鋰離子電池結(jié)構(gòu)、工作原理、材料分類(lèi)等全面知識(shí)介紹

　　當(dāng)今社會(huì)，人類(lèi)文明已然離不開(kāi)電，小到我們使用的手機(jī)、手表；大到冰箱、空調(diào)，以及新能源汽車(chē)等，都離不開(kāi)電力的需求。不說(shuō)話說(shuō)回來(lái)，對(duì)于電的使用，除了我們家庭用電，就屬鋰電池應(yīng)用廣泛。鋰電池是一類(lèi)由鋰金屬或鋰合金為負(fù)極材料，由于鋰的化學(xué)特性十分活潑，使得鋰金屬的加工、保存、運(yùn)用，對(duì)環(huán)境要求十分高。鋰離子電池負(fù)極是石墨等插層結(jié)構(gòu)材料，電池中是鋰離子在正負(fù)極移動(dòng)，因而比鋰電池安全許多。鋰離子電池和鋰聚合物電池，鋰離子電池電解液是液態(tài)，聚合物電池的電解質(zhì)是凝膠或者固態(tài)，更安全一些。下面咱們來(lái)說(shuō)說(shuō)鋰離子電池的結(jié)構(gòu)、工作原理、材料分類(lèi)、充電方法、爆炸原因、設(shè)計(jì)規(guī)范等知識(shí)介紹。篇幅有點(diǎn)長(zhǎng)，請(qǐng)耐心看完哦。

鋰離子電池結(jié)構(gòu)

鋰離子電池的結(jié)構(gòu)組成，主要分為以下五個(gè)部分，如圖所示是圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖：

圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

①鋰離子電池正極材料：電極電勢(shì)較高、結(jié)構(gòu)安穩(wěn)的具有嵌鋰才能的層狀或尖晶石結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬氧化物或聚陰離子型化合物，如鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料等。

②鋰離子電池負(fù)極材料：電位挨近鋰電位、結(jié)構(gòu)安穩(wěn)的并可許多儲(chǔ)鋰的層狀石墨、金屬單質(zhì)及金屬氧化物，如石墨、中心相碳微球、鈦酸鋰等。

③鋰離子電池電解液：溶有電解質(zhì)鋰鹽的有機(jī)溶劑，供給鋰離子，電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機(jī)溶劑主要由碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲酯(DMC)等其中的一種或幾種混合組成。

④鋰離子電池電芯隔閡：置于正負(fù)極之間，避免正負(fù)極直接接觸，且答應(yīng)Li+離子經(jīng)過(guò)的聚烯微多孔膜，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，或它們復(fù)合膜，PP/PE/PP三層隔閡。

⑤鋰離子電池外殼：電池封裝，主要有鋁殼、蓋板、極耳、絕緣片等。

鋰離子電池工作原理詳解

　　所謂鋰離子電池是由兩個(gè)可嵌入與可脫嵌鋰離子的材料作為電池的正極與負(fù)極，實(shí)現(xiàn)可屢次充放電功用的二次電池。鋰離子電池是依靠鋰離子在正負(fù)極之間的轉(zhuǎn)移來(lái)完成電池充放電作業(yè)。

①當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子脫離正極嵌入到負(fù)極中，放電時(shí)方向正好相反。這樣就需求正極在制作前就處于嵌鋰狀況，常規(guī)會(huì)選用相對(duì)鋰而言電位大于3V且在空氣中安穩(wěn)的鋰化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

②負(fù)極材料常規(guī)會(huì)挑選電位盡或許挨近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質(zhì)，如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。

③電解質(zhì)常規(guī)選用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂調(diào)配的混合溶劑體系。

④隔閡選用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們復(fù)合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔閡不僅熔點(diǎn)較低，并且具有較高的抗穿刺強(qiáng)度，起到了熱保險(xiǎn)作用。

⑤外殼選用鋼或鋁材料，正極蓋體組件具有防爆斷電的安全維護(hù)功用。

　　對(duì)于其他類(lèi)型的電池產(chǎn)品，鋰電池具有重量輕、容量大、無(wú)回憶效應(yīng)等長(zhǎng)處，在數(shù)碼設(shè)備、小型電動(dòng)工具及大型儲(chǔ)能設(shè)備及新能源動(dòng)力電池都選用鋰離子電池作儲(chǔ)能設(shè)備，鋰離子電池的能量密度高，容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，并且具有很低的自放電率；此外，鋰離子電池簡(jiǎn)直沒(méi)有“回憶效應(yīng)”及不含有毒物質(zhì)。

鋰離子電池按材料體系分類(lèi)以及特點(diǎn)

　　現(xiàn)在主流的鋰離子動(dòng)力電池，主要按正極材料來(lái)分類(lèi)，可分為以下幾類(lèi)：①磷酸鐵鋰；②錳酸鋰；③鎳酸鋰；④三元材料主要有鎳鈷錳與鎳鈷鋁；⑤磷酸錳鋰；負(fù)極材料主要有石墨及鈦酸鋰。

以上正極材料體系的主要特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面：

一、錳酸鋰體系，電池負(fù)極材料主要為石墨

　　其克容量低，但壓實(shí)密度高，總體能量密度與磷酸鐵里相當(dāng)；最大問(wèn)題是較高溫度作業(yè)時(shí)易溶解。需求經(jīng)過(guò)參雜和外表處理來(lái)改善其溫度耐受性，其安穩(wěn)性、安全性不如磷酸鐵鋰。

二、磷酸錳鐵鋰體系，負(fù)極為石墨

　　材料成熟度低，電子電阻高，現(xiàn)在壽數(shù)較短，由于有鐵鋰和錳鋰混合，所以平臺(tái)電壓有兩段，做成組策略時(shí)要考慮SOC不一致的影響。

三、磷酸鐵鋰電池，負(fù)極為石墨

　　電壓平臺(tái)很平穩(wěn)，能量發(fā)揮好，原材料儲(chǔ)量大，經(jīng)濟(jì)功用較好。同時(shí)簡(jiǎn)直無(wú)沒(méi)有熱失控問(wèn)題（熱失控溫度在800℃以上），材料體系十分安全。也由于電池材料特性安全性高，磷酸鐵里電池能夠做大容量單體電芯（高達(dá)幾百安時(shí)），有利于體系的成組效率（按重量能量比核算，客車(chē)運(yùn)用硬殼電池能夠到達(dá)78%的成組效率）。磷酸鐵里現(xiàn)已廣泛用于混合動(dòng)力、純電動(dòng)客車(chē)以及電網(wǎng)和家庭儲(chǔ)能體系，是現(xiàn)在新能源客車(chē)市場(chǎng)上用量最多的鋰離子動(dòng)力電池。

四、三元電池，多數(shù)運(yùn)用鎳鈷錳混合作為正極材料，也有用鎳鈷鋁作為正極材料的（如特斯拉所用松下電池），負(fù)極為石墨

　　能量密度高（現(xiàn)在NCM電功用做到200WH/kg以上，NCA則更高）、壽數(shù)特性?xún)?yōu)秀，但熱失控溫度200℃以上，需求在體系集成中多方面考慮如何操控?zé)釘U(kuò)散，以滿(mǎn)足其體系安全性需求。也是由于安全性考慮，三元系材料一般不會(huì)做大容量單體電芯，三原材料電池多用于純電動(dòng)乘用車(chē)和非載客的商用車(chē)，現(xiàn)在是新能源乘用車(chē)用量增加最快的電池。

五、鈦酸鋰電池是在鋰離子電池中，用鈦酸鋰代替石墨作為負(fù)極材料，只正極材料能夠是以上任何正極材料

　　鈦酸鋰電池有四大長(zhǎng)處：低溫特性好（尤其是低溫-30℃還能夠充電）、高功率（可大功率充放電，尤其是充電倍率能夠很高）、長(zhǎng)壽數(shù)循環(huán)（能夠輕松到達(dá)萬(wàn)次以上）、安全性高（簡(jiǎn)直沒(méi)有熱失控風(fēng)險(xiǎn)）；

　　鈦酸鋰也有三大缺點(diǎn)：平臺(tái)電壓低（僅有2.2V，體系成組需連接許多電芯，效率很低）、還存在高溫脹氣問(wèn)題（盡管現(xiàn)在有所改善但并沒(méi)有底子處理）、本錢(qián)高（約為石墨體系電池的兩倍多），鈦酸鋰電池多用于混合動(dòng)力和單詞續(xù)航路程要求不高但需求屢次充電的運(yùn)用場(chǎng)景中;

鋰電池制作設(shè)計(jì)采取的基本安全措施

　　依據(jù)鋰電池材料體系的不同，鋰電池充電時(shí)電壓高于鋰電池的極限電壓后，便開(kāi)端發(fā)作副作用，過(guò)充電壓越高，危險(xiǎn)性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后，正極材料內(nèi)剩下的鋰離子數(shù)量不到一半，此時(shí)儲(chǔ)存格會(huì)垮掉，讓電池容量發(fā)作永久性的下降。假如持續(xù)充電，由于負(fù)極的儲(chǔ)存格現(xiàn)已裝滿(mǎn)了鋰離子，后續(xù)的鋰離子會(huì)堆積于負(fù)極材料外表長(zhǎng)出枝狀結(jié)晶，這些鋰結(jié)晶會(huì)刺穿隔閡，使正負(fù)極短路。有時(shí)在短路發(fā)作前電池就或許現(xiàn)已爆破，這是由于在過(guò)充進(jìn)程，電解液等材料會(huì)裂解發(fā)作氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負(fù)極外表的鋰原子發(fā)作反響爆破。因而，鋰電池充電時(shí)，一定要設(shè)定電壓上限，才能夠同時(shí)兼顧到電池的壽數(shù)、容量和安全性。

　　鋰電芯放電時(shí)也要有電壓下限，當(dāng)電芯電壓低于極限電壓時(shí)，部分材料會(huì)開(kāi)端被損壞。同時(shí)由于鋰電池本身會(huì)自放電，放置時(shí)刻越久電壓會(huì)越低。因而在規(guī)劃鋰電池時(shí)，放電到電壓的設(shè)定會(huì)充分考慮這些要素，鋰電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間，所釋放的能量只占電池容量的3%-5%左右。

　　充放電時(shí)，除了電壓的限制，電流的限制也十分必要。電流過(guò)大時(shí)，鋰離子來(lái)不及進(jìn)入儲(chǔ)存格，會(huì)聚集于材料外表。這些鋰離子獲得電子后，會(huì)在材料外表發(fā)作鋰原子結(jié)晶，這與過(guò)充相同，會(huì)形成危險(xiǎn)性。

　　因而，對(duì)鋰離子電池的維護(hù)，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會(huì)有一片維護(hù)板或者功用豐厚的BMS電池辦理體系。

鋰離子電池充電方法

　　鋰離子電池常用的充電辦法補(bǔ)充闡明鋰電池技術(shù) 6天前恒流/恒壓充電法充電的進(jìn)程分為三個(gè)階段。

　　①預(yù)充階段。接通直流電源以后，在檢測(cè)到電池時(shí)，發(fā)動(dòng)充電芯片進(jìn)入預(yù)充進(jìn)程，在此期間充電操控器以比較小的電流給電池充電，使電池電壓和溫度恢復(fù)到正常狀況。

　　②恒流充電階段。在充電初期充電電路以恒定的電流對(duì)鋰離子電池充電，通常鋰電池大多會(huì)選用規(guī)范充電速率。在恒流充電時(shí)，電池的電壓將會(huì)緩慢上升，只要電池電壓到達(dá)所設(shè)定的終止電壓，恒流充電就會(huì)終止，然后進(jìn)入恒壓充電進(jìn)程。

　?、酆銐撼潆婋A段。在恒壓充電的進(jìn)程中，充電的電流會(huì)逐漸衰減，當(dāng)監(jiān)測(cè)到充電電流降至設(shè)置值以下或滿(mǎn)充時(shí)刻超時(shí)轉(zhuǎn)入頂端截止充電，此時(shí)充電操控器會(huì)以極小的充電電流為電池補(bǔ)充能量，一般狀況下該進(jìn)程能夠延長(zhǎng)電池5%~10%的運(yùn)用時(shí)刻。

　　這種充電辦法中，為避免電流過(guò)大，電池溫度過(guò)高，在恒流階段，通常選用較小的充電電流進(jìn)行充電，充電效率仍然不高。為提高充電效率，可選用變流充電法。

鋰離子電池變流充電法

　　鋰離子電池可接受的充電電流隨充電時(shí)刻呈指數(shù)規(guī)則下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線以上會(huì)導(dǎo)致電池電解液發(fā)作析氣反響，影響電池壽數(shù)。

鋰離子電池爆炸原因分析

　　鋰電芯爆破的原因可能是外部短路、內(nèi)部短路及過(guò)充，包括電池組內(nèi)部絕緣規(guī)劃不良等所引起的短路。

　　因此，對(duì)鋰離子電池的保護(hù)，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項(xiàng)。一般鋰電池組內(nèi)，除了鋰電芯外，都會(huì)有一片維護(hù)板或者功用豐厚的BMS電池辦理體系。

　　內(nèi)部短路主要是由于分切不良的銅箔與鋁箔的毛刺刺穿隔閡，或是由于過(guò)充原因形成的鋰枝狀結(jié)晶刺穿膈膜所形成。細(xì)微極片毛刺會(huì)形成微短路，由于毛刺很細(xì)有一定的電阻值，因而，電流不見(jiàn)得會(huì)很大。

　　銅、鋁箔毛刺是在出產(chǎn)進(jìn)程中由于分切不良形成，可檢測(cè)到的現(xiàn)象是電芯自放電太快，大多數(shù)狀況下能夠在后端挑選時(shí)檢測(cè)出來(lái)。并且由于毛刺細(xì)微，有時(shí)會(huì)被燒斷，使得電池又恢復(fù)正常。因而，因毛刺微短路引發(fā)爆破的機(jī)率并不高。

　　鋰電池在線檢測(cè)設(shè)備“二次元印象觀測(cè)儀“（如上圖）可有用檢測(cè)極片毛刺狀況，二次元印象儀能將圖畫(huà)放大500倍，能明晰判別毛刺狀況。

　　內(nèi)部短路引發(fā)的爆破，主要仍是由于過(guò)充原因形成。由于，過(guò)充后極片上到處都是鋰枝結(jié)晶，刺穿點(diǎn)到處都是，到處都發(fā)作微短路。因而，電池溫度會(huì)逐漸升高，最后高溫將電解液氣化。這種景象，不論是溫度過(guò)高使材料焚燒爆破，仍是外殼先被撐破，使空氣進(jìn)去與鋰金屬發(fā)作劇烈氧化，都會(huì)爆破。

　　歸納以上爆破的類(lèi)型，我們能夠?qū)⒎辣c(diǎn)放在過(guò)充的避免、外部短路的避免及提升電芯安全性三方面。其中過(guò)充避免及外部短路避免歸于電子防護(hù)，歸于電池組體系規(guī)劃及電池拼裝有較大聯(lián)系；電芯安全性的提升要點(diǎn)是化學(xué)與結(jié)構(gòu)規(guī)劃防護(hù)，與電池芯的規(guī)劃與制作進(jìn)程質(zhì)量操控有較大關(guān)系。

鋰離子電池設(shè)計(jì)規(guī)范涉及的幾個(gè)方面

　　電池維護(hù)板或BMS電池辦理體系硬件冗余規(guī)劃，預(yù)防電子元器件失效而引起的整個(gè)維護(hù)體系失效。電池辦理體系如能對(duì)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流都分別供給兩道安全防護(hù)，此外為了提升BMS體系的可靠性，BMS產(chǎn)品須經(jīng)過(guò)高溫老化處理，供給ESD、浪涌防護(hù)及防潮防塵這些基本功用。

　　在電動(dòng)汽車(chē)電池體系中，BMS電池辦理體系不擔(dān)要提過(guò)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流維護(hù)功用，還要對(duì)巨大的電池體系的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控與辦理。為了確保電池作業(yè)在相同的溫度環(huán)境下，BMS還要監(jiān)控所有電芯的作業(yè)溫度，具備熱平衡功用，高效水冷電池模組可將電池作業(yè)溫度有用操控在25±2℃。此外為了提升車(chē)輛電池安全性，BMS集成落水監(jiān)測(cè)、煙霧監(jiān)測(cè)、磕碰監(jiān)測(cè)、翻車(chē)監(jiān)測(cè)、長(zhǎng)途報(bào)警及自動(dòng)滅火等安全功用。

　　鋰電芯在出產(chǎn)制作時(shí)會(huì)嚴(yán)格操控正極、負(fù)極、隔閡、電解液等主要原材料的質(zhì)量，從電芯結(jié)構(gòu)規(guī)劃到電芯出產(chǎn)制作整個(gè)進(jìn)程，都須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量操控與在線檢測(cè)監(jiān)控程序，來(lái)確保鋰電芯的高質(zhì)量，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的后端挑選與批次的損壞性查驗(yàn)，來(lái)確保每一顆出廠電芯的質(zhì)量都契合質(zhì)量要求，確保在過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、振動(dòng)、機(jī)械沖擊、跌落、擠壓、翻轉(zhuǎn)、磕碰、刺穿等狀況下契合質(zhì)量規(guī)范要求。

　　總之，電池體系規(guī)劃時(shí)，必須對(duì)過(guò)充、過(guò)放與過(guò)流分別供給兩道電子防護(hù)。其中維護(hù)板或BMS電池辦理體系是第二道防護(hù),假如沒(méi)有外部維護(hù)的狀況，電池發(fā)作爆破就代表規(guī)劃不良。

鋰電芯的質(zhì)量成為關(guān)鍵

　　假如外部維護(hù)失利，對(duì)鋰電芯質(zhì)量提出更高的要求。電池假如在爆破前，內(nèi)部有鋰原子堆積在材料外表，焚燒爆破的威力會(huì)更大。所以鋰電芯抗過(guò)充才能比抗外部短路的才能顯得更為重要。

　　電芯抗外部短路的辦法，通常包括運(yùn)用高質(zhì)量的隔閡紙和選用壓力閥兩種措施。其中高質(zhì)量的隔閡效果最好，外部短路時(shí)超過(guò)百分之九十九的電池不會(huì)發(fā)作爆破。出產(chǎn)的鋰電芯，每批次須經(jīng)過(guò)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流等檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，備有先進(jìn)的規(guī)劃理念及高度自動(dòng)化的出產(chǎn)制作才能，質(zhì)量檢測(cè)合格率才能到達(dá)100%。

鋰離子電池的毛病機(jī)理與影響剖析總結(jié)

　　毛病模式機(jī)理與影響剖析(FMMEA)衍生于失效模式與影響剖析(FMEA)，在FMEA剖析的基礎(chǔ)上，F(xiàn)MMEA愈加具體的界說(shuō)和指出了導(dǎo)致毛病發(fā)作的機(jī)理。因而，鋰離子電池的FMMEA的開(kāi)展依據(jù)多年來(lái)對(duì)電池可靠性的實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)拆解及失效剖析研究。本文從鋰離子電池結(jié)構(gòu)的視點(diǎn)動(dòng)身總結(jié)了鋰離子電池的毛病機(jī)理與影響剖析，如表1所示：

鋰離子電池的毛病模式機(jī)理與影響分析

　　以上表格是依據(jù)長(zhǎng)期可靠性實(shí)驗(yàn)與剖析積累所得。在鋰離子電池失效分析中，還應(yīng)該依據(jù)實(shí)際狀況全面考察電池的材料、工藝、環(huán)境、運(yùn)用狀況及宿主設(shè)備等多方面信息。電池所涉及的方面非常復(fù)雜繁瑣，因此鋰電池研究者們?cè)谘芯靠疾斓臅r(shí)候，還需要依據(jù)背景情況，做出合理的結(jié)論才是。

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