鋰離子電池結構、工作原理、材料分類等全面知識介紹

來源：諾信電子?作者：諾信電子??發布時間：2019-07-09 18:35:08??閱讀數:1672

　　當今社會，人類文明已然離不開電，小到我們使用的手機、手表；大到冰箱、空調，以及新能源汽車等，都離不開電力的需求。不說話說回來，對于電的使用，除了我們家庭用電，就屬鋰電池應用廣泛。鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料，由于鋰的化學特性十分活潑，使得鋰金屬的加工、保存、運用，對環境要求十分高。鋰離子電池負極是石墨等插層結構材料，電池中是鋰離子在正負極移動，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，聚合物電池的電解質是凝膠或者固態，更安全一些。下面咱們來說說鋰離子電池的結構、工作原理、材料分類、充電方法、爆炸原因、設計規范等知識介紹。篇幅有點長，請耐心看完哦。

鋰離子電池結構

鋰離子電池的結構組成，主要分為以下五個部分，如圖所示是圓柱形鋰離子電池結構示意圖：

鋰離子電池結構

圓柱形鋰離子電池結構示意圖

①鋰離子電池正極材料：電極電勢較高、結構安穩的具有嵌鋰才能的層狀或尖晶石結構的過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鋰離子電池負極材料：電位挨近鋰電位、結構安穩的并可許多儲鋰的層狀石墨、金屬單質及金屬氧化物，如石墨、中心相碳微球、鈦酸鋰等。

③鋰離子電池電解液：溶有電解質鋰鹽的有機溶劑，供給鋰離子，電解質鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機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：置于正負極之間，避免正負極直接接觸，且答應Li+離子經過的聚烯微多孔膜，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，或它們復合膜，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可嵌入與可脫嵌鋰離子的材料作為電池的正極與負極，實現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極之間的轉移來完成電池充放電作業。

鋰離子電池工作原理

①當電池充電時，鋰離子脫離正極嵌入到負極中，放電時方向正好相反。這樣就需求正極在制作前就處于嵌鋰狀況，常規會選用相對鋰而言電位大于3V且在空氣中安穩的鋰化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

②負極材料常規會挑選電位盡或許挨近鋰電位的可嵌入鋰離子的物質，如石墨、碳纖維、石墨烯、鈦酸鋰等。

③電解質常規選用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或它們復合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔閡不僅熔點較低，并且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。

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功用。

　　對于其他類型的電池產品，鋰電池具有重量輕、容量大、無回憶效應等長處，在數碼設備、小型電動工具及大型儲能設備及新能源動力電池都選用鋰離子電池作儲能設備，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，鋰離子電池簡直沒有“回憶效應”及不含有毒物質。

鋰離子電池按材料體系分類以及特點

　　現在主流的鋰離子動力電池，主要按正極材料來分類，可分為以下幾類：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表現在以下幾方面：

一、錳酸鋰體系，電池負極材料主要為石墨

　　其克容量低，但壓實密度高，總體能量密度與磷酸鐵里相當；最大問題是較高溫度作業時易溶解。需求經過參雜和外表處理來改善其溫度耐受性，其安穩性、安全性不如磷酸鐵鋰。

二、磷酸錳鐵鋰體系，負極為石墨

　　材料成熟度低，電子電阻高，現在壽數較短，由于有鐵鋰和錳鋰混合，所以平臺電壓有兩段，做成組策略時要考慮SOC不一致的影響。

三、磷酸鐵鋰電池，負極為石墨

　　電壓平臺很平穩，能量發揮好，原材料儲量大，經濟功用較好。同時簡直無沒有熱失控問題（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（高達幾百安時），有利于體系的成組效率（按重量能量比核算，客車運用硬殼電池能夠到達78%的成組效率）。磷酸鐵里現已廣泛用于混合動力、純電動客車以及電網和家庭儲能體系，是現在新能源客車市場上用量最多的鋰離子動力電池。

四、三元電池，多數運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），負極為石墨

　　能量密度高（現在NCM電功用做到200WH/kg以上，NCA則更高）、壽數特性優秀，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熱擴散，以滿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做大容量單體電芯，三原材料電池多用于純電動乘用車和非載客的商用車，現在是新能源乘用車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）、長壽數循環（能夠輕松到達萬次以上）、安全性高（簡直沒有熱失控風險）；

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

鋰電池制作設計采取的基本安全措施

　　依據鋰電池材料體系的不同，鋰電池充電時電壓高于鋰電池的極限電壓后，便開端發作副作用，過充電壓越高，危險性也跟著越高。鋰電芯電壓高于極限電壓后，正極材料內剩下的鋰離子數量不到一半，此時儲存格會垮掉，讓電池容量發作永久性的下降。假如持續充電，由于負極的儲存格現已裝滿了鋰離子，后續的鋰離子會堆積于負極材料外表長出枝狀結晶，這些鋰結晶會刺穿隔閡，使正負極短路。有時在短路發作前電池就或許現已爆破，這是由于在過充進程，電解液等材料會裂解發作氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負極外表的鋰原子發作反響爆破。因而，鋰電池充電時，一定要設定電壓上限，才能夠同時兼顧到電池的壽數、容量和安全性。

　　鋰電芯放電時也要有電壓下限，當電芯電壓低于極限電壓時，部分材料會開端被損壞。同時由于鋰電池本身會自放電，放置時刻越久電壓會越低。因而在規劃鋰電池時，放電到電壓的設定會充分考慮這些要素，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，除了電壓的限制，電流的限制也十分必要。電流過大時，鋰離子來不及進入儲存格，會聚集于材料外表。這些鋰離子獲得電子后，會在材料外表發作鋰原子結晶，這與過充相同，會形成危險性。

　　因而，對鋰離子電池的維護，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般鋰電池組內，除了鋰電芯外，都會有一片維護板或者功用豐厚的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充闡明鋰電池技術 6天前恒流/恒壓充電法充電的進程分為三個階段。

　?、兕A充階段。接通直流電源以后，在檢測到電池時，發動充電芯片進入預充進程，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到正常狀況。

　?、诤懔鞒潆婋A段。在充電初期充電電路以恒定的電流對鋰離子電池充電，通常鋰電池大多會選用規范充電速率。在恒流充電時，電池的電壓將會緩慢上升，只要電池電壓到達所設定的終止電壓，恒流充電就會終止，然后進入恒壓充電進程。

　?、酆銐撼潆婋A段。在恒壓充電的進程中，充電的電流會逐漸衰減，當監測到充電電流降至設置值以下或滿充時刻超時轉入頂端截止充電，此時充電操控器會以極小的充電電流為電池補充能量，一般狀況下該進程能夠延長電池5%~10%的運用時刻。

　　這種充電辦法中，為避免電流過大，電池溫度過高，在恒流階段，通常選用較小的充電電流進行充電，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刻呈指數規則下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線以上會導致電池電解液發作析氣反響，影響電池壽數。

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、內部短路及過充，包括電池組內部絕緣規劃不良等所引起的短路。

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

　　內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，或是由于過充原因形成的鋰枝狀結晶刺穿膈膜所形成。細微極片毛刺會形成微短路，由于毛刺很細有一定的電阻值，因而，電流不見得會很大。

　　銅、鋁箔毛刺是在出產進程中由于分切不良形成，可檢測到的現象是電芯自放電太快，大多數狀況下能夠在后端挑選時檢測出來。并且由于毛刺細微，有時會被燒斷，使得電池又恢復正常。因而，因毛刺微短路引發爆破的機率并不高。

鋰電池在線檢測設備“二次元印象觀測儀“

　　鋰電池在線檢測設備“二次元印象觀測儀“（如上圖）可有用檢測極片毛刺狀況，二次元印象儀能將圖畫放大500倍，能明晰判別毛刺狀況。

　　內部短路引發的爆破，主要仍是由于過充原因形成。由于，過充后極片上到處都是鋰枝結晶，刺穿點到處都是，到處都發作微短路。因而，電池溫度會逐漸升高，最后高溫將電解液氣化。這種景象，不論是溫度過高使材料焚燒爆破，仍是外殼先被撐破，使空氣進去與鋰金屬發作劇烈氧化，都會爆破。

　　歸納以上爆破的類型，我們能夠將防爆要點放在過充的避免、外部短路的避免及提升電芯安全性三方面。其中過充避免及外部短路避免歸于電子防護，歸于電池組體系規劃及電池拼裝有較大聯系；電芯安全性的提升要點是化學與結構規劃防護，與電池芯的規劃與制作進程質量操控有較大關系。

鋰離子電池設計規范涉及的幾個方面

　　電池維護板或BMS電池辦理體系硬件冗余規劃，預防電子元器件失效而引起的整個維護體系失效。電池辦理體系如能對過充、過放、過流都分別供給兩道安全防護，此外為了提升BMS體系的可靠性，BMS產品須經過高溫老化處理，供給ESD、浪涌防護及防潮防塵這些基本功用。

　　在電動汽車電池體系中，BMS電池辦理體系不擔要提過過充、過放、過流維護功用，還要對巨大的電池體系的運行狀況進行監控與辦理。為了確保電池作業在相同的溫度環境下，BMS還要監控所有電芯的作業溫度，具備熱平衡功用，高效水冷電池模組可將電池作業溫度有用操控在25±2℃。此外為了提升車輛電池安全性，BMS集成落水監測、煙霧監測、磕碰監測、翻車監測、長途報警及自動滅火等安全功用。

　　鋰電芯在出產制作時會嚴格操控正極、負極、隔閡、電解液等主要原材料的質量，從電芯結構規劃到電芯出產制作整個進程，都須經過嚴格的質量操控與在線檢測監控程序，來確保鋰電芯的高質量，經過嚴格的后端挑選與批次的損壞性查驗，來確保每一顆出廠電芯的質量都契合質量要求，確保在過充、過放、過流、振動、機械沖擊、跌落、擠壓、翻轉、磕碰、刺穿等狀況下契合質量規范要求。

　　總之，電池體系規劃時，必須對過充、過放與過流分別供給兩道電子防護。其中維護板或BMS電池辦理體系是第二道防護,假如沒有外部維護的狀況，電池發作爆破就代表規劃不良。

鋰電芯的質量成為關鍵

　　假如外部維護失利，對鋰電芯質量提出更高的要求。電池假如在爆破前，內部有鋰原子堆積在材料外表，焚燒爆破的威力會更大。所以鋰電芯抗過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，通常包括運用高質量的隔閡紙和選用壓力閥兩種措施。其中高質量的隔閡效果最好，外部短路時超過百分之九十九的電池不會發作爆破。出產的鋰電芯，每批次須經過過充、過放、過流等檢測實驗，備有先進的規劃理念及高度自動化的出產制作才能，質量檢測合格率才能到達100%。

鋰離子電池的毛病機理與影響剖析總結

　　毛病模式機理與影響剖析(FMMEA)衍生于失效模式與影響剖析(FMEA)，在FMEA剖析的基礎上，FMMEA愈加具體的界說和指出了導致毛病發作的機理。因而，鋰離子電池的FMMEA的開展依據多年來對電池可靠性的實驗、結構拆解及失效剖析研究。本文從鋰離子電池結構的視點動身總結了鋰離子電池的毛病機理與影響剖析，如表1所示：

鋰離子電池的毛病模式機理與影響分析