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电池知识

锂电芯本身构成材料的细微差异和成组工艺的水平不同会导致什么?

来源:宝鄂实业    2019-05-09 19:34    点击量:

       锂电池在成组过程中,因为锂电芯本身构成材料的细微差异和成组工艺的水平不同的原因,会使锂电芯在使用和放置过程中出现功能表现不一致的现象,这就是锂电池的离散现象,描述这种离散现象的量化指标就是离散度,它是由若干参数的函数关系求得的,引起离散度数值变化的主要有:电阻、电压、容量、温度等。

 

  1、电池内阻,特别是极化内阻的不同点,会使得个别电池在充放电过程中电压变化剧烈,从而导致整个电池组的变化加剧;2、单体电池电压的不一致,将影响电池组的调峰能力,使得整体电池组放出的能量降低;3、由于电池工作中有放热和吸热过程,电池温度会不断变化,当过热时,会带来性能下降和安全隐患,事实证明,近年发生的电动汽车运营和测试起火的导火索都是因为过温保护不到位引起电池发热起火的,电池类型不但有锰酸锂,磷酸铁锂电池也是如此;4、容量是离散性中最严重的因素,容量不一致主要引起两个方面的性能问题,一是部分电池会处于过充过放状态,导致燃烧、爆炸等不安全因素,二是低容量单体电池因为提早结束工作,影响到整个电池组中其他单体电池的能量不能完全释放,从而引起整个电池组的寿命衰减。

 

  为了减小锂电池离散度的负面影响,最大限度满足电池组均匀性的要求,需要从以下制作和使用角度进行改善。

 

  1、生产过程中,锂电池设计保证符合大规模机械化生产的要求,寻找控制产品质量的工艺方法,保证单体电池在材料和内部结构上的均匀性。

 

  2、使用中,首先要优化分选匹配技术,使得锂电池组在使用初期的一致性得以满足;其次是弱化电池内部温度不平衡状态,使电流密度尽量均匀,减小电池接触电阻的连接方式。

 

  3、测试电池组表面温度和流速,选择合理、科学的通风结构,使整个电池组的表面温度均匀,保证电池组使用时每只电池处于相同的温度环境中。

 

  电池一致性差是电池组制造过程中较难把握的工艺,目前的控制方法都不够尽善尽美,但对锂电池离散度加强认识,以改进锂电池的一致性是必要的,也是做好这个事情的基础。

日本富士通公司成立了电容器业务推进室,其室长铃木靖生日前撰文,对锂离子电容器的知识进行了普及,并将之与锂离子电池和双电层电容器的特点进行了比较。

 

  富士通开发的锂离子电容器特点是输出功率高,充放电循环特性出色,主要面向混合动力车等需要高功率的汽车领域。

 

  1、电压、容量、自放电的比较

 

  锂离子电容器与锂离子电池材料构成上的不同主要表现在正极方面。锂离子电容器的正极是活性碳,这与锂电池的锂氧化物不同。锂离子电容器的负极采用碳材料,电解液采用锂离子有机物,正极通过双电层蓄电,负极由锂离子的氧化还原反应而蓄电。

 

  锂离子电容器的能量密度小于锂离子电池,但输出密度高;单体体积的能量密度为10~15Wh/L,较双电层电容器的2~8Wh/L的容量大得多,是后者的二倍。

 

  在电压方面,锂离子电容器的最高电压可达到4V,与锂离子电池相近,而比双电层电容器高出许多,同时在自放电方面比二者都小。

2、安全性:锂电池取代镍氢电池和铅酸蓄电池是电池技术的一大进步,但锂电池的安全性事故也屡有发生,如上所述,这也是由其正极结构的不同而引起的。锂电池的正极采用锂氧化物,不但含有大量的锂可形成锂枝晶而刺穿隔膜,也含有氧这种重要的起火元素。电池一旦短路就可发展为整体的热分解,与电解液反应可引起燃烧。

 

  而锂离子电容器的正极是活性碳,即使内部短路会与负极发生反应,但不会与电解液反应,理论上,这比锂电池安全得多。

 

  3、长寿命特点:锂电池为了实现长寿命,对锂电池充电和放电深度有一定的范围限制,这样就减少了实质上可以利用的容量,双电层电容器的充放电原理则是单纯以吸附或脱却电解液中的离子而具有长寿命的,仅凭这一点很难延长实际寿命。但锂离子电容器即使降低正极电位,单元自身的电压也不会大幅下降,因此可确保容量。

 

  4、耐高温特性:蓄电元器件存在的弱点是工作时的温度上升。在反复充放电过程中,内部电阻会助推温度上升,因而影响寿命,这是因为,在高温条件下,电解液、正极容易发生氧化分解,为此,在高温条件下可能需要降低正极的电位,但在电位降低的情况下,双电层电容器整体电压下降,无法确保容量。锂电池则无法降压,容易产生安全问题。只有锂离子电容器可以在正极电位远离氧化分解区域的位置正常使用,因而高温性能出色。