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好的鋰離子電池是什么樣的?

鉅大LARGE  |  點(diǎn)擊量:844次  |  2021年03月29日  

1.壽命長


二次電池壽命,包括循環(huán)壽命和日歷壽命兩個(gè)指標(biāo)。循環(huán)壽命是指電池經(jīng)歷了廠家承諾的循環(huán)次數(shù)后,剩余容量仍然大于等于80%。日歷壽命是指無論使用與否,在廠家承諾的時(shí)間段內(nèi),其剩余容量不得小于80%。


壽命,是動力鋰電池的關(guān)鍵性指標(biāo)之一,一方面,更換電池這個(gè)大動作確實(shí)麻煩且用戶體驗(yàn)不好;另一方面,根本上,壽命是成本問題。


鋰離子電池壽命是指電池在使用過一段時(shí)間后,容量衰減為標(biāo)稱容量(室溫25℃,標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,且以0.2C放電的電池容量的70%),即可認(rèn)為壽命終止。行業(yè)內(nèi)一般以鋰離子電池滿充滿放的循環(huán)次數(shù)來計(jì)算循環(huán)壽命。在使用的過程中,鋰離子電池內(nèi)部會發(fā)生不可逆的電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致容量下降,比如電解液的分解,活性材料的失活,正負(fù)極結(jié)構(gòu)的坍塌導(dǎo)致鋰離子嵌入和脫嵌的數(shù)量減少等等。實(shí)驗(yàn)標(biāo)明,更高倍率的放電會導(dǎo)致容量更快的衰減,假如放電電流較低,電池電壓會接近平衡電壓,能釋放出更多的能量。


三元鋰離子電池的理論壽命約為800次循環(huán),在商業(yè)化的可充電鋰離子電池中屬于中等。磷酸鐵鋰約為2000次,而鈦酸鋰據(jù)說可以達(dá)到1萬次循環(huán)。目前主流的電池廠家在其生產(chǎn)的三元電芯規(guī)格書中承諾大于500次(標(biāo)準(zhǔn)條件下充放電),但是電芯在配組做成電池包后,由于一致性問題,重要是電壓和內(nèi)阻不可能完全相同,其循環(huán)壽命大約為400次。推薦SOC使用窗口為10%~90%,不建議進(jìn)行深度充放電,不然會對電池的正負(fù)極結(jié)構(gòu)造成不可逆的損傷,若是以淺充淺放來計(jì)算的話,循環(huán)壽命至少有1000次。另外,鋰離子電池若是經(jīng)常在高倍率和高溫環(huán)境下放電,電池壽命會大幅下降到不足200次。

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充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

2.成本低


電池本身每度電的價(jià)格低,是最直觀的成本。加上前面所說,對用戶來說,成本是否真的低,還要看"全生命周期度電成本"。


"全生命周期度電成本",動力鋰電池總電量乘以循環(huán)次數(shù)得到電池全生命周期可以利用的電量總和,用電池包總體價(jià)格除以這個(gè)總和,得到全生命周期內(nèi)每度電的價(jià)格。


我們平時(shí)所說的電池價(jià)格,比如1500元/kWh,都只是按照新電芯的總能量去計(jì)價(jià),其實(shí),全生命周期度電成本,才是終端客戶的直接利益所在。最直觀的結(jié)果就是,同樣的價(jià)格買到同樣電量的兩個(gè)電池包,一個(gè)充放50次就到了壽命終點(diǎn),另一個(gè)充放了100次還能再用。這兩個(gè)電池包,那個(gè)便宜哪個(gè)貴就一目了然了。


說白了就是壽命長,耐用,降低了成本。

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標(biāo)稱電壓:28.8V
標(biāo)稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

除了上面的兩種成本,電池的維護(hù)成本也要考慮。單純考慮前期成本,選用問題電芯,后期維護(hù)成本及人工成本太高。針對電芯本身的維護(hù),重要指手動均衡。BMS自帶的均衡功能受限于自身設(shè)計(jì)均衡電流的大小,可能無法實(shí)現(xiàn)電芯之間的理想均衡,隨著時(shí)間的積累,電池組中就會出現(xiàn)壓差過大問題。遇到此類情形,只得進(jìn)行手動均衡,對電壓過低的電芯單獨(dú)充電。這種情形出現(xiàn)的頻率越低,則維護(hù)成本越低。


3.能量密度高/功率密度高


能量密度,指單位重量或者單位體積內(nèi)包含的能量;電池的平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。一般在相同體積下,鋰離子電池的能量密度是鎳鎘電池的2.5倍,是鎳氫電池的1.8倍,因此在電池容量相等的情況下,鋰離子電池就會比鎳鎘、鎳氫電池的體積更小,重量更輕。


電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度。


功率密度是指單位重量或者體積對應(yīng)的最大放電功率的數(shù)值。在道路車輛有限的空間內(nèi),只有通過提高密度才能有效提高總體能量和總體功率。加之,當(dāng)前的國家補(bǔ)貼,把能量密度和功率密度作為衡量補(bǔ)貼檔次的門檻,更加強(qiáng)化了密度的重要性。


但能量密度與安全性之間,存在著一定的矛盾關(guān)系,隨著能量密度的提高,安全性總會面對更新更艱巨的挑戰(zhàn)。


4.電壓高


由于負(fù)極材料基本都采用石墨電極,鋰離子電池的電壓重要的由正極材料的材料特性決定,磷酸鐵鋰電壓上限3.6V,三元鋰和錳酸鋰離子電池最高電壓4.2V左右(下篇講解為何鋰離子電池最高電壓不能突破4.2V)。研發(fā)高電壓電芯,是鋰離子電池提高能量密度的一條技術(shù)路線。提高電芯輸出電壓,要電勢高的正極材料,電勢低的負(fù)極材料和穩(wěn)定電壓高的電解液。


5.能量效率高


庫倫效率,也叫充電效率,是指電池放電容量與同循環(huán)過程中充電容量之比。即放電比容量與充電比容量之百分比。


關(guān)于正極材料來說,是嵌鋰容量/脫鋰容量,即放電容量/充電容量;關(guān)于負(fù)極材料來說,是脫鋰容量/嵌鋰容量,即放電容量/充電容量。


在充電過程中電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能,放電過程中化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能,兩次轉(zhuǎn)化過程中電能的輸入與輸出存在一定的效率,該效率直接反映電池性能的好壞。


在專業(yè)物理學(xué)角度,庫倫效率和能量效率不相同的,一個(gè)是電量之比,一個(gè)是做功之比。


蓄電池的能量效率與庫倫效率,但從數(shù)學(xué)表達(dá)式上看,兩者之間有一個(gè)電壓的關(guān)系。充放電的平均電壓不相等,放電平均電壓一般小于充電平均電壓


通過電池的能量效率可以判斷電池的性能,由能量守恒可知,損失的電能重要轉(zhuǎn)變成熱能,因而能量效率可以分析電池在工作過程中出現(xiàn)的熱量,進(jìn)而可以分析內(nèi)阻與熱量的關(guān)系。并且已知能量效率可以預(yù)測電池剩余能量的多少,對電池的合理使用進(jìn)行管理。


因?yàn)檩斎氲碾娏客荒苋坑脕韺⒒钚晕镔|(zhì)轉(zhuǎn)換為充電態(tài),而是有部分被消耗,(例如發(fā)生不可逆的副反應(yīng)),因此庫倫效率往往小于100%。但就目前的鋰離子電池而言,庫倫效率基本都能達(dá)到99.9%及以上。


影響因素:電解質(zhì)分解,界面鈍化,電極活性材料的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、導(dǎo)電性的變化都會降低庫倫效率。


另外,值得一提的是,電池衰減對庫倫效率的影響不大,而且與溫度方面關(guān)系不大。


電流密度反映的是單位面積通過的電流大小,隨著電流密度的增大,電堆通過的電流增大,電壓效率由于內(nèi)阻的原因而降低,庫倫效率由于濃差極化等原因而降低,最終導(dǎo)致能量效率降低。


6.高溫性能好


鋰離子電池高溫性能良好,指電芯處在較高的溫度環(huán)境中,電池正負(fù)極材料,隔膜和電解液還能夠保持良好的穩(wěn)定性,在高溫下能夠正常工作,壽命不會加速衰減,高溫不容易引起熱失控事故。


鋰離子電池的溫度顯示了顯示了電池的熱狀態(tài),其中所存在的本質(zhì)是鋰離子電池產(chǎn)熱和傳熱的結(jié)果。研究鋰離子電池的熱特性,及其在不同狀態(tài)下的產(chǎn)熱和傳熱特性,能夠讓我們認(rèn)識到鋰離子電池內(nèi)部發(fā)生放熱化學(xué)反應(yīng)的重要途徑。


鋰離子電池的不安全行為,包括電池在過充過放、快速充放電、短路、機(jī)械濫用條件和高溫?zé)釠_擊等情況,容易觸發(fā)電池內(nèi)部的危險(xiǎn)性副反應(yīng)而出現(xiàn)熱量,直接破壞負(fù)極和正極表面的鈍化膜。


當(dāng)電芯溫度上升到130℃以后,負(fù)極表面的SEI膜分解,導(dǎo)致高活性鋰碳負(fù)極暴露于電解液中發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng),出現(xiàn)的熱量使電池進(jìn)入高危狀態(tài)。


當(dāng)電池內(nèi)部局部溫度升高到200℃以上時(shí),正極表面鈍化膜分解正極發(fā)生析氧,并繼續(xù)同電解液發(fā)生劇烈反應(yīng)出現(xiàn)大量的熱量并形成高內(nèi)壓。當(dāng)電池溫度達(dá)到240℃以上時(shí),還伴隨鋰炭負(fù)極同粘結(jié)劑的劇烈放熱反應(yīng)。


鋰離子電池的溫度問題關(guān)于鋰離子電池的安全性有很大的影響。使用的環(huán)境本身也是有一定的溫度的,而鋰離子電池在使用的時(shí)候也會出現(xiàn)溫度。重要的是,溫度會對鋰離子電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)較大的影響,溫度過高甚至?xí)p害鋰離子電池的使用壽命,嚴(yán)重的情況下會引發(fā)鋰離子電池的安全問題。


7.低溫性能好


鋰離子電池低溫性能好,指低溫下,電池內(nèi)部的鋰離子和電極材料還都保持較高活性,剩余容量高,放電能力衰減少,允許充電倍率大。


隨著溫度的下降,鋰離子電池剩余容量衰減成加速形勢。溫度越低,容量衰減越快。低溫下強(qiáng)行充電的危害極大,非常容易引起熱失控事故。低溫下鋰離子和電極活性物質(zhì)活力下降,鋰離子嵌入負(fù)極材料內(nèi)部的速率嚴(yán)重下降。外加電源以超過電池允許的功率充電時(shí),大量鋰離子堆積在負(fù)極周圍,來不及嵌入電極的鋰離子得電子后直接沉積在電極表面,形成鋰單質(zhì)結(jié)晶。枝晶生長,直接穿透隔膜,刺向正極。引發(fā)正負(fù)極短路,進(jìn)而導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。


除了因?yàn)榉烹娙萘繒?yán)重衰退外,低溫下也不能對鋰離子電池進(jìn)行充電。在低溫充電時(shí),電池石墨電極上的鋰離子的嵌入和鍍鋰反應(yīng)是同時(shí)存在的且相互競爭。低溫條件下鋰離子在石墨中的擴(kuò)散被抑制,電解液的導(dǎo)電率下降,從而導(dǎo)致嵌入速率降低而在石墨表面上會使鍍鋰反應(yīng)更容易出現(xiàn)。鋰離子電池在低溫下使用時(shí)壽命下降的原因重要有內(nèi)部阻抗的新增與鋰離子析出使容量衰減。


8.安全性好


鋰離子電池的安全性,既包括內(nèi)部材質(zhì)的穩(wěn)定性,又包括電芯安全輔助措施的有效性。內(nèi)部材質(zhì)安全性指正負(fù)極材料、隔膜和電解液,熱穩(wěn)定性好,電解液與電極材料相容性好,電解液自身阻燃性好。安全輔助措施,指電芯的安全閥設(shè)計(jì),熔斷器設(shè)計(jì),溫度敏感電阻設(shè)計(jì),靈敏度適當(dāng),單個(gè)電芯故障后,可以防止故障蔓延起到隔離用途。


9.一致性好


通過"木桶效應(yīng)"我們了解到電池一致性的重要性。一致性,指應(yīng)用于同一個(gè)電池包的電芯,容量、開路電壓、內(nèi)阻、自放電等參數(shù)極差小,性能近似。自身具有優(yōu)異性能的電芯單體,假如一致性不好,成組后,往往其優(yōu)異性都被抹平。有研究表明,成組后電池組容量由最小容量電芯決定,電池包壽命小于壽命最短電芯壽命。


10.方便組裝


鋰離子電池能量密度高,為了防止單點(diǎn)能量過高,電池單體普遍能量較小。應(yīng)用于電動汽車的電池,要把大量電芯組織起來,連接成一個(gè)整體使用。單體電芯經(jīng)過焊接、壓接等各種手段,形成模組,模組再經(jīng)過高壓導(dǎo)線連接,形成電池包。這個(gè)過程中,單體電芯是否易于焊接,是否為壓接設(shè)計(jì)了連接接口,是否方便熱管理系統(tǒng)對每個(gè)電池單體發(fā)揮用途,都會影響成組設(shè)計(jì)的簡潔性和成組效率的高低。有的電芯單體密度高,但形狀不友好,加工成電池包以后,能量密度只有單體的一半。電芯單體的連接特性不好,就會白白浪費(fèi)了電芯的能量密度。

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