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介绍锂离子电池的制作工艺及重要参数指标
介绍锂离子电池的制作工艺及重要参数指标
  • 发布时间:2020-10-22 17:00

介绍锂离子电池的制作工艺及重要参数指标

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锂离子电池的制作工艺比较复杂,此处仅就部分关键工序做简单描述。根据极片装配方式的不同,通常有卷绕和叠片两种工艺路线。


叠片工艺是将正极、负极切成小片与隔离膜叠合成小电芯单体,然后将小电芯单体叠放并联起来,组成一个大电芯的制造工艺,其大体工艺流程如下:


卷绕工艺是将正负极片、隔离膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上,设备经过放卷完成电芯制作。


锂离子电池的常见外形重要有圆柱形和方形,根据壳体材料不同,又有金属外壳和软包外壳等。


重要参数指标


锂离子电池具有能量密度高、转换效率高、循环寿命长、无记忆效应、无充放电延时、自放电率低、工作温度范围宽和环境友好等优点,因而成为电能的一个比较理想的载体,在各个领域得到广泛的应用。


一般而言,我们在使用锂离子电池的时候,会关注一些技术指标,作为衡量其性能优劣的重要因素。那么,什么指标是我们要在使用的时候,应该予以特别关注呢?


1.容量


这是大家比较关心的一个参数。智能手机早已普及,我们在使用智能手机的时候,最为担心的就是电量不足,要频繁充电,有时还找不到地方充电。早期的功能机,正常使用情况下,满充的电池可以待机3~5天,一些产品甚至可以待机7天以上。可是到了智能机时代,待机时间就显得惨不忍睹了。这里面很重要的一个原因,就是手机的功耗越来越大,而电池的容量却没有同比例的上升。


容量的单位一般为mAh(毫安时)或Ah(安时),在使用时又有额定容量和实际容量的差别。额定容量是指满充的锂离子电池在实验室条件下(比较理想的温湿度环境),以某一特定的放电倍率(C-rate)放电到截止电压时,所能够供应的总的电量。实际容量一般都不等于额定容量,它与温度、湿度、充放电倍率等直接相关。一般情况下,实际容量比额定容量偏小一些,有时甚至比额定容量小很多,比如北方的冬季,假如在室外使用手机,电池容量会迅速下降。


2.能量密度


能量密度,指的是单位体积或单位重量的电池,能够存储和释放的电量,其单位有两种:Wh/kg,Wh/L,分别代表重量比能量和体积比能量。这里的电量,是上面提到的容量(Ah)与工作电压(V)的积分。在应用的时候,能量密度这个指标比容量更具有指导性意义。


基于当前的锂离子电池技术,能够达到的能量密度水平大约在100~200Wh/kg,这一数值还是比较低的,在许多场合都成为锂离子电池应用的瓶颈。这一问题同样出现在电动汽车领域,在体积和重量都受到严格限制的情况下,电池的能量密度决定了电动汽车的单次最大行驶里程,于是出现了里程焦虑症这一特有的名词。假如要使得电动汽车的单次行驶里程达到500公里(与传统燃油车相当),电池单体的能量密度必须达到300Wh/kg以上。


锂离子电池能量密度的提升,是一个缓慢的过程,远低于集成电路产业的摩尔定律,这就造成了电子产品的性能提升与电池的能量密度提升之间存在一个剪刀差,并且随着时间不断扩大。


3.充放电倍率


这个指标会影响锂离子电池工作时的持续电流和峰值电流,其单位一般为C(C-rate的简写),如1/10C,1/5C,1C,5C,10C等。举个例子来阐述倍率指标的具体含义,某电池的额定容量是10Ah,假如其额定充放电倍率是1C,那么就意味着这个型号的电池,可以以10A的电流,进行反复的充放电,一直到充电或放电的截止电压。假如其最大放电倍率是[email protected],最大充电倍率[email protected],那么该电池可以以100A的电流进行持续10秒的放电,以50A的电流进行持续10秒的充电。


充放电倍率对应的电流值乘以工作电压,就可以得出锂离子电池的持续功率和峰值功率指标。充放电倍率指标含义的越详细,关于使用时的指导意义越大。尤其是作为电动交通工具动力源的锂离子电池,要规定不同温度条件下的持续和脉冲倍率指标,以确保锂离子电池使用在合理的范围之内。


4.电压


锂离子电池的电压,有开路电压、工作电压、充电截止电压、放电截止电压等一些参数,本文不再分开一一论述,而是集中做个解释。


开路电压,顾名思义,就是电池外部不接任何负载或电源,测量电池正负极之间的电位差,此即为电池的开路电压。


工作电压,就是电池外接负载或电源,处在工作状态,有电流流过时,测量所得的正负极之间的电位差。一般来说,由于电池内阻的存在,放电状态时的工作电压低于开路电压,充电时的工作电压高于开路电压。


充/放电截止电压,是指电池允许达到的最高和最低工作电压。超过了这一限值,会对电池出现一些不可逆的损害,导致电池性能的降低,严重时甚至造成起火、爆炸等安全事故。


电池的开路电压和工作电压,与电池的容量存在一定的对应关系。


5.寿命


锂离子电池的寿命会随着使用和存储而逐步衰减,并且会有较为明显的表现。仍然以智能手机为例,使用过一段时间的手机,可以很明显的感觉到手机电池不耐用了,刚开始可能一天只充一次,后面可能要一天充电两次,这就是电池寿命不断衰减的体现。


锂离子电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命一般以次数为单位,表征电池可以循环充放电的次数。当然这里也是有条件的,一般是在理想的温湿度下,以额定的充放电电流进行深度的充放电(100%DOD或者80%DOD),计算电池容量衰减到额定容量的80%时,所经历的循环次数。


日历寿命的含义则比较复杂,电池不可能一直在充放电,有存储和搁置,也不可能一直处于理想环境条件,会经历各种温湿度条件,充放电的倍率也是时刻在变化的,所以实际的使用寿命就要模拟和测试。简单的说,日历寿命就是电池在使用环境条件下,经过特定的使用工况,达到寿命终止条件(比如容量衰减到80%)的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求是紧密结合的,通常要规定具体的使用工况,环境条件,存储间隔等。


日历寿命比循环寿命更具有实际意义,但由于日历寿命的测算非常复杂,而且耗时太长,所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。如要获得日历寿命的数据,通常要额外付费,且要等待很长时间。


6.内阻


锂离子电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,它包括欧姆内阻和极化内阻,极化内阻又包括电化学极化内阻和浓差极化内阻。


欧姆内阻由电极材料、电解质、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化内阻是指电化学反应时由极化引起的电阻,包括电化学极极化和浓差极化引起的电阻。


内阻的单位一般是毫欧姆(m),内阻大的电池,在充放电的时候,内部功耗大,发热严重,会造成锂离子电池的加速老化和寿命衰减,同时也会限制大倍率的充放电应用。所以,内阻做的越小,锂离子电池的寿命和倍率性能就会越好。


7.自放电


电池在放置的时候,其容量是在不断下降的,容量下降的速率称为自放电率,通常以百分数表示:%/月。


自放电是我们不希望看到的,一个充满电的电池,放个几个月,电量就会少很多,所以我们希望锂离子电池的自放电率越低越好。


这里要特别注意,一旦锂离子电池的自放电导致电池过放,其造成的影响通常是不可逆的,即使再充电,电池的可用容量也会有很大损失,寿命会快速衰减。所以长期放置不用的锂离子电池,一定要记得定期充电,防止因为自放电导致过放,性能受到很大影响。


8.工作温度范围


由于锂离子电池内部化学材料的特性,锂离子电池有一个合理的工作温度范围(常见的数据在-40℃~60℃之间),假如超出了合理的范围使用,会对锂离子电池的性能造成较大的影响。


不同材料的锂离子电池,其工作温度范围也是不相同的,有些具有良好的高温性能,有些则能够适应低温条件。锂离子电池的工作电压、容量、充放电倍率等参数都会随着温度的变化而发生非常显著的变化。长时间的高温或低温使用,也会使得锂离子电池的寿命加速衰减。因此,努力创造一个适宜的工作温度范围,才能够最大限度的提升锂离子电池的性能。


除了工作温度有限制之外,锂离子电池的存储温度也是有严格约束的,长期高温或低温存储,都会对电池性能造成不可逆的影响。


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