锂离子电池在组合成电池组的时，遇到搁置时电量失衡、充电时电量不平衡该怎么办？
来源：宝鄂实业
2019-05-09 17:50
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许多单独的锂离子电池在组合成电池组的时候，经常会遇到搁置时电量失衡、充电时电量不平衡的问题，被动平衡方案通过将弱势电池(吸收电流较小)在充电过程中获得的相对于强势电池(能够吸收更多电流)来说多余的电流分流给电阻的方法，使锂电池组充电过程得以平衡，但是，“被动平衡”并不能解决放电过程中每一个小电池的平衡，这就需要一种新的方案“主动平衡”来解决。
主动平衡摒弃了被动平衡消耗电流的方法，改成了传送电流的方法。负责电荷传送的设备是一种电源转换器，这种设备使电池组内的小电池无论是在充电、放电还是闲置状态都能传送电荷，从而使小电池之间可经常保持动态平衡。
由于主动平衡方法的电荷传送效率极高的原因，它可以提供较高的平衡电流，这意味着，这种方法使用在锂电池充电、放电和闲置时的平衡能力更强。
1、快速充电能力强：主动平衡功能可以使电池组内各小电池更快地达到平衡，所以，快速充电的安全性更高，适宜于更大电流的高倍率充电方式。
2、闲置时：即使各个小电池已达到了充电时的平衡状态，但由于温度梯度不同，有的小电池内部温度高些，有的小电池内部低些，也会令每个小电池的内部漏电速度不同，试验数据显示，电池每升高10℃，漏电率便上升一倍，主动平衡功能可确保闲置锂电池组内的小电池“不断”地重新获得平衡，这有利于电池组内储存的电量能被充分利用，使电池组工作能力结束时，单个的小锂电池残余电量最小。
3、放电时：没有放电能力达到100%的锂电池组，这是因为，一组锂电池工作能力的结束是由某一个最先放完电的小锂电池决定的，并不能保证所有的小锂电池能同时达到放完电量。相反，会有个别的小锂电池保持有未用的残余电能。通过主动平衡方法，锂电池组在放电时，内部的大容量锂电池会将电能分配给小容量锂电池，因此，小容量锂电池也可以充分放电，而且，电池组内不会有残余的电能留下，具备主动平衡功能的电池组拥有较大的实际储电量(即，可以释放出更接近于标称容量的电能)。
最后要着重提示一句，主动平衡方法所采用的系统性能取决于平衡电流与电池充电/放电效率之间的比例。一组锂电池的不平衡率越高，或者电池组充电/放电率越大，所需要的平衡电流自然就越高。当然，这种用来平衡的电流消耗相对于因内部平衡而获得的额外电流来说是相当划算的，除此以外，这种主动平衡还有利于锂电池组寿命的延长。
这种称之为“普鲁士蓝类似物”的锂离子电池正极材料是由铁、锰、碳、氮等构成的化合物。从理论上来说，锂电池充放电速度的快慢就是锂离子在正负极间嵌入和脱嵌运动速度的快慢。新型正极材料化合物的晶体间隔呈0.5纳米的攀登架型网状结构，每一个间隔可以容纳5个锂离子，因此，如果锂离子通过这个结构进出的话，出入口比较宽，可以容纳锂离子的高速进出而造成堵塞，结果就表现为锂电池的快速充放电性能。
这个材料的发明人守友浩教授做的实验表明，使用该材料的最快放电时间是1.1秒，是现在性能最好的橄榄石型锂离子电池正极材料放电时间的1/8，后者的最新数据是9秒。守友浩的方法是：把该化合物直径为50纳米的纳米粒子做成1平方厘米的薄膜并紧贴在电池正极上，先用0.01毫安培的电流充电8分钟，之后通过攀登架网状结构放电直到放完为止，过程持续时间仅有1.1秒，而且得到85毫安培/克的放电电流。
守友浩的方法中最主要的步骤是所制成的化合物薄膜质量，薄膜贴到正极上后，得到铟锡氧化物的透明电极，在这种电极的表面，通过镀金方法能够析出锰铁氰络合物;而结晶结构(即锰铁氰络合物)的电子所通过的间隙比较大，可以使更多的电流通过。
另外，这种化合物的性能相对来说说比较稳定，因为它不是氧化物，而之前的橄榄石型正极材料则含有氧元素，随着时间的推移氧化程度会逐步加深，最终影响到锂电池正极的工作质量，新的化合物就不存在这种氧化的副作用，实验表明，在30次的充放电后没有发生质量恶化的情况。
这种材料如果要投入使用的话还需要解决两个问题：1、安全性，在实验过程中有明显的发热过程，如果用于锂电池充电的话，这种情况估计会更严重一些。2、匹配性，按守友浩的说法，“如果”进一步开发出最合适的负极材料，将有望实现手机、电动汽车的高速、大容量充电。
不过，守友浩教授对这个新型材料相当自信，因为：原材料价格便宜，又能抗劣化，预计可开发出低价格的锂离子电池美国加州大学伯克利分校的一位化学家通过富锰分层状的复合正极技术，使相同重量的锂离子电池容量提高了2倍。
这种电池采用的是传统的锂锰尖晶石正极技术，所谓尖晶石结构是指三维排列原子的材料。众所周知，在目前的锂离子电池中有一种不平衡存在于两个电极之间：负极配置可以接受更多的电荷以提高整个电池的比容量。
富锰分层技术包括两个含义：1、富锰：就是指高容量的富锰正极，试验证明，锂电池正极材料同时具有活性成分和惰性成分，通过正极材料活性成分，锂离子可在正负极间移动形成充放电;而惰性成分有助于稳定活性物质，从而延长电池寿命。富锰正极材料可以带来多出1/3的能量密度。2、分层：就是指这种电池的制备采用两个不同的分层组件，使正极表现为一层层的复合结构，为此，在涂层、孔隙率和材料成分等工艺选择上需要进行改进。通过分层技术，使锂电池正极材料配比更趋合理，最终使正极材料可接受的电荷数量获得极大提升。
目前配合上述加州化学家开发这种技术的公司是恩维亚系统公司，公司开发的电池比容量为300Wh/kg，而公司希望通过正极材料的改进将这一指标提高到400Wh/kg。在电池负极荷电量大于正极的情况下，电池容量的提升主要依靠正极材料，这就是富锰分层技术存在的一大好处，通过这种技术从理论上可以生产出真正的大容量锂电池。
