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      鋰電發展與其特性

      發布:xxhldy.0 瀏覽:2346次 2018-10-12

      隨著二十世紀微電子技術的發展,小型化的設備日益增多,對電源提出了很高的要求。鋰電池隨之進入了大規模的實用階段。

      最早得以應用的是鋰亞原電池,用于心臟起搏器中。由于鋰亞電池的自放電率極低,放電電壓十分平緩。使得起搏器植入人體長期使用成為可能。

      鋰錳電池一般有高于3.0伏的標稱電壓,更適合作集成電路電源,廣泛用于計算機、計算器、手表中。

      現在,鋰離子電池大量應用在手機、筆記本電腦、電動工具、電動車、路燈備用電源、航燈、家用小電器上,可以說是最大的應用群體。

      折疊研究與發展前景

      折疊“超級”鋰電池

      剛研發出來的超級鋰電池能在短時間迅速充電完成,例如手機充電一般20秒,這種電池有可能加大電池未來的使用領域,例如使用在電動汽車上,使中途充電如加油一般方便。

      折疊編輯本段主要特點

      鋰電池主要優點: 1.能量比較高。具有高儲存能量密度,目前已達到460-600Wh/kg,是鉛酸電池的約6-7倍;

      2.使用壽命長,使用壽命可達到6年以上,磷酸亞鐵鋰為正極的電池1C(100%DOD)充放電,有可以使用10,000次的記錄;

      3.額定電壓高(單體工作電壓為3.7V或3.2V),約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池的串聯電壓,便于組成電池電源組;

      4.具備高功率承受力,其中電動汽車用的磷酸亞鐵鋰鋰離子電池可以達到15-30C充放電的能力,便于高強度的啟動加速;

      5.自放電率很低,這是該電池最突出的優越性之一,目前一般可做到1%/月以下,不到鎳氫電池的1/20;

      6.重量輕,相同體積下重量約為鉛酸產品的1/6-1/5;

      7.高低溫適應性強,可以在-20℃--60℃的環境下使用,經過工藝上的處理,可以在-45℃環境下使用;

      8.綠色環保,不論生產、使用和報廢,都不含有、也不產生任何鉛、汞、鎘等有毒有害重金屬元素和物質。

      9.生產基本不消耗水,對缺水的我國來說,十分有利。

      比能量指的是單位重量或單位體積的能量。比能量用Wh/kg或Wh/L來表示。Wh是能量的單位,W是瓦、h是小時;kg是千克(重量單位),L是升(體積單位)。

      折疊編輯本段主要缺點

      1.鋰原電池均存在安全性差,有發生爆炸的危險。

      2.鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電,安全性較差。

      3.鋰離子電池均需保護線路,防止電池被過充過放電。

      4.生產要求條件高,成本高。

      折疊編輯本段安全設計

      為了避免因使用不當造成電池過放電或者過充電,在單體鋰離子電池內設有三重保護機構。一是采用開關元件,當電池內的溫度上升時,它的阻值隨之上升,當溫度過高時,會自動停止供電;二是選擇適當的隔板材料,當溫度上升到一定數值時,隔板上的微米級微孔會自動溶解掉,從而使鋰離子不能通過,電池內部反應停止;三是設置安全閥(就是電池頂部的放氣孔),電池內部壓力上升到一定數值時,安全閥自動打開,保證電池的使用安全性。

      有時,電池本身雖然有安全控制措施,但是因為某些原因造成控制失靈,缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放,電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。

      一般情況下,鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的,隨著電池容量的增加,電池體積也在增加,其散熱性能變差,出事故的可能性將大幅增加。對于手機用鋰離子電池,基本要求是發生安全事故的概率要小于百萬分之一,這也是社會公眾所能接受的最低標準。而對于大容量鋰離子電池,特別是汽車等用大容量鋰離子電池,采用強制散熱尤為重要。

      選擇更安全的電極材料,選擇錳酸鋰材料,在分子結構方面保證了在滿電狀態,正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中,從根本上避免了枝晶的產生。同時錳酸鋰穩固的結構,使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰,分解溫度超過鈷酸鋰100℃,即使由于外力發生內部短路(針刺),外部短路,過充電時,也完全能夠避免了由于析出金屬鋰引發燃燒、爆炸的危險。

      另外,采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。

      提高現有安全控制技術的性能,首先要提高鋰離子電池芯的安全性能,這對大容量電池尤為重要。選擇熱關閉性能好的隔膜,隔膜的作用是在隔離電池正負極的同時,允許鋰離子的通過。當溫度升高時,在隔膜熔化前進行關閉,從而使內阻上升至2000歐姆,讓內部反應停止下來。

      當內部壓力或溫度達到預置的標準時,防爆閥將打開,開始進行卸壓,以防止內部氣體積累過多,發生形變,最終導致殼體爆裂。

      提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數和采用多個參數的聯合控制(這對于大容量電池尤為重要)。對于大容量鋰離子電池組是串/并聯的多個電芯組成,如筆記本電腦的電壓為10V以上,容量較大,一般采用3~4個單電池串聯就可以滿足電壓要求,然后再將2~3個串聯的電池組并聯,以保證較大的容量。

      大容量電池組本身必須設置較為完善的保護功能,還應考慮兩種電路基板模塊:保護電路基板(Protection Board PCB)模塊及Smart Battery Gauge Board模塊。整套的電池保護設計包括:第1級保護IC(防止電池過充、過放、短路),第2級保護IC(防止第2次過壓)、保險絲、LED指示、溫度調節等部件。

      在多級保護機制下,即使是在電源充電器、筆記本電腦出現異常的情況下,筆記本電池也只能轉為自動保護狀態,如果情況不嚴重,往往在重新插拔后還能正常工作,不會發生爆炸。

      目前,筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術是不安全的,需要考慮更安全的結構。

      總之,隨著材料技術的進步和人們對鋰離子電池設計、制造、檢測和使用諸方面要求的認識不斷加深,未來的鋰離子電池會變得更安全。

      折疊


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