超详细的锂电池知识介绍

2020-10-07 10:43 ryder


锂电池是一类采用石墨或其他碳材料作为负极,以含锂的化合物作正极的可充电电池。它是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。

 

一、锂电池的发展

 

1981年发表了第一个锂离子电池方面的专利。

1992年,SONY公司开始大规模生产民用锂离子电池。

1998年方型锂离子电池大量投放市场,占据了市场较大份额。

1999年中国锂离子电池开始大批量生产。

 

二、锂电池的分类

 

1.按外形分类

圆柱形锂电池

圆柱形锂离子电池,其型号命名一般为5位数字,前两位数字为电池的直径,中间两位数字为电池的高度,最后一位数字0代表圆柱形,单位为毫米。

最常用的圆柱形锂电池:

18650锂电池

14500锂电池

18500锂电池

21700锂电池

26650锂电池

32650(32700)锂电池

 

方形锂电池

方形锂电池通常是指铝壳或钢壳方形锂电池,广泛应用于勘探测绘、医疗设备、便携式检测设备。

 

2.按外壳分类

 

钢壳锂电池

早期锂离子电池大多为钢壳。由于钢壳重量大,安全性较差,但钢的稳定性强,后期很多厂商通过安全阀、PTC等器件优化设计结构,大大增加了其安全性能。而有些则直接替换掉钢壳,采用铝壳和软包,例如现在的手机电池。

 

铝壳锂电池

铝壳锂离子电池由于质量较轻且安全性稍优于钢壳锂离子电池。

 

软包装锂电池

软包装锂离子电池由于其质量轻,开模成本较低,安全性高等优点,逐步在扩大其市场份额。

 

3.按正极材料分类

锂离子电池所用正极材料目前有四种:

 

钴酸锂电池

锰酸锂电池

磷酸铁锂电池

镍钴锰(三元)锂电池

 

锂离子电池正极材料特性对比如下:

项目

钴酸锂电池

镍钴锰(三元)

锰酸锂

磷酸铁锂

振实密度(g/cm3)

2.8~3.0

2.0~2.3

2.2~2.4

1.0~1.4

比表面积(m2/g)

0.4~0.6

0.2~0.4

0.4~0.8

12~20

克容量(mAh/g)

135~140

140~180

90~100

130~140

电压平台(V)

3.7

3.6

3.7

3.2

循环性能

≥500次

≥500次

≥300次

≥2000次

安全性能

较好

良好

优秀

适用领域

中小电池

小电池/小型动力电池

动力电池、低成本电池

动力电池/超大容量电源

4.按电解质分类

 

液态锂离子电池 

液态锂离子电池使用的是液体电解质,电解质为有机溶剂+锂盐。

 

聚合物锂离子电池

聚合物锂离子电池以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物的基体主要为HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等。

 

全固态锂离子电池

“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态、不含任何液态组份的锂电池,所以全称是“全固态电解质锂电池”。

 

三、锂电池的应用领域

 

1.消费品领域

主要应用在数码产品、手机、移动电源、笔记本等电子设备中。常用的有18650锂电池,锂聚合物电池。

 

2.工业领域

主要应用在医疗电子、光伏储能、铁路基建、安防通讯、勘探测绘等领域。常用的有储能/动力锂电池,磷酸铁锂电池聚合物锂电池,18650锂电池。

 

3.特种领域

主要应用在、航空航天、舰艇船舶、卫星导航、高能物理等领域。常用的有超低温锂电池,高温锂电池,钛酸锂电池,防爆锂电池等。

 

四、锂电池参数

 

1.电压

 

标称电压

锂电池正负极之间的电势差称为锂电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。

 

开路电压

锂电池在开路状态下的端电压称为开路电压。锂电池的开路电压等于锂电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差。

 

工作电压

工作电压指锂电池接通负载后在放电过程中显示的电压,又称放电电压。在锂电池放电初始的工作电压称为初始电压。

 

锂电池常用电压推荐:

12V锂电池

24V锂电池

36V锂电池

48V锂电池

 

2.容量

锂电池在一定放电条件下所能给出的电量称为锂电池的容量,以符号C表示。常用的单位为安培小时,简称安时(Ah)或毫安时(mAh)。

锂电池的容量受其所用正极材料、电池的温度、放电倍率、电压等影响。

 

3.内阻

锂电池的内阻是指电流通过锂电池内部时受到阻力,内阻会影响锂电池的电压。

 

4.循环寿命

锂电池的循环寿命一般用使用次数表示,一次循环表示锂电池的一个完全充放电周期(即锂电池电量由空充电到满,再由满放电到空)。

注:锂电池的循环特性较好,一般500次循环以后还可以保持80%左右的容量。

 

5.放电倍率

放电倍率是指锂电池在放电时电流的大小,一般用C表示,用公式表示为:

放电倍率=放电电流/额定容量

注:由于锂电池用的是有机溶剂电解液,电导率一般只有铅酸或碱性电池电解液的几百分之一。因此,锂离子电池在大电流放电时,来不及从电解液中补充Li+,会发生电压下降。

 

6.工作温度

锂电池的工作温度指锂电池能够保持正常充放电工作的情况下所能适应的环境和电池本身的温度。

锂电池在低温时,放电平台有一定的降低。高温度时,会影响电池的循环性能,且会使电池有微量膨胀。因此,电池一般推荐在0-40℃范围内工作。

 

五、锂电池与铅酸电池、镍氢电池

 

项目

锂电池

铅酸电池

镍氢电池

能量密度(wh/kg)

200~260wh/kg

50~70wh/kg

40~70wh/kg

开路电压(v)

3.6V

2.0V

1.2V

循环寿命(次)

300-2500

400-600

300-350

充电速度

很慢

记忆效应

环保性能

污染较低

污染高

污染低

 

六、锂电池PACK

锂电池PACK主要指锂电池的加工组装,主要是将电芯、保护板、BMS、连接片、标签纸等通过电池PACK工艺组合加工成客户需要的产品。

 

七、锂电池安全测试

最好的锂电池要符合UL2054安全标准(锂电池),并且完成以下测试:

电性能测试

1.短路试验

2.非正常充电测试

3.强制过充测试

4.强制放电测试

5.受限制电压测试

机械测试

1.压缩测试(Crush Test)

2.振动测试(Vibration Test)

外围测试

1.铸造压力释放测试

2.燃烧测试

3.喷射试验

环境测试

1.加热测试

2.热循环测试

 

八、锂电池运输

 

锂电池运输方式包括空运、水运、陆运,最为常用的是航空运输、海洋运输。

由于锂是一种特别容易发生化学反应的金属,易延伸和燃烧,因此锂电池包装和运输处理不当,易发生燃烧和爆炸。

 

锂电池的包装要求:

 

1. 必须依据适用的包装说明指导装在DGR 危险品规则所规定的UN规格包装,并在包装上完整的显示对应编号。

2. 必须贴9类危险性标签。

3. 必须填写危险品申报单,提供相应的危包证。

 

锂电池的运输要求:

1. 电池须通过UN 38.3测试要求, 及1.2米的跌落包装试验。

2. 提供的危险品申报文件, 标注UN编号。

3. 电池应被保护以防止短路,在同一包装内须预防与可引发短路的导电物质接触。

4. 避免搬运过程受到强烈振动,托盘的各垂直和水平边使用护角保护。

 

九、如何正确使用锂电池

锂电池储存——锂电池的存放条件最关键的是温度和湿度,建议在温度20℃的环境下保存,注意防潮防湿,不要让锂电池处于亏电状态。不要挤压、碰撞,不要存放在强静电和强磁场的地方。

锂电池充放电——不要过充,不要使用劣质充电器,切勿盲目使用高倍率充电器。放电量不要超过电池容量的80%。


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