慢上升，只要電池電壓到達所設定的終止電壓，恒流充電就會終止，然后進入恒壓充電進程。

（3）恒壓充電階段。在恒壓充電的進程中，充電的電流會逐漸衰減，當監(jiān)測到充電電流降至設置值以下或滿充時刻超時轉(zhuǎn)入頂端截止充電，此時充電操控器會以極小的充電電流為電池補充能量，一般狀況下該進程能夠延長電池5%~10%的運用時刻。

這種充電辦法中，為避免電流過大，電池溫度過高，在恒流階段，通常選用較小的充電電流進行充電，充電效率仍然不高。為提高充電效率，可選用變流充電法。

變流充電法

鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時刻呈指數(shù)規(guī)則下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線以上會導致電池電解液發(fā)作析氣反響，影響電池壽數(shù)。

電池或許的爆破原因剖析

鋰電芯爆破的原因或許是外部短路、內(nèi)部短路及過充，包括電池組內(nèi)部絕緣規(guī)劃不良等所引起的短路。

因而，對鋰離子電池的維護，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會有一片維護板或者功用豐厚的BMS電池辦理體系。

內(nèi)部短路主要是由于分切不良的銅箔與鋁箔的毛刺刺穿隔閡，或是由于過充原因形成的鋰枝狀結(jié)晶刺穿膈膜所形成。細微極片毛刺會形成微短路，由于毛刺很細有一定的電阻值，因而，電流不見得會很大。

銅、鋁箔毛刺是在出產(chǎn)進程中由于分切不良形成，可檢測到的現(xiàn)象是電芯自放電太快，大多數(shù)狀況下能夠在后端挑選時檢測出來。并且由于毛刺細微，有時會被燒斷，使得電池又恢復正常。因而，因毛刺微短路引發(fā)爆破的機率并不高。

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)、作業(yè)原理、資料分類、充電辦法、規(guī)劃規(guī)范

過在線檢測設備“二次元印象觀測儀“（如上圖）可有用檢測極片毛刺狀況，二次元印象儀能將圖畫放大500倍，能明晰判別毛刺狀況。

內(nèi)部短路引發(fā)的爆破，主要仍是由于過充原因形成。由于，過充后極片上到處都是鋰枝結(jié)晶，刺穿點到處都是，到處都發(fā)作微短路。因而，電池溫度會逐漸升高，最后高溫將電解液氣化。這種景象，不論是溫度過高使資料焚燒爆破，仍是外殼先被撐破，使空氣進去與鋰金屬發(fā)作劇烈氧化，都會爆破。

歸納以上爆破的類型，我們能夠?qū)⒎辣c放在過充的避免、外部短路的避免及提升電芯安全性三方面。其中過充避免及外部短路避免歸于電子防護，歸于電池組體系規(guī)劃及電池拼裝有較大聯(lián)系；電芯安全性的提升要點是化學與結(jié)構(gòu)規(guī)劃防護，與電池芯的規(guī)劃與制作進程質(zhì)量操控有較大聯(lián)系。

規(guī)劃規(guī)范涉及的幾個方面

電池維護板或BMS電池辦理體系硬件冗余規(guī)劃，預防電子元器件失效而引起的整個維護體系失效。電池辦理體系如能對過充、過放、過流都分別供給兩道安全防護，此外為了提升BMS體系的可靠性，BMS產(chǎn)品須經(jīng)過高溫老化處理，供給ESD、浪涌防護及防潮防塵這些基本功用。

在電動汽車電池體系中，BMS電池辦理體系不擔要提過過充、過放、過流維護功用，還要對巨大的電池體系的運行狀況進行監(jiān)控與辦理。為了確保電池作業(yè)在相同的溫度環(huán)境下，BMS還要監(jiān)控所有電芯的作業(yè)溫度，具備熱平衡功用，高效水冷電池模組可將電池作業(yè)溫度有用操控在25±2℃。此外為了提升車輛電池安全性，BMS集成落水監(jiān)測、煙霧監(jiān)測、磕碰監(jiān)測、翻車監(jiān)測、長途報警及自動滅火等安全功用。

鋰電芯在出產(chǎn)制作時會嚴格操控正極、負極、隔閡、電解液等主要原資料的質(zhì)量，從電芯結(jié)構(gòu)規(guī)劃到電芯出產(chǎn)制作整個進程，都須經(jīng)過嚴格的質(zhì)量操控與在線檢測監(jiān)控程序，來確保鋰電芯的高質(zhì)量，經(jīng)過嚴格的后端挑選與批次的損壞性查驗，來確保每一顆出廠電芯的質(zhì)量都契合質(zhì)量要求，確保在過充、過放、過流、振動、機械沖擊、跌落、擠壓、翻轉(zhuǎn)、磕碰、刺穿等狀況下契合質(zhì)量規(guī)范要求。

總之，電池體系規(guī)劃時，必須對過充、過放與過流分別供給兩道電子防護。其中維護板或BMS電池辦理體系是第二道防護，假如沒有外部維護的狀況，電池發(fā)作爆破就代表規(guī)劃不良。

鋰電芯的質(zhì)量成為關(guān)鍵

假如外部維護失利，對鋰電芯質(zhì)量提出更高的要求。電池假如在爆破前，內(nèi)部有鋰原子堆積在資料外表，焚燒爆破的威力會更大。所以鋰電芯抗過充才能比抗外部短路的才能顯得更為重要。

電芯抗外部短路的辦法，通常包括運用高質(zhì)量的隔閡紙和選用壓力閥兩種措施。其中高質(zhì)量的隔閡效果最好，外部短路時超過百分之九十九的電池不會發(fā)作爆破。出產(chǎn)的鋰電芯，每批次須經(jīng)過過充、過放、過流等檢測實驗，備有先進的規(guī)劃理念及高度自動化的出產(chǎn)制作才能，質(zhì)量檢測合格率才能到達100%。