聚合物锂电池正确充电方法及充电注意事项讲解

作为新一代可充电电源，锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、安全性能高等优点，是当前充电电池的主流发展方向。它还具有低维护需求和无记忆效应等特点，在作战中可随时充放电，且几乎不需任何战场维护，减少后勤负担，因此受到各国军队的重视和发展。近年来，锂离子电池被广泛用于单兵作战系统、潜艇、无人机、空天飞行器等军事装备，在陆、海、空、天领域展示出广阔的应用前景。

优势不可替代

锂离子电池是继镍氢等传统蓄电池之后的新一代可充电电池，由日本索尼公司于1990年最先研发成功。锂离子电池工作原理简单，具有较好的安全性和较长的充放电寿命，被认为是新型动力源的首选。

锂离子电池在军事应用中具有以下优点。工作电压高。一节锂离子电池的放电电压相当于3节传统蓄电池，同等使用条件下，大大减少电池使用量。能量密度高。是普通蓄电池的2至3倍，加上体积小、重量轻，用于野战便携式电子设备有不可替代的优势。循环使用寿命长。使用寿命长达10至15年，与传统蓄电池7至8年相比，降低了造价高昂带来的影响。无环境污染。不含铅、汞等重金属，是一种洁净的“绿色”能源。无记忆效应。可随意充放电，尤其在战时和紧急情况下显示出优异的使用性能。低维护率。几乎不需要任何维护，减少战时后勤负担。此外，还有安全性能高、工作温度范围宽等优点。

近年来，各国将锂离子电池作为替代传统蓄电池的新型电池大力发展，新型锂离子电池具备诸多特色，在便携式电子设备应用方面展现出不可替代的优势。

趋于可弯曲轻量化。随着小型化、便携式、可穿戴电子装备日益增多，要求与之适配的电源具有重量轻、体积小、比能量高、可任意形变等特点，锂离子电池凭借优异性能成为上述电子设备的首选电源。2013年，美军研发出一款可拉伸的锂离子电池，能内置手表腕带中，为单兵智能手表等装置供电。日本新推出一种柔性超薄锂离子电池，在弯曲折叠后依然保持稳定的电量输出。该电池的另一个技术亮点是采用无线充电技术，使可穿戴设备无需专门设计电池安装区域。

能量密度持续提高。促进锂离子电池发展的一大因素是新兴电池材料的应用。近年来，随着多种新型电极材料被应用，大大提升锂离子电池的能量密度、循环使用寿命和稳定性等关键性能。另外，锂离子电池的制造工艺也取得多项技术突破。日本新型耐高温全固态锂离子电池，在150℃的高温环境中仍具备良好的导电性能，此项技术扩大锂离子电池的应用范围。美国采用喷涂工艺可大面积制造锂离子电池，几乎可以在所有物体表面形成电池，可进一步提高战场能源的保障能力。

安全性能取得技术突破。高安全性是军事装备对锂离子电池的刚性要求，保证电池在受到高强度打击和冲击时绝对安全，主要通过使用高安全材料和优化电池结构实现。2017年1月，美国斯坦福大学研发出一种含有阻燃剂的微型“智能”纤维，插在电池的电极之间，可阻止电池短路起火。在测试中，当锂离子电池温度达到160℃以上时，阻燃剂会被释放到电解质中，确保电池安全。

未来军事装备的主选

锂离子电池作为动力源，近年来被广泛应用在单兵电子设备、潜艇、鱼雷、无人机中，展现出良好的使用性能，逐渐成为军事装备的重要能源。

单兵作战系统的首选电源。锂离子电池作为目前性能最好的蓄电池，不仅能为战场上的单兵电子设备提供持久稳定电源，还可大大减轻单兵负重，增强单兵作战的灵活性和机动性，成为未来单兵装备的首选电源。美陆军开发的“士兵适形电池”，就是一种可穿戴的锂离子聚合物电池，外形轻薄，排列放置在士兵穿着的防弹板上，减轻士兵承重。英国国防部将锂离子电池作为单兵作战系统补给能源，研制的袋状锂离子电池具有超高比能量。此外，当前世界各国军队研发的未来士兵作战系统大多采用锂离子电池作为动力源，如美国“陆地勇士”单兵作战系统和德国“未来士兵”系统都使用锂离子电池。

海上装备的“能源新宠”。锂离子电池用作潜艇的动力源，可极大提高潜艇航速、续航里程、生存能力，降低潜艇维护成本。近年来，多国海军将锂离子电池应用于微型潜艇，同时开发适用于中远程潜艇的锂离子电池。例如，法军天蝎级潜艇装备新一代锂离子电池，能够承受大电流充电，使潜艇充电时间大幅缩短，水下续航时间翻倍。

锂离子电池用于鱼雷，可大幅降低鱼雷动力部分的体积和重量，并能在训练中反复使用，满足部队训练需求。目前，法国海军已成功开发锂离子电池鱼雷，运行速度超过50节（92．5千米／小时），续航时间超过1小时，可靠性和安全性均满足作战性能要求。此外，外军还探索将锂离子电池用作水面舰艇的电力系统。

空天飞行器的“第三代电源”。锂离子电池被称为第三代航天电源，近年来逐步应用于各类航天设备。例如，新式锂离子电池已经用作国际太空站电源。在军事航空领域，锂离子电池主要应用于小型、微型无人机。美军在阿富汗战争中投入使用的“龙眼”无人侦察机，采用锂离子电池作为动力源，已在作战中得到检验。不过总体看，锂离子电池在这一领域的应用仍处于起步阶段，主要制约因素是小型化不足、动力不够等。

大型装备的动力源不足。在地面装备中，锂离子电池主要应用于军用无人地面车辆、机器人、混合电动战车等。对使用油电混合驱动的地面战车来说，采用锂离子电池作为动力源不仅可以降低油耗，减少后勤负担，还可以提高战术车辆的机动力和生存能力。目前，外军积极为混合电驱动战车、无人地面车辆、地面机器人研发锂离子电池模块。不过，对大型地面装备来说，锂离子电池功率偏弱是制约其进一步应用的主要因素。因此，未来还需要继续研发高比功率、低成本的锂离子电池，满足地面装备的任务需求。

随着智能手机和其他智能用电设备越来越向薄型、小型化发展，对电池的能量密度提出更高要求，电池的尺寸空间也越来越小，软包装锂离子电池稍有气胀现象就会影响用电器使用，降低电池性能，严重时将会撑破包装铝箔，造成漏液腐蚀危险，因此了解电池胀气产生的原因掌握抑制胀气方法，对保证电池性能，提高其循环寿命及安全性能有重要意义。对软包装锂离子电池生产过程中的胀气类型及原因进行了分析，并从材料体系优化及工艺控制等方面给出了抑制产气发生的相关措施，对软包装锂离子电池的制程优化和产品品质提升具有重要意义。

软包锂电池胀气的原因

聚合物锂离子电池芯采用的是铝塑複合膜的包装技术，当电池芯内部由于异常化学反应的发生而产生气体时，Pocket会被充起，电池芯鼓胀（有轻微鼓胀和严重鼓胀两种情况），且不论外观如何，电池芯的使用性能（Capacity、Cycle life、C-rate等）会发生严重的失效，导致电池芯不能使用。胀气会发生在生产过程中也会在客户甚至最终用户手中。当然，电池芯在化成启动或Baking过程中会正常的产生一定量（一般很少）的气体，这根据所使用的原材料而异，这种气体在Degassing工序会被抽掉。

目前部分Model（一次封装成型电池芯）通过添加V18溶剂来消除这种SEI层形成、相介面稳定时所产生的气体。 但是由于工序异常所产生的气体在Degassing前表面非常明显或者Degassing后产生不能再消掉或者添加V18也不能消除。

这里简要介绍工序异常产生气体的原因：

1.封装不良，由封装不良所引起胀气电池芯的比例已经大大地降低。前面已经介绍了引起Top sealing、Side sealing和Degassing三边封装不良的原因，任何一边封装不良都会导致电池芯，表现以Top sealing 和Degassing居多，Top sealing主要是Tab位密封不良，Degassing主要是分层（包括受电解液和凝胶影响导致PP与Al脱离）。封装不良引起空气中水分进入电池芯内部，引起电解液分解产生气体等。

2.Pocket表面破损，电池芯在流拉过程中，受到异常损坏或人为破环导致Pocket破损（如针孔）而使水分进入电池芯内部。

3.角位破损，由于折边角位铝的特殊变形，气袋晃动会扭曲角位导致Al破损（电池芯越大，气袋越大，越易破损），失去对水的阻隔作用。可以在角位加皱纹胶或热熔胶缓解。并且在顶封后的各工序禁止拿气袋移动电池芯，更要注意操作方式防止老化板上电芯池的摆动。

4.电池芯内部水含量超标，前面我们已经介绍过对电池芯内水含量有一定的要求，一旦水含量超标，电解液会失效在化成或Degassing后产生气体。造成电池内部水含量超标的原因主要有：电解液水含量超标，Baking后裸电芯水含量超标，乾燥房湿度超标。若怀疑水含量超标导致胀气，可进行工序的追溯检查。

5.化成流程异常，错误的化成流程会导致电池芯发生胀气。

6.SEI膜不稳定，电池芯在容量测试充放电过程中发射功能轻微胀气。

7.过充、过放，由于流程或机器或保护板的异常，使电池芯被过充或过度放电，电池芯会发生严重鼓气。

8.短路，由于操作失误导致带电电芯两Tab接触发生短路，电池芯会发生鼓气同时电压迅速下降，Tab会被烧黑。

9.内部短路，电池芯内部阴阳极短路导致电芯迅速放电发热同时严重鼓气。内部短路的原因有很多种：设计问题；隔离膜收缩、捲曲、破损；Bi-cell错位；毛刺刺穿隔离膜；夹具压力过大；烫边机过度挤压等。例如曾经由于宽度不足，烫边机过度挤压电芯实体导致阴阳极短路胀气。

10.腐蚀，电池芯发生腐蚀，铝层被反应消耗，失去对水的阻隔作用，发生胀气。

11.真空抽气异常，系统或机器的原因导致真空度异常Degassing抽气不彻底；Vacuum Sealing的热辐射区过大，导致Degassing抽气刺刀不能有效地刺破Pocket袋而导致抽气不乾淨。

抑制异常产气的措施

在正常电压范围内，产气量较少，而且大多为碳氢化合物，当有异常产气发生时，会产生大量气体，破坏电极界面结构，导致电解液分解失效，严重时冲破封装区造成漏液，腐蚀危险。抑制异常产气需要从材料设计和制造工艺两方面着手。

首先要设计优化材料及电解液体系，保证形成致密稳定的SEI膜，提高正极材料的稳定性，抑制异常产气的发生。

针对电解液的处理常常采用添加少量的成膜添加剂的方法使SEI膜更均匀、致密，减少电池在使用过程中的SEI膜脱落和再生过程产气导致电池鼓胀，相关研究已有报道并在实际中得到应用，如哈尔滨理工大学的成夙等报道，使用成膜添加剂VC可以减少电池气胀现象。但研究多集中在单组分添加剂上，效果有限。华东理工大学的曹长河等人，采用VC与PS复合作为新型电解液成膜添加剂，取得了很好的效果，电池在高温搁置和循环过程中产气明显减少。研究表明，EC、VC形成的SEI膜组分为线性烷基碳酸锂，高温下附在LiC的烷基碳酸锂不稳定，分解生成气体（如CO2等）而产生电池鼓胀。而PS形成的SEI膜为烷基磺酸锂，虽膜有缺陷，但存在着一定的二维结构，附在LiC高温下仍较稳定。当VC和PS复合使用时，在电压较低时PS在负极表面形成有缺陷的二维结构，随着电压的升高VC在负极表面又形成线性结构的烷基碳酸锂，烷基碳酸锂填充于二维结构的缺陷中，形成稳定附在LiC具有网络结构的SEI膜。此种结构的SEI膜大大提高了其稳定性，可以有效抑制由于膜分解导致的产气。

此外由于正极钴酸锂材料与电解液的相互作用，使其分解产物会催化电解液中溶剂分解，所以对于正极材料进行表面包覆，不但可以增加材料的结构稳定性，还可以减少正极与电解液的接触，降低活性正极催化分解所产生的气体。因此，正极材料颗粒表面形成稳定完整的包覆层也是目前的一大发展方向。

其次要严格控制制造工艺过程参数，保证封装可靠性，防止电池内部水分过量引起的胀气，控制方法如下：

（1）电芯卷绕完成后干燥充分，防止膜片中水分含量超标；

（2）严格控制真空烘烤后电芯到注液时间及干燥房湿度；

（3）保证注液手套箱密封性；

（4）控制电解液中水分和游离酸含量；

（5）规范电解液存储环境及密封条件，防止电解液在使用及存放过程中进入过量水分；

（6）采用闭口加压化成或者外置气囊化成后抽真空封口排气；

（7）采用多步化成和高温搁置工艺，保证产气完全；

（8）提高封装可靠性。

胀气的产生主要有正常化成产气和异常产气，要想抑制电池后期的异常产气，需要从材料设计优化和工艺控制两方面着手；选用具有稳定完整包覆层的正极材料，阻隔电解液与正极反应分解，匹配具有成膜添加剂的电解液，有效保证SEI膜的稳定性是抑制产气发生的前提，工艺过程中要保证封装可靠性，加强控制水及氧气等体系敏感物质进入电池内部是有效解决电池胀气的途径。