鋰離子電池在組合成電池組的時(shí)，遇到擱置時(shí)電量失衡、充電時(shí)電量不平衡該怎么辦？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-09 17:50
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許多單獨(dú)的鋰離子電池在組合成電池組的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)遇到擱置時(shí)電量失衡、充電時(shí)電量不平衡的問(wèn)題，被動(dòng)平衡方案通過(guò)將弱勢(shì)電池(吸收電流較小)在充電過(guò)程中獲得的相對(duì)于強(qiáng)勢(shì)電池(能夠吸收更多電流)來(lái)說(shuō)多余的電流分流給電阻的方法，使鋰電池組充電過(guò)程得以平衡，但是，“被動(dòng)平衡”并不能解決放電過(guò)程中每一個(gè)小電池的平衡，這就需要一種新的方案“主動(dòng)平衡”來(lái)解決。
主動(dòng)平衡摒棄了被動(dòng)平衡消耗電流的方法，改成了傳送電流的方法。負(fù)責(zé)電荷傳送的設(shè)備是一種電源轉(zhuǎn)換器，這種設(shè)備使電池組內(nèi)的小電池?zé)o論是在充電、放電還是閑置狀態(tài)都能傳送電荷，從而使小電池之間可經(jīng)常保持動(dòng)態(tài)平衡。
由于主動(dòng)平衡方法的電荷傳送效率極高的原因，它可以提供較高的平衡電流，這意味著，這種方法使用在鋰電池充電、放電和閑置時(shí)的平衡能力更強(qiáng)。
1、快速充電能力強(qiáng)：主動(dòng)平衡功能可以使電池組內(nèi)各小電池更快地達(dá)到平衡，所以，快速充電的安全性更高，適宜于更大電流的高倍率充電方式。
2、閑置時(shí)：即使各個(gè)小電池已達(dá)到了充電時(shí)的平衡狀態(tài)，但由于溫度梯度不同，有的小電池內(nèi)部溫度高些，有的小電池內(nèi)部低些，也會(huì)令每個(gè)小電池的內(nèi)部漏電速度不同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，電池每升高10℃，漏電率便上升一倍，主動(dòng)平衡功能可確保閑置鋰電池組內(nèi)的小電池“不斷”地重新獲得平衡，這有利于電池組內(nèi)儲(chǔ)存的電量能被充分利用，使電池組工作能力結(jié)束時(shí)，單個(gè)的小鋰電池殘余電量最小。
3、放電時(shí)：沒(méi)有放電能力達(dá)到100%的鋰電池組，這是因?yàn)?，一組鋰電池工作能力的結(jié)束是由某一個(gè)最先放完電的小鋰電池決定的，并不能保證所有的小鋰電池能同時(shí)達(dá)到放完電量。相反，會(huì)有個(gè)別的小鋰電池保持有未用的殘余電能。通過(guò)主動(dòng)平衡方法，鋰電池組在放電時(shí)，內(nèi)部的大容量鋰電池會(huì)將電能分配給小容量鋰電池，因此，小容量鋰電池也可以充分放電，而且，電池組內(nèi)不會(huì)有殘余的電能留下，具備主動(dòng)平衡功能的電池組擁有較大的實(shí)際儲(chǔ)電量(即，可以釋放出更接近于標(biāo)稱(chēng)容量的電能)。
最后要著重提示一句，主動(dòng)平衡方法所采用的系統(tǒng)性能取決于平衡電流與電池充電/放電效率之間的比例。一組鋰電池的不平衡率越高，或者電池組充電/放電率越大，所需要的平衡電流自然就越高。當(dāng)然，這種用來(lái)平衡的電流消耗相對(duì)于因內(nèi)部平衡而獲得的額外電流來(lái)說(shuō)是相當(dāng)劃算的，除此以外，這種主動(dòng)平衡還有利于鋰電池組壽命的延長(zhǎng)。
這種稱(chēng)之為“普魯士藍(lán)類(lèi)似物”的鋰離子電池正極材料是由鐵、錳、碳、氮等構(gòu)成的化合物。從理論上來(lái)說(shuō)，鋰電池充放電速度的快慢就是鋰離子在正負(fù)極間嵌入和脫嵌運(yùn)動(dòng)速度的快慢。新型正極材料化合物的晶體間隔呈0.5納米的攀登架型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每一個(gè)間隔可以容納5個(gè)鋰離子，因此，如果鋰離子通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)出的話，出入口比較寬，可以容納鋰離子的高速進(jìn)出而造成堵塞，結(jié)果就表現(xiàn)為鋰電池的快速充放電性能。
這個(gè)材料的發(fā)明人守友浩教授做的實(shí)驗(yàn)表明，使用該材料的最快放電時(shí)間是1.1秒，是現(xiàn)在性能最好的橄欖石型鋰離子電池正極材料放電時(shí)間的1/8，后者的最新數(shù)據(jù)是9秒。守友浩的方法是：把該化合物直徑為50納米的納米粒子做成1平方厘米的薄膜并緊貼在電池正極上，先用0.01毫安培的電流充電8分鐘，之后通過(guò)攀登架網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)放電直到放完為止，過(guò)程持續(xù)時(shí)間僅有1.1秒，而且得到85毫安培/克的放電電流。
守友浩的方法中最主要的步驟是所制成的化合物薄膜質(zhì)量，薄膜貼到正極上后，得到銦錫氧化物的透明電極，在這種電極的表面，通過(guò)鍍金方法能夠析出錳鐵氰絡(luò)合物;而結(jié)晶結(jié)構(gòu)(即錳鐵氰絡(luò)合物)的電子所通過(guò)的間隙比較大，可以使更多的電流通過(guò)。
另外，這種化合物的性能相對(duì)來(lái)說(shuō)說(shuō)比較穩(wěn)定，因?yàn)樗皇?span style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; width: auto; height: auto; box-sizing: border-box !important; word-wrap: break-word !important;">氧化物，而之前的橄欖石型正極材料則含有氧元素，隨著時(shí)間的推移氧化程度會(huì)逐步加深，最終影響到鋰電池正極的工作質(zhì)量，新的化合物就不存在這種氧化的副作用，實(shí)驗(yàn)表明，在30次的充放電后沒(méi)有發(fā)生質(zhì)量惡化的情況。
這種材料如果要投入使用的話還需要解決兩個(gè)問(wèn)題：1、安全性，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中有明顯的發(fā)熱過(guò)程，如果用于鋰電池充電的話，這種情況估計(jì)會(huì)更嚴(yán)重一些。2、匹配性，按守友浩的說(shuō)法，“如果”進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出最合適的負(fù)極材料，將有望實(shí)現(xiàn)手機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)的高速、大容量充電。
不過(guò)，守友浩教授對(duì)這個(gè)新型材料相當(dāng)自信，因?yàn)椋涸牧蟽r(jià)格便宜，又能抗劣化，預(yù)計(jì)可開(kāi)發(fā)出低價(jià)格的鋰離子電池美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的一位化學(xué)家通過(guò)富錳分層狀的復(fù)合正極技術(shù)，使相同重量的鋰離子電池容量提高了2倍。
這種電池采用的是傳統(tǒng)的鋰錳尖晶石正極技術(shù)，所謂尖晶石結(jié)構(gòu)是指三維排列原子的材料。眾所周知，在目前的鋰離子電池中有一種不平衡存在于兩個(gè)電極之間：負(fù)極配置可以接受更多的電荷以提高整個(gè)電池的比容量。
富錳分層技術(shù)包括兩個(gè)含義：1、富錳：就是指高容量的富錳正極，試驗(yàn)證明，鋰電池正極材料同時(shí)具有活性成分和惰性成分，通過(guò)正極材料活性成分，鋰離子可在正負(fù)極間移動(dòng)形成充放電;而惰性成分有助于穩(wěn)定活性物質(zhì)，從而延長(zhǎng)電池壽命。富錳正極材料可以帶來(lái)多出1/3的能量密度。2、分層：就是指這種電池的制備采用兩個(gè)不同的分層組件，使正極表現(xiàn)為一層層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，為此，在涂層、孔隙率和材料成分等工藝選擇上需要進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)分層技術(shù)，使鋰電池正極材料配比更趨合理，最終使正極材料可接受的電荷數(shù)量獲得極大提升。
目前配合上述加州化學(xué)家開(kāi)發(fā)這種技術(shù)的公司是恩維亞系統(tǒng)公司，公司開(kāi)發(fā)的電池比容量為300Wh/kg，而公司希望通過(guò)正極材料的改進(jìn)將這一指標(biāo)提高到400Wh/kg。在電池負(fù)極荷電量大于正極的情況下，電池容量的提升主要依靠正極材料，這就是富錳分層技術(shù)存在的一大好處，通過(guò)這種技術(shù)從理論上可以生產(chǎn)出真正的大容量鋰電池。
