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锂离子电池

来源:蓝泰阳作者:admin浏览次数:130发布时间:2023-02-21 20:19:08

锂离子电池

基于德州大学奥斯汀分校 John Goodenough 教授的研究,索尼公司在 1991 年将锂离子电池商业化。迄今为止,离子电池已经成为世界上产量最大的电池。在2013 年,离子圆柱形电芯生产量约6.6亿AH(安时),软包电芯高达7亿AH(安时)

由于能量密度高,锂离子电池很快成为小型电子器件电源的最佳选择。这也就意味着,提供同样的能量,锂离子电池只需要镍氢电池一半的体积和重量。在移动电源方面,比如手机、笔记本电脑,高能量密度意味着更长的运行时间。锂离子电池是如何工作的呢? 事实上,和其他电池一样,锂离子电池也需要集流体,离子也随充放电过程在正负极之间传输。在锂离子电池中,充放电过程中伴随着能量流的形成: 充电过程,锂离子从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极: 放电时,锂离子从负极脱嵌,经过电解质嵌入正极(见图 7.3)。离子电池充放电这一点和常识相反: 放电时,离子从负极传输到正极。图7.3为充电过程示意图,离子从正极材料进入电解液,经过隔膜再进入电解液,最后从电解液进入负极。这个过程在负极铜箔和正极集流体之间产生电压差。

         

相对于镍基电池和铅酸电池,锂离子电池具有较高的工作电压。通常情况下,镍氢电池和镍隔电池的工作电压为1.2~1.5 V,而离子电池的工作电压一般为3.2~3.8 V。工作电压高就意味着达到相同的组装电压,锂离子电池需要更少的电芯。例如组装350V电压的模组,镍氢电池需要约292 块电芯(350V/1.2V=292),然而锂离子电池仅需要98块(350V/3.6V=98)。

    除高压与高能量密度以外,锂离子电池还具有较低的自放电率。也就是说,电池储存一段时间后,锂离子电池的容量损失要比别的电池少很多。根据锂离子电池类型不同,其平均每月自放电率大约为1%一5%容量损失分为两种: 可逆性容量损失和永久性容量损失。可逆性容量损失通过充电可恢复,而永久性容量损失则无法恢复。几乎所有的锂离子电池都有可逆性和永久性容量损失。

另外,相对于其他电池,锂离子电池具有非常好的循环寿命。铅酸电池的完全充放电循环寿命约为 300~500 圈,而离子电池则达上千次。如果电池每次仅用80%的总能量,则锂离子电池的循环寿命可高达数千次。

表 7.5 总结了目前最常用到的锂离子电池种类、电化学性能和价格等信息,包括镍钻锰三元材料(NMC)电池、镍钻铝三元材料(NCA)电池磷酸铁锂(LFP)电池、钛酸锂(LTO)电池、锰酸锂(LMO)电池以及钴酸锂(LCO)电池

锂离子电池电芯的组成较少,只有五部分,与电芯相关的材料约10~20种(见图 7.4)。电池包括正极材料、负极材料以及相对应的集流体,正负极之间通过隔膜隔离,其主要成分为聚丙烯和聚乙烯塑料。正负极材料涂覆在集流体上与隔膜通过卷曲或叠片形成卷芯,然后装进金属壳或塑料膜内,再经过电解液注入等工序后便将金属壳或者塑料膜完全密封,随后便可移至下一个电芯工序。图 7.5 显示了锂离子电池的主要部件与成本的关系。

表7.5不同锂离子电池参数

 

磷酸铁锂离子电池

锰酸铁锂离子电池

钛酸铁锂离子电池

钴酸铁锂离子电池

镍钴铝三元锂离子

镍钴锰三元锂离子电池

英文缩写

LFP

LMO

LTO

LCO

NCA

NMC

比能量

80~130

105~120

70

120~150

80~220

140~130

能量密度

220~250

250~265

130

250~450

210~600

325

比功率(Wkg)

1400~2400

1000

750

600

1500~1900

500~3000

功率密度

4500

2000

1400

1200~3000

4000~5000

6500

电芯电压

3.2~3.3

3.8

2.2~2.3

3.6~3.8

3.6

3.6~3.7

循环寿命

1000~2000

>500

>4000

>700

>1000

>1000~4000

自放电

<1%

5%

2%~10%

1%~5%

2%~10%

1%

成本价格

400~1200

400~900

600~2000

250~450

600~1000

500~900

工作温度

-20~60C

-20~60C

-40~55C

-20~60C

-20~60C

-20~55

 

 

 

 

 

 

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