锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

SONY于1991年将锂离子电池商业化，这是基于德克萨斯大学奥斯汀分校教授约翰·古德足够（John Goodenough）的研究成果。

到目前为止，在过去的30年中，已经开发了各种类型的锂电池，这些不同类型的电池具有不同的性能，有一些小的差异。不同类型的锂蓄电池产品已成为世界上产量最多的产品。

在介绍市场上的主要锂电池类型之前，我们将首先谈谈锂离子电池的一些基本知识，如锂离子电池工作原理、优点和组成。

我们希望在阅读完这篇文章后，您能够根据不同类型锂电池的特点，选择最适合的锂电池产品。

 

锂离子电池是如何工作的？

锂离子电池是如何工作的？事实上，所有类型的锂电池，像任何其他电池一样，都需要收集液体，离子在充电和放电时在阴极和阳极之间传递。在锂离子电池中，能量流是在充电和放电过程中形成的。

在充电过程中，锂离子从阴极移除，并通过电解质嵌入阳极。在放电过程中，锂离子从阳极脱嵌，并通过电解质嵌入阴极。

锂离子电池的充电和放电与常识相反：当它们放电时，离子从阳极转移到阴极。

锂离子从阴极材料进入电解液，穿过隔膜，然后进入电解液，最后从电解液进入阳极。该过程在阳极铜箔和阴极集电体之间产生电压差。

 

 

锂离子电池的优点

高能量密度

由于其高能量密度，各类锂电池正迅速成为小型电子设备的最佳电源。

这意味着锂离子电池需要大约Nimh电池一半的尺寸和重量才能提供相同的能量。对于移动电源，如手机和笔记本电脑，高能量密度意味着更长的运行时间。

高工作电压

与镍基电池和铅酸电池相比，锂离子电池具有更高的工作电压。通常，镍氢电池和镍镉电池的工作电压为1.2~1.5V，而锂离子电池的工作压力为3.2~3.8V。

高工作电压意味着要达到相同的组装电压，锂离子电池需要更少的电池。例如，为了组装350V模块，nimH电池需要大约292个电池（350V/1.2V=292），而锂离子电池只需要98个电池（350 V/3.6V=98）。

自放电率低

除了高电压和高能量密度，锂离子电池还具有低的自放电率。换句话说，锂离子电池在储存一段时间后损失的容量比其他电池小得多。

根据锂电池的类型，平均自放电率约为每月1%至5%。容量损失分为两种类型：可逆容量损失和永久容量损失。

 

 

可逆容量损失可以通过充电恢复，而永久容量损失无法恢复。几乎所有类型的锂电池都具有可逆性和永久容量损失。

高循环寿命

此外，与其他电池相比，锂离子电池具有非常好的循环寿命。铅酸电池的充放电循环寿命约为300至500次，而锂离子电池有数千次循环。

如果电池每次只消耗其总能量的80%，锂离子电池的循环寿命可以达到数千次。因此，锂电池替代品铅酸成为许多制造商生产电子设备的常用选择。

 

锂离子电池组电池的组成

锂离子电池的核心仅由五部分组成，与核心相关的材料约有10~20种。

电池包括阴极材料、阳极材料和相应的流体收集器，由阴极和阳极之间的隔膜隔开，其主要成分是聚丙烯和聚乙烯塑料。

阳极和阴极材料被涂覆在集流体上，隔膜被压接或层压以形成线圈芯，然后被放入金属壳或塑料膜中，然后在电解液注入和其他过程之后，金属壳或金属膜被完全密封，然后可以移动到下一个电池过程。

 

锂电池类型

我们经常谈论三元锂电池或铁锂电池，因此这些类型的锂电池以正极活性材料命名。

本文总结了六种常见的锂电池，并列出了这些不同类型锂电池的性能参数。

众所周知，同一技术线的电池，其具体参数并不完全相同，本文显示了当前参数的一般水平。

 

 

六种类型的锂电池包括NMC电池、NCA电池、LFP电池、LTO电池、LMO电池和LCO电池。此表总结了锂电池的价格、电化学性能和类型。

 

钴酸锂（LiCoO2）

钴酸锂的高比能量使其成为手机、笔记本电脑和数码相机最受欢迎的锂电池之一。钴酸锂的缺点是相对较短的寿命、较低的热稳定性和有限的负载容量（比功率）。

与其他钴混合锂离子电池一样，钴酸锂使用石墨阳极，其循环寿命主要受到固体电解质界面（SEI）的限制，主要表现为SEI膜的逐渐增厚，以及快速充电或低温充电时阳极锂电镀的问题。

较新的材料系统添加镍、锰和/或铝，以提高循环寿命、负载能力和成本。钴酸锂在高比能量下表现良好，但在功率特性、安全性和循环寿命方面表现平平。

 

锰酸锂（LiMn2O4）

尖晶石锰酸锂氧化物电池于1983年首次发表在材料研究报告中。1996年，Moli Energy将锰酸锂作为正极材料的锂离子电池商业化。

该结构形成了三维尖晶石结构，改善了穿过电极的离子流动，从而降低了内部电阻并提高了载流能力。尖晶石的另一个优点是热稳定性高，安全性提高，但循环和日历寿命有限。

低电池电阻可实现快速充电和高电流放电。18650型锰酸锂电池可以在20-30A的电流下充电，具有适度的热积累，电池温度不能超过80℃。

 

 

锰酸锂用于电动工具、医疗器械、混合动力和纯电动汽车。锰酸锂的容量大约比钴酸锂少三分之一。设计灵活性允许工程师在最大化电池寿命或增加最大负载电流或容量之间进行选择。

纯锰酸锂电池在当今所有类型的锂电池中不再常见；它们仅用于特殊情况。

大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物（NMC）混合，以提高比能并延长寿命。这种组合带来了每个系统的最佳性能，大多数电动汽车，如日产Leaf、雪佛兰Volt和宝马I3，都使用LMO（NMC）。

电池的LMO部分可以达到约30%，这可以在加速期间提供高电流；NMC部分提供了大量里程。

锂离子电池的研究倾向于将锰酸锂与钴、镍、锰和/或铝结合作为活性阴极材料。在一些结构中，少量硅被添加到阳极中。

这提供了25%的容量增加；然而，硅在充电和放电时会膨胀和收缩，导致机械应力，而容量的增加通常与较短的循环寿命密切相关。

 

锰酸镍钴锂（NMC）

最成功的锂电池类型之一是镍锰钴（NMC）的阴极组合。与锰酸锂一样，它也可以定制，用作能源或动力电池。

例如，18650电池中的NMC在中等负载条件下的容量约为2800mAh，可提供4A至5A的放电电流；同一类型的NMC在针对特定功率进行优化时，容量仅为2000mAh，但可提供20A的连续放电电流。

硅阳极将达到4000mAh以上，但负载容量降低，循环寿命缩短。添加到石墨中的硅有一个缺陷，导致阳极在充电和放电时膨胀和收缩，使电池由于高机械应力而结构不稳定。

 

 

NMC的秘密是镍和锰的结合。食盐也是如此，其中的主要成分钠和氯化物本身是有毒的，但它们结合在一起作为调味盐和食品防腐剂。

镍以其高比能量而闻名，但其稳定性较差。锰尖晶石结构可以实现低内阻但比能低。这两种活性金属相辅相成。

NMC是用于电动工具、电动自行车和其他电力系统的不同类型锂电池中的热门选择。阴极组合通常为三分之一镍、三分之一锰和三分之一钴，也称为1-1-1。

这提供了一种独特的混合物，由于钴含量较低，还降低了原材料的成本。另一种成功的组合是NCM，它含有5份镍、3份钴和2份锰（5-3-2）。也可以使用不同数量的阴极材料的其他组合。

由于钴的高成本，锂离子电池制造商从钴转向镍。镍基电池比钴基电池具有更高的能量密度、更低的成本和更长的循环寿命，但它们的电压略低。

新的电解质和添加剂可以将单个电池的充电增加到4.4V以上。由于系统的良好经济性和综合性能，NMC混合锂离子电池正受到越来越多的关注。

镍、锰和钴这三种活性材料可以很容易地混合，以适应汽车和需要频繁回收的储能系统的广泛应用。使用NMC阴极组合的各种类型的锂电池正在增长。

 

 

磷酸铁锂（LiFePO4）

1996年，德克萨斯大学发现磷酸盐作为可充电锂离子电池的正极材料。磷酸锂具有良好的电化学性能和低电阻。

这是通过纳米级磷酸盐阴极材料实现的。主要优点是额定电流高，循环寿命长；良好的热稳定性、增强的安全性和对滥用的耐受性。

如果长时间保持在高电压下，磷酸锂比其他类型的锂电池更耐所有充电条件，且应力更小。缺点是3.2V电池的较低标称电压使得比能量低于钴掺杂锂离子电池。

对于大多数类型的锂电池，低温会降低性能，较高的存储温度会缩短使用寿命，磷酸锂也不例外。磷酸锂比其他类型的锂电池具有更高的自放电率，这会导致老化，从而导致平衡问题。

这可以通过选择高质量的电池或使用先进的电池管理系统来解决，但这两种方法都会增加电池组的成本。

电池寿命对制造过程中的杂质非常敏感，不能承受水掺杂，由于水杂质，一些电池的最小寿命为50次循环。

磷酸锂通常用来代替铅酸蓄电池。四个串联电池产生12.80V的电压，类似于六个串联的2V铅酸电池的电压。

通过串联连接四个磷酸锂电池，每个电池的电压为3.60V，这是正确的满充电电压。此时，应断开充电，但应在行驶过程中继续充电。磷酸锂可以耐受过度充电。

然而，由于大多数车辆在长途行驶过程中长时间将电压保持在14.40V，磷酸锂电池的机械应力可能会增加。时间会告诉我们，作为铅酸电池的替代品，磷酸锂能承受过充电多久。

 

 

镍钴铝酸锂（NCA）

镍钴铝酸锂电池或NCA自1999年开始使用。与NMC类似，它具有高比能量、相当好的比功率和较长的使用寿命。安全性和成本不太令人满意。

NCA是锂镍氧化物的进一步发展。添加铝可以提高电池的化学稳定性。高能量和功率密度以及良好的使用寿命使NCA成为电动汽车动力系统的候选者。高成本和边际安全性对阳极有影响。

 

钛酸锂（LTO）

钛酸锂阳极电池自20世纪80年代以来就已为人所知。钛酸锂取代了典型锂离子电池阴极中的石墨，这种材料形成了尖晶石结构。

阴极可以是锰酸锂或NMC。钛酸锂的标称电池电压为2.40V，可快速充电并提供10C的高放电电流。

据说它比传统的锂离子电池具有更高的循环周期。钛酸锂是安全的，具有优异的低温放电特性，在-30°C（-22°F）时达到80%的容量。

LTO（通常为Li4Ti5O12）在快速充电和低温充电期间具有零应变、无SEI膜形成和无锂电镀现象，因此其具有比具有钴掺杂锂离子和石墨阳极的传统类型锂电池更好的充放电性能。

高温下的热稳定性优于其他类型的锂电池。然而，电池价格昂贵，比能量低，仅65Wh/kg，与镍镉相当。

钛酸锂充电至2.80V，在1.80V结束时放电。通常用作电动传动系统、太阳能路灯和UPS锂电池。