鋰離子電池應(yīng)用技術(shù)交流

鋰離子電池山東魯能智能技術(shù)有限公司應(yīng)用技術(shù)交流會主講人：慕忠君CONTENT目錄一鋰離子電池開展概況二鋰離子電池分類與特點三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較四鋰離子電池平安性分析五六鋰離子電池應(yīng)用常見問題一鋰離子電池開展概況〔一〕鋰離子電池俗稱“鋰電〞，是目前在實際應(yīng)用中綜合性能最好的電池體系。鋰離子電池的研究始于20世紀80年代末，自20世紀90年代問世并得到了迅猛開展，尤其在小型二次電池市場〔如筆記本、、電開工具、電動玩具等〕中得到了快速推廣與應(yīng)用，到目前位置，已占據(jù)了二次電池市場最大份額。一鋰離子電池開展概況〔二〕鋰離子電池應(yīng)用范圍日益廣泛一鋰離子電池開展概況〔三〕動力型鋰離子電池一鋰離子電池開展概況〔四〕鋰離子電池主要由正極、負極、隔膜、電解液、極耳〔或柱〕等局部組成。按照正極材料的不同，鋰離子電池主要分為：鈷酸鋰鋰離子電池、錳酸鋰鋰離子電池、磷酸鐵鋰鋰離子電池及鎳鈷錳三元鋰離子電池四大類；按照包裝材料的不同，鋰離子電池主要分為：軟包裝、鋁殼包裝、鋼殼包裝；按照外部形狀的不同，鋰離子電池主要分為：方形鋰離子電池、圓柱形鋰離子電池；二鋰離子電池分類與特點〔一〕二鋰離子電池分類與特點〔二〕鋰離子電池正極材料特點比較二鋰離子電池分類與特點〔三〕鋰離子電池特點比較二鋰離子電池分類與特點〔四〕

軟包裝

方形

圓柱鋰離子電池結(jié)構(gòu)二鋰離子電池分類與特點〔五〕鋰離子電池結(jié)構(gòu)特點三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔一〕鋰離子電池組裝方式并聯(lián)串聯(lián)串并聯(lián)組合，分為先串后并和先并后串

并聯(lián)：電池電壓不變，容量累加，可獲得高容量；

串聯(lián)：電池容量不變，電壓累加，可獲得高電壓；

串并聯(lián)組合：可獲得高電壓、高容量；三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔二〕在高容量動力電池組應(yīng)用方面，通常采用小容量單體電池進行并聯(lián)成大容量電池組，而非直接采用單體大容量電池。為什么？三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔三〕大容量鋰離子電池特點優(yōu)點組合方便，僅需考慮串聯(lián)組合指標(biāo)占優(yōu)勢〔體積能量比、質(zhì)量能量比等〕電池連接點、焊接點較少，可靠性較高接觸內(nèi)阻較少缺點工藝復(fù)雜，合格率低內(nèi)部電流密度、溫度的分布均勻性差局部結(jié)構(gòu)電池，如軟包裝等，引流能力較差平安性差小容量鋰離子電池特點優(yōu)點電池比外表積大，散熱性能好內(nèi)部電流分布均勻便于工藝控制，一致性較好，單元電池可靠性較高平安系數(shù)高電池連接點、焊接點較多，可靠性略差三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔四〕缺點大容量電池需并聯(lián)應(yīng)用串并聯(lián)組合設(shè)計復(fù)雜，組合本錢高串并聯(lián)組合體積大，影響實際的局部應(yīng)用大容量電池與小容量電池內(nèi)部溫度與電流密度比較三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔五〕三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔六〕三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔七〕并聯(lián)電池的內(nèi)阻根本一致并聯(lián)電池的放電平臺根本一致并聯(lián)電池容量根本一致并聯(lián)電池電壓根本一致三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔八〕三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔九〕不同組合方式可靠性的數(shù)學(xué)模型串聯(lián)數(shù)學(xué)模型：并聯(lián)數(shù)學(xué)模型：先串后并數(shù)學(xué)模型：先并后串?dāng)?shù)學(xué)模型：Rs(t)表示系統(tǒng)的可靠度；R=〔1，2，3…，n)表示第i個單元的可靠度。三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十〕電池串聯(lián)可靠性分析圖1電池串聯(lián)模型

圖1表示一個由n個電池單元組成的串聯(lián)系統(tǒng)的模型，假設(shè)圖1中各單元之間是相互獨立的，且第i個單元的可靠度為，i＝1，2…n。根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)的定義，結(jié)合概率理論，我們可得系統(tǒng)的可靠度為:

三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十一〕圖2電聯(lián)并聯(lián)模型

圖2表示一個由n個電池單元組成的并聯(lián)系統(tǒng)模型，假設(shè)第i個部件的可靠度為，i＝1，2…n，且各部件之間是相互獨立的。那么可得圖2的可靠度為：電池并聯(lián)可靠性分析三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十二〕圖3電池先串后并模型

圖3表示一個先由n個電池單元串聯(lián)，然后再進行m個并聯(lián)組成的系統(tǒng)模型。對于先串后并系統(tǒng)的可靠度的求法，可先求出各串聯(lián)分系統(tǒng)的可靠度，再把這些分系統(tǒng)并聯(lián)起來，求出系統(tǒng)可靠度。那么可得圖3的可靠度為：電池先串后并可靠性分析三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十三〕圖4電池先串后并模型

圖4表示一個先由m個電池單元并聯(lián)，然后再進行n個分系統(tǒng)并聯(lián)組成的系統(tǒng)模型。對于先并后串系統(tǒng)的可靠度的求法，可先求出各并聯(lián)分系統(tǒng)的可靠度，再把這些分系統(tǒng)串聯(lián)起來，求出系統(tǒng)可靠度。那么可得圖4的可靠度為：電池先并后串可靠性分析三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十四〕舉例：

假設(shè)單個電池的可靠度相同且獨立，Ri=0.99，100只電池串聯(lián)，4只電池并聯(lián)，通過上述可靠度數(shù)學(xué)模型計算可得：先并后串可靠度：

先串后并可靠度：三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十五〕結(jié)論：在鋰離子電池不同串并聯(lián)成組方法中，采用先并后串組合而成的電池組可靠度較高。

三鋰離子電池成組方法及其可靠性比較〔十六〕影響單體電池可靠性的有關(guān)因素與各部件的可靠性有關(guān)外殼〔r1)、隔膜(r2)、正極片(r3)、負極片(r4)、電解液(r5)等電池的可靠性=r1×r2×r3×r4×r5×???與工藝控制〔如配料、面密度、毛刺、輥壓程度等〕可靠性有關(guān)與環(huán)境溫濕度控制有關(guān)

四鋰離子電池平安性分析〔一〕本質(zhì)平安性又稱能量平安性，定量地從能量角度描述了能量載體的平安性能，定義如下：1、最小能量單元的能量限制為假設(shè)發(fā)生燃燒爆炸缺乏以產(chǎn)生損害性后果。2、最小能量單元假設(shè)發(fā)生燃燒爆炸，其能量不會引起連鎖反響。同時具有以上兩點的能量載體稱其具有本質(zhì)平安性本質(zhì)平安性定義〔哈爾濱理工大學(xué)〕四鋰離子電池平安性分析〔二〕電池是能量的載體，本質(zhì)上就存在不平安因素；不同的電化學(xué)體系，不同的容量，使用工藝參數(shù)，使用環(huán)境，使用程度，都會對電池平安性產(chǎn)生較大的影響；大局部的平安事故均與熱失效有關(guān)，應(yīng)注重溫度控制的重要性；所有電池包括一次電池、各類二次電池，均存在平安性問題；電池的平安性是相對的，我們只能不斷地改進提高，永遠不可能徹底解決；四鋰離子電池平安性分析〔三〕四鋰離子電池平安性分析〔三〕以3.2V20Ah鋰離子電池為例:

20Ah*3.2V=64Wh=230.4KJ

1克TNT

4.20KJ

20Ah鋰離子電池的能量

54.9克TNT能量。四鋰離子電池平安性分析〔四〕鋰離子電池的電解液用量

6mL/AH1克TNT

4.20KJ1Ah電池的電解液能量

178.9KJ1Ah電池的電解液能量

42.6克TNT20Ah電池的電解液能量

852克TNT注意：電解液本身通常不具備直接爆炸條件四鋰離子電池平安性分析〔五〕造成鋰離子電池不平安的原因電池內(nèi)部發(fā)生短路，造成電池內(nèi)部熱失效；大電流充電、放電；過充電、過放電；電池管理系統(tǒng)故障或管理失效；電池系統(tǒng)零部件接觸不良；線纜受力磨損、老化；過高溫或過低溫環(huán)境下使用；電池受震動、碰撞、沖擊等因素影響。四鋰離子電池平安性分析〔六〕電池平安性隨使用循環(huán)次數(shù)增多而下降隨著動力電池使用次數(shù)的增多，電池的內(nèi)阻增大，容量逐漸降低，電池性能會逐漸下降，平安性也隨之降低；循環(huán)后的電池，其平安性對熱干擾更敏感；電池的平安性是相對的，一定循環(huán)次數(shù)之前的電池平安測試是合格的，而經(jīng)過一定循環(huán)次數(shù)后電池將呈現(xiàn)出不平安因素。四鋰離子電池成平安性分析〔七〕電池平安性結(jié)論電池容量越高，貯存能量越多，平安性越差保護措施外置保護電路，如保護板、電池管理系統(tǒng)等；內(nèi)裝置PTC〔但會增加電池內(nèi)阻〕；電解液添加阻燃劑〔會影響電池性能〕；金屬殼體電池設(shè)計泄氣閥等；注重?zé)峁芾淼脑O(shè)計外部保護不能解決電池內(nèi)部問題單體電芯設(shè)計；產(chǎn)品質(zhì)量控制；PACK設(shè)計；五鋰離子電池應(yīng)用常見問題〔一〕鋰離子電池如何充放電比較合理充放電方式：淺充淺放電池保護板或管理系統(tǒng)上下限保護電壓范圍較寬，以錳酸鋰工作電壓2.8V~4.2V為例，保護板上下限保護電壓為2.5V~4.35V；過充電或長期滿充電，一方面易造成電池出現(xiàn)沉鋰；另一方面易促使鋰枝晶的生長；過放電或長期滿放電，一方面易造成負極石墨晶格發(fā)生畸變；另一方面嚴重時易出現(xiàn)析銅現(xiàn)象；充放電環(huán)境：防止高溫或低溫環(huán)境充放，合理溫度0℃~45℃；半態(tài)儲存，即標(biāo)準容量的40%~60%；

鋰離子電池如何儲存五鋰離子電池應(yīng)用常見問題〔二〕

五鋰離子電池應(yīng)用常見問題〔三〕原因分析：第一種狀態(tài)：零電荷儲存；負極石墨晶格易塌陷，造成再用容量下降；假設(shè)鋰電芯安裝無0V起充功能的保護板時，當(dāng)電芯電壓降至保護板過放電保護電壓以下，電芯自身電壓降不能沖開保護板的保護鎖定，電池會鎖死；第二種狀態(tài)：滿電荷儲存；鋰離子嵌滿負極材料的所有空位，長時間保持這種富鋰狀態(tài)，負極易造成鋰沉積；造成負極粘結(jié)劑長時間處于膨脹狀態(tài)容易老化，使其失去粘性和彈性，造成負極集流體脫料，造成電芯容量損失；第三種狀態(tài)：一定量電荷儲存；五鋰離子電池應(yīng)用常見問題〔四〕新購置的鋰離子電池如何充電鋰離子電池從生產(chǎn)到購置時間較長，3個月以上；自身容量通常低于正常值，只需正常作充放電循環(huán)3~5次，容量即可恢復(fù)；〔SEI膜的形成〕鋰離子電池從生產(chǎn)到購置時間較短，1~3個月左右；可正常使用切勿被“前3次需要充電12個小時以上〞的說法誤導(dǎo)。鋰離子電池SEI膜定義與作用SEI膜定義在液態(tài)鋰離子電池首次充放電過程中,電極材料與電解液在固液相界面上發(fā)生反響,形成一層覆蓋于電極材料外表的鈍化層。這種鈍化層是一種界面層,具有固體電解質(zhì)的特征,是電子絕緣體但卻是Li+的優(yōu)良導(dǎo)體,Li+可以經(jīng)過該鈍化層自由地嵌入和脫出,因此這層鈍化膜被稱為“固體電解質(zhì)界面膜〞(solidelectrolyteinterface),簡稱SEI膜。SEI膜作用有效防止有機溶劑共嵌入對電極材料結(jié)構(gòu)造成破壞，從而保護電極材料結(jié)構(gòu)的完整性，同時能夠較大提高電極循環(huán)性能和使用壽命。

五鋰離子電池應(yīng)用常見問題〔五〕鋰離子電池化成的目的激活電池芯內(nèi)部活性物質(zhì)；促使形成穩(wěn)定的SEI膜；