什么是鋰電池，鋰電池鼓氣成分及原理分析
來源：寶鄂實業(yè)
2019-04-06 16:47
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主動均衡方法可以采用我前面提到的一個變壓器多路輸出的方法 如果你想利用下面的電路示意圖，做一個多路輸出的反激電源，利用各個模塊的輸出電壓來對電池實現(xiàn)均衡，我估計你需要很深的功力才可以，因為交叉調(diào)整率估計就會搞死你。但是，利用這個電路，我們可以換一下思路，各路輸出不需要穩(wěn)壓都可以，當然為了防止開路損壞輸出電容，我們可以做一個簡單的原邊反饋。然后在每路輸出到電池之間串聯(lián)一個電子開關(guān)，由于這種均衡都是配合電池管理系統(tǒng)一起工作的，因此每路輸出只要串聯(lián)一個電子開關(guān)，由管理單元控制即可，哪路電壓地我們就可以打開這個電子開關(guān)，有電源輸出給該節(jié)電池充電，直到所有單體電池電壓達到我們的期望值。
采用這種均衡方法，曾經(jīng)做過1000AH，7串電池及300AH，80串電池的均衡，均衡完成后，所有單體電池電壓可以達到5mV以內(nèi)。
主動均衡也可以采用能量轉(zhuǎn)移的方法，所謂能量轉(zhuǎn)移，既可以是從整組電壓取能量向低電壓補充，也可以是從將電壓過高的電池取能量向整組電壓反饋。我在一款通訊電源電源系統(tǒng)中用過第二種方式實現(xiàn)過電池均衡。電路原理圖如下：
忘了是參考的誰寫的一篇論文做的，當時做的是16串鋰電池的均衡，分成了兩組，每組8只電池串聯(lián)，這里只畫了6只描述工作原理，如果電池B5電壓過高，控制Q5以PWM模式工作，當Q5開通，電感L5儲能，當Q5關(guān)閉，電感儲存的能量就會通過D5給電池B1-B4充電，降低B5電池電壓抬高其余電池電壓，利用同樣的原理可以分析其余電池組電壓過高時候的工作過程。
在試驗過程中，兩組之間各自采用這種方式均衡，當兩組之間出現(xiàn)偏差的時候，就可以采用雙向DC-DC進行能量轉(zhuǎn)換了，這樣采用的模塊數(shù)量較少，設(shè)計比較方面，我當時沒有采用雙向DC-DC，而是簡單的采用的能量消耗性做兩組之間電池的均衡。從最終的試驗效果來看，電池均衡還是比較不錯的。
示意圖已經(jīng)補充完了，這就是截止目前為止，我試驗過的四種電池均衡的方式，均衡的電池從2AH到1000AH，串聯(lián)的節(jié)數(shù)從7串到120串，個人感覺如下：
1、對于10AH以內(nèi)的電池組，采用能量消耗型可能是比較好的選擇，控制簡單。
2、對于幾十AH的電池組來說，采用一拖多的反激變壓器，結(jié)合電池采樣部分來做電池均衡應(yīng)該是可行的。
3、對于上百AH的電池組來說，可能采用獨立的充電模塊會好一些，因為上百AH的電池，均衡電流都在10多A左右，如果串聯(lián)節(jié)數(shù)再多一些，均衡功率都很大，引線到電池外，采用外部DC-DC或AC-DC均衡也許更安全。
目前的均衡都是以電池電壓一致作為均衡的結(jié)束條件，但隨著SOC計算越來越準確，容量一致的均衡應(yīng)該是未來發(fā)展的趨勢。
鋰離子電池體系是由日本Asahi（朝日化學(xué)制品公司）在20世紀80年代初開始研究和開發(fā)的，并由Sony（索尼公司）于1990年將其商業(yè)化。鋰離子電池具有工作電壓高、能量密度高、工作溫度寬、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)、環(huán)境友好等特點。鋰離子電池是由正極材料、負極材料、電解液和隔膜等構(gòu)成的。正負極材料通常是由可發(fā)生可逆鋰離子脫嵌或者氧化還原反應(yīng)的活性物質(zhì)組成。正負極材料的種類對電池的容量和能量密度起決定性作用。其中鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元材料和磷酸鹽類材料是目前市場上主要的商業(yè)化正極材料；而石墨、金屬及其氧化物、鈦酸鋰以及硅負極是主要使用的負極材料；作為維持在電池內(nèi)部正負極之間鋰離子的遷移與擴散的橋梁，電解液通常是由含鋰鹽化合物與有機碳酸酯溶劑混合組成，現(xiàn)階段主要以液態(tài)電解液為主；隔膜主要由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）微孔膜和纖維膜組成，其作用放在正負極之間防止正負極直接接觸，導(dǎo)致短路，同時禁止電子通過而允許鋰離子通過。近些年來，鋰離子電池常被設(shè)計成紐扣型、圓柱型、方型和平板型等多種形狀以滿足不同的市場應(yīng)用需求，如圖1所示。
1.2鋰離子電池工作原理
圖2是以過渡金屬氧化物（LiTMO2）/石墨（C）組成的鋰離子電池的工作原理示意圖。充電時，在外電壓的作用下，正極材料LiTMO2中的鋰離子脫出形成Li1-xTMO2且鋰離子經(jīng)由電解液向負極遷移擴散并嵌入負極表面或體相中形成嵌鋰化合物LiCx，而電子則經(jīng)由外電路向負極遷移構(gòu)成回路并形成電流，這就實現(xiàn)了能量的存儲。放電過程則是充電過程的逆反應(yīng)，鋰離子從LiCx嵌鋰化合物中脫出并同時釋放電子，鋰離子通過內(nèi)電路（或電解質(zhì)）從負極擴散到正極中以維持電荷平衡，然后通過組合電子與Li1-xTMO2脫鋰正極材料反應(yīng)再次形成LiTMO2，最后實現(xiàn)釋放的能量。因此可以得出結(jié)論，鋰離子電池的充放電過程就是正負極材料可逆的氧化還原過程，且鋰離子電池整體性能取決于正負極材料鋰離子脫出或嵌入數(shù)目的能力，鋰離子脫嵌能力較差的正負極材料會產(chǎn)生不可逆容量損失，造成容量衰減，性能下降。
圖2 鋰離子電池工作原理
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鋰離子電池的制造工藝
從上面的介紹可以看出，鋰離子電池由正極、負極、隔膜、電解液、包裝材料等組成。鋰離子電池的制造過程就是將上述材料按照一定的工藝流程將其組裝在一起。典型的鋰離子電池制造工藝流程包括攪拌、涂布、輥壓、分條制片、組裝、注液、化成、老化、分容、檢測等工序。圖3為聚合物鋰離子電池制造流程。
圖3 典型的聚合物鋰離子電池制造流程圖
2.1攪拌涂布
攪拌就是按照一定的配方將正（負）極粉末、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和溶劑經(jīng)過高速攪拌均勻后，形成漿料。其中導(dǎo)電劑主要有炭黑、乙炔黑、碳納米管、石墨烯等；常用的正極粘結(jié)劑為為聚四氟乙烯（PVDF），溶劑為N-甲基吡咯烷酮；常用的負極粘結(jié)劑為羧甲基纖維素（CMC）和丁苯橡膠（SBR）混用，溶劑為去離子水。常用的高速攪拌設(shè)備為雙行星攪拌機。
然后將上述正極（負極）漿料按照一定的面密度均勻涂覆在金屬箔材上，烘烤干燥之后得到極片。正極使用的箔材為鋁箔，負極使用的箔材為銅箔。常用的涂布設(shè)備為擠壓式涂布機、刮板式涂布機或噴涂式涂布機。
2.2組裝
將涂布好的極片進行輥壓，一方面使得正極（負極）材料與導(dǎo)電劑等緊密接觸，另一方面使極片達到規(guī)定的厚度以保證電池的能量密度，同時使得極片表面光滑。常用的輥壓設(shè)備為輥壓機。將輥壓好的正極（負極）極片按照設(shè)計的寬度進行分切、點焊極耳、貼膠紙等，就得到正極（負極）小片，然后在正極小片和負極小片之間放入隔膜，并卷繞成卷芯，最后將卷芯放入包裝殼中，經(jīng)過真空干燥除水之后，并注入電解液，封口，就得到了鋰離子電芯。
2.3化成分容
剛組裝好的電芯是沒有電的，必須經(jīng)過充電激活才能使用。鋰離子電池的首次充電叫做化成，其作用是激活電芯中的活性材料，一般情況下首次充電采用較小的電流，以在負極材料表面形成良好的SEI膜，以保證電池的電化學(xué)性能和循環(huán)壽命。化成之后，進行老化、分容、自放電測試等工序就可以得到鋰離子電池。
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鋰離子電池的應(yīng)用
鋰離子電池具有高能量密度、循環(huán)壽命長、自放電低等優(yōu)點，是目前能量儲存和轉(zhuǎn)換的理想裝置之一。目前已廣泛應(yīng)用于手機、筆記本電腦、消費類電子產(chǎn)品、電動自行車、電動工具、純電動汽車、混合動力汽車、無人機、移動基站、大型儲能電站、軍工等諸多領(lǐng)域中。
