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深度解析汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源鋰離子電池

來源:未知 作者:admin 點(diǎn)擊:發(fā)表時(shí)間:2018-10-04 15:00:53
在后工業(yè)時(shí)代,汽車普及的速度大大超過了我們的想象,在帶來高效方便的同時(shí),也帶來了很多的煩惱,例如:汽車電瓶老化或者在惡劣天氣拋錨無法啟動(dòng),令很多車主頭疼。索性有昂佳這樣的大品牌廠家研發(fā)出一款便捷實(shí)用的汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源,這種電源其實(shí)是在移動(dòng)電源的基礎(chǔ)上,改內(nèi)部電芯為高倍率鋰聚合物電池,從而達(dá)到可啟動(dòng)汽車的電壓,供車主應(yīng)急啟動(dòng)汽車。今天,我們就來為大家深度解析鋰聚合物電池。
汽車應(yīng)急啟動(dòng)電源
鋰聚合物電池是鋰電池的一種,鋰電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池,可以理解為含有鋰元素(包括金屬鋰、鋰合金、鋰離子、鋰聚合物)的電池,可分為鋰金屬電池(極少的生產(chǎn)和使用)和鋰離子電池(現(xiàn)今大量使用)。因其具有比能量高、電池電壓高、工作溫度范圍寬、貯存壽命長等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于軍事和民用小型電器中,如移動(dòng)電話、便攜式計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)、照相機(jī)等,部分代替了傳統(tǒng)電池。
鋰電池分類
鋰離子電池的由來以及發(fā)展
1970年代??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。
1980年,J. Goodenough 發(fā)現(xiàn)鈷酸鋰可以作為鋰離子電池正極材料。
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。
1991年索尼公司發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨后,鋰離子電池革新了消費(fèi)電子產(chǎn)品的面貌。
1996年P(guān)adhi和Goodenough發(fā)現(xiàn)具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽,如磷酸鋰鐵(LiFePO4),比傳統(tǒng)的正極材料更具優(yōu)越性,因此已成為當(dāng)前主流的正極材料。 
鋰離子電池的由來及發(fā)展
鋰離子電池(Li-ion Batteries)是由鋰電池發(fā)展而來。所以在介紹Li-ion之前,先介紹鋰電池。舉例來講,紐扣式電池就屬于鋰電池。鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫酰氯,負(fù)極是鋰。電池組裝完成后電池即有電壓,不需充電。這種電池也可以充電,但循環(huán)性能不好,在充放電循環(huán)過程中,容易形成鋰枝晶,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。
后來,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,在充放電過程中,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子,這就是鋰離子電池。
20世紀(jì)90年代初,日本Sony能源開發(fā)公司和加拿大Moli能源公司分別研制成功了新型的鋰離子蓄電池,不僅性能良好,而且對(duì)環(huán)境無污染。隨著信息技術(shù)、手持式機(jī)械和電動(dòng)汽車的迅猛發(fā)展,對(duì)高效能電源的需求急劇增長,鋰電池已成為目前發(fā)展最為迅速的領(lǐng)域之一。
鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及原理
鋰離子電池的主要組成:
(1)正極——活性物質(zhì)主要指鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、鎳鈷錳酸鋰等,導(dǎo)電集流體一般使用厚度在10--20微米的鋁箔;
(2)隔膜——一種特殊的塑料膜,可以讓鋰離子通過,但卻是電子的絕緣體,目前主要有PE和PP兩種及其組合。還有一類無機(jī)固體隔膜,如氧化鋁隔膜涂層就是一種無機(jī)固體隔膜,;
(3)負(fù)極——活性物質(zhì)主要指石墨、鈦酸鋰、或近似石墨結(jié)構(gòu)的碳材料,導(dǎo)電集流體一般使用厚度在7-15微米的銅箔;
(4)電解液——一般為有機(jī)體系,如溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,另有些聚合物電池使用凝膠狀電解液;
(5)外殼——主要分為硬殼(鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼等)和軟包(鋁塑膜)兩種 。
鋰離子電池結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)電池充電時(shí),鋰離子從正極中脫嵌,在負(fù)極中嵌入,放電時(shí)反之。這就需要一個(gè)電極在組裝前處于嵌鋰狀態(tài),一般選擇相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中穩(wěn)定的嵌鋰過渡金屬氧化物做正極,如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
做為負(fù)極的材料則選擇電位盡可能接近鋰電位的可嵌入鋰化合物,如各種碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纖維、中間相小球碳素等和金屬氧化物,包括SnO、SnO2、錫復(fù)合氧化物SnBxPyOz(x=0.4~0.6,y=0.6~0.4,z=(2 +3x+5y)/2)等。
電解質(zhì)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劑體系。
隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜,尤其是PP/PE/PP三層隔膜不僅熔點(diǎn)較低,而且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度,起到了熱保險(xiǎn)作用。
外殼采用鋼或鋁材料,蓋體組件具有防爆斷電的功能。
基本工作原理
當(dāng)對(duì)電池進(jìn)行充電時(shí),正極的含鋰化合物有鋰離子脫出,鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動(dòng)到負(fù)極。負(fù)極的炭材料呈層狀結(jié)構(gòu),它有很多微孔,到達(dá)負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。
當(dāng)電池進(jìn)行放電時(shí)(即我們使用電池的過程),嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫出, 又運(yùn)動(dòng)回正極。回正極的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。
在鋰離子電池的充放電過程中,鋰離子處于從正極→負(fù)極→正極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。這就像一把搖椅,搖椅的兩端為電池的兩極,而鋰離子就在搖椅兩端來回運(yùn)動(dòng)。所以鋰離子電池又叫搖椅式電池。

充放電機(jī)理
鋰離子電池的充電過程分為兩個(gè)階段:恒流充電階段和恒壓電流遞減充電階段。
鋰離子電池過度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。過度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷,而塌陷會(huì)造成充電過程中鋰離子無法插入;過度充電使過多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu),而造成其中部分鋰離子再也無法釋放出來。
鋰離子電池保持性能最佳的充放電方式為淺充淺放。一般60%DOD是100%DOD條件下循環(huán)壽命的2~4倍。
鋰離子電池主要性能指標(biāo)
電池的容量
電池的容量有額定容量和實(shí)際容量之分。電池的額定容量是指電池在環(huán)境溫度為20℃±5℃條件下,以5h率放電至終止電壓時(shí)所應(yīng)提供的電量,用C5表示。電池的實(shí)際容量是指電池在一定的放電條件下所放出的實(shí)際電量,主要受放電倍率和溫度的影響(故嚴(yán)格來講,電池容量應(yīng)指明充放電條件)。
容量單位:mAh、Ah(1Ah=1000mAh)。
電池內(nèi)阻
電池內(nèi)阻是指電池在工作時(shí),電流流過電池內(nèi)部所受到的阻力。有歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻兩部分組成。電池內(nèi)阻值大,會(huì)導(dǎo)致電池放電工作電壓降低,放電時(shí)間縮短。內(nèi)阻大小主要受電池的材料、制造工藝、電池結(jié)構(gòu)等因素的影響。電池內(nèi)阻是衡量電池性能的一個(gè)重要參數(shù)。
電壓
開路電壓是指電池在非工作狀態(tài)下即電路中無電流流過時(shí),電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差。一般情況下,鋰離子電池充滿電后開路電壓為4.1—4.2V左右,放電后開路電壓為3.0V左右。通過對(duì)電池的開路電壓的檢測(cè),可以判斷電池的荷電狀態(tài)。
工作電壓又稱端電壓,是指電池在工作狀態(tài)下即電路中有電流流過時(shí)電池正負(fù)極之間的電勢(shì)差。在電池放電工作狀態(tài)下,當(dāng)電流流過電池內(nèi)部時(shí),不需克服電池的內(nèi)阻所造成阻力,故工作電壓總是低于開路電壓,充電時(shí)則與之相反。鋰離子電池的放電工作電壓在3.6V左右。
放電平臺(tái)時(shí)間
放電平臺(tái)時(shí)間是指在電池滿電情況下放電至某電壓的放電時(shí)間。例對(duì)某三元電池測(cè)量其3.6V的放電平臺(tái)時(shí)間,以恒壓充到電壓為4.2V,并且充電電流小于0.02C時(shí)停止充電即充滿電后,然后擱置10分鐘,在任何倍率的放電電流下放電至3.6V時(shí)的放電時(shí)間即為該電流下的放電平臺(tái)時(shí)間。
因某些使用鋰離子電池的用電器的工作電壓都有電壓要求,如果低于要求值,則會(huì)出現(xiàn)無法工作的情況。所以放電平臺(tái)是衡量電池性能好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。
充放電倍率
充放電倍率是指電池在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)放出其額定容量時(shí)所需要的電流值,1C在數(shù)值上等于電池額定容量,通常以字母C表示。如電池的標(biāo)稱額定容量為10Ah,則10A為1C(1倍率),5A則為0.5C,100A為10C,以此類推。
自放電率
自放電率又稱荷電保持能力,是指電池在開路狀態(tài)下,電池所儲(chǔ)存的電量在一定條件下的保持能力。主要受電池的制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件等因素的影響。是衡量電池性能的重要參數(shù)。
效率
充電效率是指電池在充電過程中所消耗的電能轉(zhuǎn)化成電池所能儲(chǔ)存的化學(xué)能程度的量度。主要受電池工藝,配方及電池的工作環(huán)境溫度影響,一般環(huán)境溫度越高,則充電效率要低。
放電效率是指在一定的放電條件下放電至終點(diǎn)電壓所放出的實(shí)際電量與電池的額定容量之比,主要受放電倍率,環(huán)境溫度,內(nèi)阻等因素影響,一般情況下,放電倍率越高,則放電效率越低。溫度越低,放電效率越低。
循環(huán)壽命
鋰電池的循環(huán)壽命是指電池容量下降到某一規(guī)定的值時(shí),電池在某一充放電制度下所經(jīng)歷的充放電次數(shù)。鋰離子電池GB規(guī)定,1C條件下電池循環(huán)500次后容量保持率在60%以上。
鋰離子電池的主要分類
(一)、根據(jù)鋰電池所用電解質(zhì)材料不同,鋰電池可以分為液態(tài)鋰電池(lithium ion battery, 簡稱為LIB)和聚合物鋰電池(polymer lithium ion battery, 簡稱為LIP)兩大類。
(二)、按充電方式可分為:不可充電的及可充電的兩類。
(三)、鋰電池外型分:有方型鋰電(如常用的手機(jī)電池、汽車應(yīng)急電源等)和柱形(如18650、18500);
(四)、鋰電池外包材料:鋁殼鋰電池,鋼殼鋰電池,軟包電池;
(五)、鋰電池從正負(fù)極材料(添加劑)分:鈷酸鋰(LiCoO2)電池、錳酸鋰(LiMn2O4),磷酸鐵鋰電池,一次性二氧化錳鋰電池
更多分類見下表:
鋰離子電池分類
鋰離子電池分類
鋰離子電池分類
聚合物鋰電池
 
聚合物鋰電池所用的正負(fù)極材料與液態(tài)鋰都是相同的,電池的工作原理也基本一致。它們的主要區(qū)別在于電解質(zhì)的不同, 鋰電池使用的是液體電解質(zhì), 而聚合物鋰電池則以固體聚合物電解質(zhì)來代替, 這種聚合物可以是“干態(tài)”的,也可以是“膠態(tài)”的,目前大部分采用聚合物膠體電解質(zhì)。
聚合物鋰電池電解質(zhì)
聚合物鋰電池可分為三類:
1、固體聚合物電解質(zhì)鋰電池。電解質(zhì)為聚合物與鹽的混合物,這種電池在常溫下的離子電導(dǎo)率低,適于高溫使用。
2、 凝膠聚合物電解質(zhì)鋰電池。即在固體聚合物電解質(zhì)中加入增塑劑等添加劑,從而提高離子電導(dǎo)率,使電池可在常溫下使用。
3、 聚合物正極材料的鋰電池。采用導(dǎo)電聚合物作為正極材料,其能量是現(xiàn)有鋰電池的3倍,是最新一代的鋰電池。由于用固體電解質(zhì)代替了液體電解質(zhì),與液態(tài)鋰電池相比,聚合物鋰電池具有可薄形化、任意面積化與任意形狀化等優(yōu)點(diǎn),也不會(huì)產(chǎn)生漏液與燃燒爆炸等安全上的問題,因此可以用鋁塑復(fù)合薄膜制造電池外殼,從而可以提高整個(gè)電池的容量;聚合物鋰電池還可以采用高分子作正極材料,其質(zhì)量比能量將會(huì)比目前的液態(tài)鋰電池提高50%以上。此外,聚合物鋰電池在工作電壓、充放電循環(huán)壽命等方面都比鋰電池有所提高。
鋰聚合物電池優(yōu)點(diǎn):
1、安全性能好
聚合物鋰電池在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑軟包裝,有別于液態(tài)電芯的金屬外殼,一旦發(fā)生安全隱患,液態(tài)電芯容易爆炸,而聚合物電芯最多只會(huì)鼓包。
2、厚度小,能做得更薄
普通液態(tài)鋰電采用先定制外殼,后塞正負(fù)極村料的方法,厚度做到3.6mm以下存在技術(shù)瓶頸,聚合物電芯則不存在這一問題,厚度可做到1mm以下,符合時(shí)下手機(jī)需求方向。
3、重量輕
聚合物電池重量較同等容量規(guī)格的鋼殼鋰電輕40%,較鋁殼電池輕20%。
4、容量大
聚合物電池較同等尺寸規(guī)格的鋼殼電池容量高10~15%,較鋁殼電池高5~10%,現(xiàn)在市面上的手機(jī)電池大多采用聚合物電芯。
5、內(nèi)阻小
聚合物電芯的內(nèi)阻較一般液態(tài)電芯小,目前國產(chǎn)聚合物電芯的內(nèi)阻甚至可以做到35mΩ以下,極大的減低了電池的自耗電,延長手機(jī)的待機(jī)時(shí)間,完全可以達(dá)到與國際接軌的水平。這種支持大放電電流的聚合物鋰電更是遙控模型的理想選擇。
6、形狀可定制
聚合物電池可根據(jù)客戶的需求增加或減少電芯厚度,開發(fā)新的電芯型號(hào),價(jià)格便宜,開模周期短,有的甚至可以根據(jù)手機(jī)形狀量身定做,以充分利用電池外殼空間,提升電池容量。
7、放電特性佳
聚合物電池采用膠體電解質(zhì),相比液態(tài)電解質(zhì),膠體電解質(zhì)具有平穩(wěn)的放電特性和更高的放電平臺(tái)。
8、保護(hù)板設(shè)計(jì)簡單
由于采用聚合物材料,電芯不起火、不爆炸,電芯本身具有足夠的安全性,因此聚合物電池的保護(hù)線路設(shè)計(jì)可考慮省略PTC和保險(xiǎn)絲,從而節(jié)約電池成本。聚合物鋰電池在安全性、體積、重量、容量、放電性能方面均具有極大優(yōu)勢(shì)。
昂佳科技是一家以大倍率鋰聚合物電池為主,集研發(fā)、生產(chǎn)、貿(mào)易、服務(wù)于一體的技術(shù)創(chuàng)新型高新技術(shù)企業(yè)。公司引進(jìn)全球先進(jìn)的自動(dòng)化和半自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備、精密的檢測(cè)儀器等,建有先進(jìn)的國際研發(fā)實(shí)驗(yàn)室。以其獨(dú)特的聚合物電池極片材料處理工藝和封口工藝,成功解決了高倍率聚合物鋰電池的技術(shù)核心問題。而且在國內(nèi)昂佳是最早推出80C持續(xù)放電的高倍率聚合物電池的廠家,各項(xiàng)電芯產(chǎn)品性能指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)外先進(jìn)水平。公司生產(chǎn)的高倍率鋰聚合物電池暢銷眾多歐美國家,如有需求或者合作意向歡迎與我們聯(lián)系。

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