什么是锂电池，锂电池鼓气成分及原理分析
来源：宝鄂实业
2019-04-06 16:47
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主动均衡方法可以采用我前面提到的一个变压器多路输出的方法 如果你想利用下面的电路示意图，做一个多路输出的反激电源，利用各个模块的输出电压来对电池实现均衡，我估计你需要很深的功力才可以，因为交叉调整率估计就会搞死你。但是，利用这个电路，我们可以换一下思路，各路输出不需要稳压都可以，当然为了防止开路损坏输出电容，我们可以做一个简单的原边反馈。然后在每路输出到电池之间串联一个电子开关，由于这种均衡都是配合电池管理系统一起工作的，因此每路输出只要串联一个电子开关，由管理单元控制即可，哪路电压地我们就可以打开这个电子开关，有电源输出给该节电池充电，直到所有单体电池电压达到我们的期望值。
采用这种均衡方法，曾经做过1000AH，7串电池及300AH，80串电池的均衡，均衡完成后，所有单体电池电压可以达到5mV以内。
主动均衡也可以采用能量转移的方法，所谓能量转移，既可以是从整组电压取能量向低电压补充，也可以是从将电压过高的电池取能量向整组电压反馈。我在一款通讯电源电源系统中用过第二种方式实现过电池均衡。电路原理图如下：
忘了是参考的谁写的一篇论文做的，当时做的是16串锂电池的均衡，分成了两组，每组8只电池串联，这里只画了6只描述工作原理，如果电池B5电压过高，控制Q5以PWM模式工作，当Q5开通，电感L5储能，当Q5关闭，电感储存的能量就会通过D5给电池B1-B4充电，降低B5电池电压抬高其余电池电压，利用同样的原理可以分析其余电池组电压过高时候的工作过程。
在试验过程中，两组之间各自采用这种方式均衡，当两组之间出现偏差的时候，就可以采用双向DC-DC进行能量转换了，这样采用的模块数量较少，设计比较方面，我当时没有采用双向DC-DC，而是简单的采用的能量消耗性做两组之间电池的均衡。从最终的试验效果来看，电池均衡还是比较不错的。
示意图已经补充完了，这就是截止目前为止，我试验过的四种电池均衡的方式，均衡的电池从2AH到1000AH，串联的节数从7串到120串，个人感觉如下：
1、对于10AH以内的电池组，采用能量消耗型可能是比较好的选择，控制简单。
2、对于几十AH的电池组来说，采用一拖多的反激变压器，结合电池采样部分来做电池均衡应该是可行的。
3、对于上百AH的电池组来说，可能采用独立的充电模块会好一些，因为上百AH的电池，均衡电流都在10多A左右，如果串联节数再多一些，均衡功率都很大，引线到电池外，采用外部DC-DC或AC-DC均衡也许更安全。
目前的均衡都是以电池电压一致作为均衡的结束条件，但随着SOC计算越来越准确，容量一致的均衡应该是未来发展的趋势。
锂离子电池体系是由日本Asahi（朝日化学制品公司）在20世纪80年代初开始研究和开发的，并由Sony（索尼公司）于1990年将其商业化。锂离子电池具有工作电压高、能量密度高、工作温度宽、循环寿命长、无记忆效应、环境友好等特点。锂离子电池是由正极材料、负极材料、电解液和隔膜等构成的。正负极材料通常是由可发生可逆锂离子脱嵌或者氧化还原反应的活性物质组成。正负极材料的种类对电池的容量和能量密度起决定性作用。其中钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰三元材料和磷酸盐类材料是目前市场上主要的商业化正极材料；而石墨、金属及其氧化物、钛酸锂以及硅负极是主要使用的负极材料；作为维持在电池内部正负极之间锂离子的迁移与扩散的桥梁，电解液通常是由含锂盐化合物与有机碳酸酯溶剂混合组成，现阶段主要以液态电解液为主；隔膜主要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）微孔膜和纤维膜组成，其作用放在正负极之间防止正负极直接接触，导致短路，同时禁止电子通过而允许锂离子通过。近些年来，锂离子电池常被设计成纽扣型、圆柱型、方型和平板型等多种形状以满足不同的市场应用需求，如图1所示。
1.2锂离子电池工作原理
图2是以过渡金属氧化物（LiTMO2）/石墨（C）组成的锂离子电池的工作原理示意图。充电时，在外电压的作用下，正极材料LiTMO2中的锂离子脱出形成Li1-xTMO2且锂离子经由电解液向负极迁移扩散并嵌入负极表面或体相中形成嵌锂化合物LiCx，而电子则经由外电路向负极迁移构成回路并形成电流，这就实现了能量的存储。放电过程则是充电过程的逆反应，锂离子从LiCx嵌锂化合物中脱出并同时释放电子，锂离子通过内电路（或电解质）从负极扩散到正极中以维持电荷平衡，然后通过组合电子与Li1-xTMO2脱锂正极材料反应再次形成LiTMO2，最后实现释放的能量。因此可以得出结论，锂离子电池的充放电过程就是正负极材料可逆的氧化还原过程，且锂离子电池整体性能取决于正负极材料锂离子脱出或嵌入数目的能力，锂离子脱嵌能力较差的正负极材料会产生不可逆容量损失，造成容量衰减，性能下降。
图2 锂离子电池工作原理
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锂离子电池的制造工艺
从上面的介绍可以看出，锂离子电池由正极、负极、隔膜、电解液、包装材料等组成。锂离子电池的制造过程就是将上述材料按照一定的工艺流程将其组装在一起。典型的锂离子电池制造工艺流程包括搅拌、涂布、辊压、分条制片、组装、注液、化成、老化、分容、检测等工序。图3为聚合物锂离子电池制造流程。
图3 典型的聚合物锂离子电池制造流程图
2.1搅拌涂布
搅拌就是按照一定的配方将正（负）极粉末、导电剂、粘结剂和溶剂经过高速搅拌均匀后，形成浆料。其中导电剂主要有炭黑、乙炔黑、碳纳米管、石墨烯等；常用的正极粘结剂为为聚四氟乙烯（PVDF），溶剂为N-甲基吡咯烷酮；常用的负极粘结剂为羧甲基纤维素（CMC）和丁苯橡胶（SBR）混用，溶剂为去离子水。常用的高速搅拌设备为双行星搅拌机。
然后将上述正极（负极）浆料按照一定的面密度均匀涂覆在金属箔材上，烘烤干燥之后得到极片。正极使用的箔材为铝箔，负极使用的箔材为铜箔。常用的涂布设备为挤压式涂布机、刮板式涂布机或喷涂式涂布机。
2.2组装
将涂布好的极片进行辊压，一方面使得正极（负极）材料与导电剂等紧密接触，另一方面使极片达到规定的厚度以保证电池的能量密度，同时使得极片表面光滑。常用的辊压设备为辊压机。将辊压好的正极（负极）极片按照设计的宽度进行分切、点焊极耳、贴胶纸等，就得到正极（负极）小片，然后在正极小片和负极小片之间放入隔膜，并卷绕成卷芯，最后将卷芯放入包装壳中，经过真空干燥除水之后，并注入电解液，封口，就得到了锂离子电芯。
2.3化成分容
刚组装好的电芯是没有电的，必须经过充电激活才能使用。锂离子电池的首次充电叫做化成，其作用是激活电芯中的活性材料，一般情况下首次充电采用较小的电流，以在负极材料表面形成良好的SEI膜，以保证电池的电化学性能和循环寿命。化成之后，进行老化、分容、自放电测试等工序就可以得到锂离子电池。
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锂离子电池的应用
锂离子电池具有高能量密度、循环寿命长、自放电低等优点，是目前能量储存和转换的理想装置之一。目前已广泛应用于手机、笔记本电脑、消费类电子产品、电动自行车、电动工具、纯电动汽车、混合动力汽车、无人机、移动基站、大型储能电站、军工等诸多领域中。
