鋰電芯本身構(gòu)成材料的細(xì)微差異和成組工藝的水平不同會導(dǎo)致什么?
鋰電池在成組過程中,因?yàn)殇囯娦颈旧順?gòu)成材料的細(xì)微差異和成組工藝的水平不同的原因,會使鋰電芯在使用和放置過程中出現(xiàn)功能表現(xiàn)不一致的現(xiàn)象,這就是鋰電池的離散現(xiàn)象,描述這種離散現(xiàn)象的量化指標(biāo)就是離散度,它是由若干參數(shù)的函數(shù)關(guān)系求得的,引起離散度數(shù)值變化的主要有:電阻、電壓、容量、溫度等。
1、電池內(nèi)阻,特別是極化內(nèi)阻的不同點(diǎn),會使得個(gè)別電池在充放電過程中電壓變化劇烈,從而導(dǎo)致整個(gè)電池組的變化加劇;2、單體電池電壓的不一致,將影響電池組的調(diào)峰能力,使得整體電池組放出的能量降低;3、由于電池工作中有放熱和吸熱過程,電池溫度會不斷變化,當(dāng)過熱時(shí),會帶來性能下降和安全隱患,事實(shí)證明,近年發(fā)生的電動(dòng)汽車運(yùn)營和測試起火的導(dǎo)火索都是因?yàn)檫^溫保護(hù)不到位引起電池發(fā)熱起火的,電池類型不但有錳酸鋰,磷酸鐵鋰電池也是如此;4、容量是離散性中最嚴(yán)重的因素,容量不一致主要引起兩個(gè)方面的性能問題,一是部分電池會處于過充過放狀態(tài),導(dǎo)致燃燒、爆炸等不安全因素,二是低容量單體電池因?yàn)樘嵩缃Y(jié)束工作,影響到整個(gè)電池組中其他單體電池的能量不能完全釋放,從而引起整個(gè)電池組的壽命衰減。
為了減小鋰電池離散度的負(fù)面影響,最大限度滿足電池組均勻性的要求,需要從以下制作和使用角度進(jìn)行改善。
1、生產(chǎn)過程中,鋰電池設(shè)計(jì)保證符合大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)的要求,尋找控制產(chǎn)品質(zhì)量的工藝方法,保證單體電池在材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的均勻性。
2、使用中,首先要優(yōu)化分選匹配技術(shù),使得鋰電池組在使用初期的一致性得以滿足;其次是弱化電池內(nèi)部溫度不平衡狀態(tài),使電流密度盡量均勻,減小電池接觸電阻的連接方式。
3、測試電池組表面溫度和流速,選擇合理、科學(xué)的通風(fēng)結(jié)構(gòu),使整個(gè)電池組的表面溫度均勻,保證電池組使用時(shí)每只電池處于相同的溫度環(huán)境中。
電池一致性差是電池組制造過程中較難把握的工藝,目前的控制方法都不夠盡善盡美,但對鋰電池離散度加強(qiáng)認(rèn)識,以改進(jìn)鋰電池的一致性是必要的,也是做好這個(gè)事情的基礎(chǔ)。
日本富士通公司成立了電容器業(yè)務(wù)推進(jìn)室,其室長鈴木靖生日前撰文,對鋰離子電容器的知識進(jìn)行了普及,并將之與鋰離子電池和雙電層電容器的特點(diǎn)進(jìn)行了比較。
富士通開發(fā)的鋰離子電容器特點(diǎn)是輸出功率高,充放電循環(huán)特性出色,主要面向混合動(dòng)力車等需要高功率的汽車領(lǐng)域。
1、電壓、容量、自放電的比較
鋰離子電容器與鋰離子電池材料構(gòu)成上的不同主要表現(xiàn)在正極方面。鋰離子電容器的正極是活性碳,這與鋰電池的鋰氧化物不同。鋰離子電容器的負(fù)極采用碳材料,電解液采用鋰離子有機(jī)物,正極通過雙電層蓄電,負(fù)極由鋰離子的氧化還原反應(yīng)而蓄電。
鋰離子電容器的能量密度小于鋰離子電池,但輸出密度高;單體體積的能量密度為10~15Wh/L,較雙電層電容器的2~8Wh/L的容量大得多,是后者的二倍。
在電壓方面,鋰離子電容器的最高電壓可達(dá)到4V,與鋰離子電池相近,而比雙電層電容器高出許多,同時(shí)在自放電方面比二者都小。
2、安全性:鋰電池取代鎳氫電池和鉛酸蓄電池是電池技術(shù)的一大進(jìn)步,但鋰電池的安全性事故也屢有發(fā)生,如上所述,這也是由其正極結(jié)構(gòu)的不同而引起的。鋰電池的正極采用鋰氧化物,不但含有大量的鋰可形成鋰枝晶而刺穿隔膜,也含有氧這種重要的起火元素。電池一旦短路就可發(fā)展為整體的熱分解,與電解液反應(yīng)可引起燃燒。
而鋰離子電容器的正極是活性碳,即使內(nèi)部短路會與負(fù)極發(fā)生反應(yīng),但不會與電解液反應(yīng),理論上,這比鋰電池安全得多。
3、長壽命特點(diǎn):鋰電池為了實(shí)現(xiàn)長壽命,對鋰電池充電和放電深度有一定的范圍限制,這樣就減少了實(shí)質(zhì)上可以利用的容量,雙電層電容器的充放電原理則是單純以吸附或脫卻電解液中的離子而具有長壽命的,僅憑這一點(diǎn)很難延長實(shí)際壽命。但鋰離子電容器即使降低正極電位,單元自身的電壓也不會大幅下降,因此可確保容量。
4、耐高溫特性:蓄電元器件存在的弱點(diǎn)是工作時(shí)的溫度上升。在反復(fù)充放電過程中,內(nèi)部電阻會助推溫度上升,因而影響壽命,這是因?yàn)?,在高溫條件下,電解液、正極容易發(fā)生氧化分解,為此,在高溫條件下可能需要降低正極的電位,但在電位降低的情況下,雙電層電容器整體電壓下降,無法確保容量。鋰電池則無法降壓,容易產(chǎn)生安全問題。只有鋰離子電容器可以在正極電位遠(yuǎn)離氧化分解區(qū)域的位置正常使用,因而高溫性能出色。
















