好的鋰電池長(zhǎng)什么樣？什么樣的電池才算好電池呢？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-05-12 20:31
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好的鋰電池長(zhǎng)什么樣
電池包設(shè)計(jì)，第一步就是選擇使用什么樣的鋰電池。那么，什么樣的電池才算好電池呢？
1壽命長(zhǎng)
二次電池壽命，包括循環(huán)壽命和日歷壽命兩個(gè)指標(biāo)。循環(huán)壽命是指電池經(jīng)歷了廠家承諾的循環(huán)次數(shù)后，剩余容量仍然大于等于80%。日歷壽命是指無(wú)論使用與否，在廠家承諾的時(shí)間段內(nèi)，其剩余容量不得小于80%。
壽命，是動(dòng)力電池的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，一方面，更換電池這個(gè)大動(dòng)作確實(shí)麻煩且用戶體驗(yàn)不好；另一方面，根本上，壽命是成本問(wèn)題。
有這樣一個(gè)概念“全生命周期度電成本”，動(dòng)力電池總電量乘以循環(huán)次數(shù)得到電池全生命周期可以利用的電量總和，用電池包總體價(jià)格除以這個(gè)總和，得到全生命周期內(nèi)每度電的價(jià)格。
我們平時(shí)所說(shuō)的電池價(jià)格，比如1500元/kWh，都只是按照新電芯的總能量去計(jì)價(jià)，其實(shí)，全生命周期度電成本，才是終端客戶的直接利益所在。最直觀的結(jié)果就是，同樣的價(jià)格買到同樣電量的兩個(gè)電池包，一個(gè)充放50次就到了壽命終點(diǎn)，另一個(gè)充放了100次還能再用。這兩個(gè)電池包，那個(gè)便宜哪個(gè)貴就一目了然了。
2成本低
電池本身每度電的價(jià)格低，是最直觀的成本。加上前面所說(shuō)，對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，成本是否真的低，還要看“全生命周期度電成本”。
除了上面的兩種成本，電池的維護(hù)成本也需要考慮。針對(duì)電芯本身的維護(hù)，主要指手動(dòng)均衡。BMS自帶的均衡功能受限于自身設(shè)計(jì)均衡電流的大小，可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)電芯之間的理想均衡，隨著時(shí)間的積累，電池組中就會(huì)出現(xiàn)壓差過(guò)大問(wèn)題。遇到此類情形，只得進(jìn)行手動(dòng)均衡，對(duì)電壓過(guò)低的電芯單獨(dú)充電。這種情形出現(xiàn)的頻率越低，則維護(hù)成本越低。
3 能量密度高/功率密度高
能量密度，指單位重量或者單位體積內(nèi)包含的能量；功率密度是指單位重量或者體積對(duì)應(yīng)的最大放電功率的數(shù)值。在道路車輛有限的空間內(nèi)，只有通過(guò)提高密度才能有效提高總體能量和總體功率。加之，當(dāng)前的國(guó)家補(bǔ)貼，把能量密度和功率密度作為衡量補(bǔ)貼檔次的門檻，更加強(qiáng)化了密度的重要性。
但能量密度與安全性之間，存在著一定的矛盾關(guān)系，隨著能量密度的提高，安全性總會(huì)面臨更新更艱巨的挑戰(zhàn)。
4 庫(kù)倫效率高
鋰電池放電過(guò)程中放出的能量與此次放電之前電池從0開(kāi)始充入電池的能量之比，叫做庫(kù)倫效率。效率的高低，主要與電池內(nèi)阻大小有關(guān)。相對(duì)于其他類型的可充電電池，鋰電池的充放電效率比較高，一般都在98%以上，因此，這個(gè)參數(shù)往往不被過(guò)多提及。
5 電壓高
由于負(fù)極材料基本都采用石墨電極，鋰電池的電壓主要的由正極材料的材料特性決定，磷酸鐵鋰電壓上限3.6V，三元鋰和錳酸鋰電池最高電壓4.2V左右。研發(fā)高電壓電芯，是鋰電池提高能量密度的一條技術(shù)路線。提高電芯輸出電壓，需要電勢(shì)高的正極材料，電勢(shì)低的負(fù)極材料和穩(wěn)定電壓高的電解液。
6 高溫性能好
鋰電池高溫性能良好，指電芯處在較高的溫度環(huán)境中，電池正負(fù)極材料，隔膜和電解液還能夠保持良好的穩(wěn)定性，在高溫下能夠正常工作，壽命不會(huì)加速衰減，高溫不容易引起熱失控事故。
鋰電池的安全風(fēng)險(xiǎn)，很大程度上來(lái)自于高溫。一般鋰電池的最高工作溫度在50℃左右，特別的可以達(dá)到60℃。負(fù)極表面的SEI膜在90℃左右就可以開(kāi)始溶解，使得電芯進(jìn)入自生熱階段。自生熱帶來(lái)額外的溫升，如果不及時(shí)制止，就會(huì)有熱失控的危險(xiǎn)出現(xiàn)。
7 低溫性能好
鋰電池低溫性能好，指低溫下，電池內(nèi)部的鋰離子和電極材料還都保持較高活性，剩余容量高，放電能力衰減少，允許充電倍率大。
隨著溫度的下降，鋰電池剩余容量衰減成加速形勢(shì)。溫度越低，容量衰減越快。低溫下強(qiáng)行充電的危害極大，非常容易引起熱失控事故。低溫下鋰離子和電極活性物質(zhì)活力下降，鋰離子嵌入負(fù)極材料內(nèi)部的速率嚴(yán)重下降。外加電源以超過(guò)電池允許的功率充電時(shí)，大量鋰離子堆積在負(fù)極周圍，來(lái)不及嵌入電極的鋰離子得電子后直接沉積在電極表面，形成鋰單質(zhì)結(jié)晶。枝晶生長(zhǎng)，直接穿透隔膜，刺向正極。引發(fā)正負(fù)極短路，進(jìn)而導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。鋰單質(zhì)性質(zhì)活潑，在180℃左右就可以劇烈反應(yīng)，無(wú)疑是熱失控的助推劑。
8 一致性好
一致性，指應(yīng)用于同一個(gè)電池包的電芯，容量、開(kāi)路電壓、內(nèi)阻、自放電等參數(shù)極差小，性能近似。自身具有優(yōu)異性能的電芯單體，如果一致性不好，成組后，往往其優(yōu)異性都被抹平。有研究表明，成組后電池組容量由最小容量電芯決定，電池包壽命小于壽命最短電芯壽命。
9 安全性好
鋰電池的安全性，既包括內(nèi)部材質(zhì)的穩(wěn)定性，又包括電芯安全輔助措施的有效性。內(nèi)部材質(zhì)安全性指正負(fù)極材料、隔膜和電解液，熱穩(wěn)定性好，電解液與電極材料相容性好，電解液自身阻燃性好。安全輔助措施，指電芯的安全閥設(shè)計(jì)，熔斷器設(shè)計(jì)，溫度敏感電阻設(shè)計(jì)，靈敏度適當(dāng)，單個(gè)電芯故障后，可以防止故障蔓延起到隔離作用。
10設(shè)計(jì)友好，方便組裝
鋰電池能量密度高，為了防止單點(diǎn)能量過(guò)高，電池單體普遍能量較小。應(yīng)用于電動(dòng)汽車的電池，需要把大量電芯組織起來(lái)，連接成一個(gè)整體使用。單體電芯經(jīng)過(guò)焊接、壓接等各種手段，形成模組，模組再經(jīng)過(guò)高壓導(dǎo)線連接，形成電池包。這個(gè)過(guò)程中，單體電芯是否易于焊接，是否為壓接設(shè)計(jì)了連接接口，是否方便熱管理系統(tǒng)對(duì)每個(gè)電池單體發(fā)揮作用，都會(huì)影響成組設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性和成組效率的高低。有的電芯單體密度高，但形狀不友好，加工成電池包以后，能量密度只有單體的一半。電芯單體的連接特性不好，就會(huì)白白浪費(fèi)了電芯的能量密度。
用上面這些尺子去衡量電芯的優(yōu)劣，利用清單檢查關(guān)鍵項(xiàng)目，是工程設(shè)計(jì)中一個(gè)簡(jiǎn)單有效的好方式。
1電解液的作用
電解液充溢在電池殼體內(nèi)部，電池的正負(fù)極和隔膜都浸泡其中。電解液一方面提供部分活性鋰離子，作為充放電過(guò)程中的導(dǎo)電離子使用。另一方面，電解液提供離子通道，或者叫載體，使得鋰離子可以在其中自有移動(dòng)。
2電解液需要解決的問(wèn)題
熱穩(wěn)定性
盡可能少的與正負(fù)極材料反映，期望具備高的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，可以說(shuō)，電解液與電極材料的相容性和電解液自身的熱穩(wěn)定性決定著整個(gè)電芯的熱穩(wěn)定性。
承受高電壓
普通的水基電解液，電化學(xué)穩(wěn)定窗口不高于2V。有機(jī)電解液的最高電壓值一般不高于4.2V，超過(guò)這個(gè)值，電解液自身會(huì)發(fā)生氧化分解。如果想要提高能量密度，采用高電芯電壓，則需要特殊性能的電解液。特殊性能電解液，一方面尋找新的電解液類型，另一方面，在原有電解液的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，比如使用添加劑，有目的的改善電芯某些特定性能。
3電解液的組成
電解液由三部分組成，電解質(zhì)，溶劑和添加劑。
3.1電解質(zhì)
電解液所使用的鋰鹽，即各種含鋰化合物，在溶劑中溶解后，釋放出大量活躍鋰離子。常用的鋰鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiBOB、LiTFSI、LiAsF6等幾種，其中LiPF6是目前比較成熟的商用鋰鹽。
這些鋰鹽各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際使用過(guò)程中，往往是以LiPF6為主，適量添加其他種類，以取得其優(yōu)勢(shì)，復(fù)合提升電解液性能。
3.2溶劑
鋰電池一般采用有機(jī)溶劑。鋰離子電池負(fù)極的電位與鋰非常接近，在水溶液體系中不夠穩(wěn)定，因此選用有機(jī)溶劑作為離子載體。
常見(jiàn)的鋰電池電解液溶劑類型包括碳酸脂類、醚類和羥基酸脂類。
為了提高電解液的導(dǎo)電性，理論上應(yīng)該選用可以給溶液提供盡可能多的活性鋰離子的溶劑，也就是電解質(zhì)在其中的溶解度高，而溶質(zhì)分子的解離度也要高；溶劑介電常數(shù)高而粘度低。實(shí)際上，介電常數(shù)高的溶劑，其粘度也高，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行取舍。
4添加劑
添加劑是指電解液中除了溶質(zhì)以外添加的少量物質(zhì)，它一般不能存儲(chǔ)電量，加入的目的是改善電解液性能，提升電芯穩(wěn)定性等。
4.1 一般添加劑類型
4.1.1 SEI成膜添加劑
鋰電池首次充放電過(guò)程被稱為化成，過(guò)程中形成負(fù)極與電解液之間的一層隔膜，稱為SEI膜。有研究表明，SEI膜的組成成分為碳酸鋰、烷基鋰、烷氧基鋰和其他成分鋰鹽（如LiCl、LiF）。人們希望首次形成的SEI膜，厚度小，質(zhì)地均勻，鋰離子通過(guò)阻力小。為了得到盡量接近理想要求的膜，向電解液中適量加入成膜添加劑，促使成膜過(guò)程均勻緩慢的進(jìn)行。再往細(xì)里劃分，SEI成膜添加劑，又可以分為有機(jī)添加劑和無(wú)機(jī)添加劑。
4.1.2 導(dǎo)電添加劑
導(dǎo)電添加劑的加入，意在提高電解液的導(dǎo)電率。實(shí)際應(yīng)用中，是通過(guò)提高電解質(zhì)的解離率來(lái)提高電解液的導(dǎo)電性能。導(dǎo)電劑可以按照分子類型不同，劃分成不同類型。
4.1.3 穩(wěn)定添加劑
穩(wěn)定劑的作用是，降低電解質(zhì)的分解水平，保護(hù)SEI膜不要受到外部傷害。
4.1.4 抗過(guò)充添加劑
鋰離子電池過(guò)充時(shí)，極化趨勢(shì)變強(qiáng)，電芯內(nèi)部電壓隨之變大，引發(fā)電解液與正極活性物質(zhì)進(jìn)行不可逆反應(yīng)。加入抗過(guò)充添加劑，就是為了降低過(guò)充造成的極化影響，進(jìn)而保護(hù)電芯的性能。
4.1.5 阻燃添加劑
鋰電池的溶劑大部分都是有機(jī)溶劑，極容易起火燃燒。向電解液中增加阻燃添加劑，使得電池在發(fā)生事故時(shí)，盡可能做到阻燃甚至不燃。
4.1.6 高電壓添加劑
不同種類的電解液，其對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電壓上限是有范圍的，比如水基大約2V，而普通有機(jī)溶劑電解液可以到達(dá)4.2V。
為了在一定程度上提高電解液的穩(wěn)定電壓范圍，可以使用高電壓添加劑其基本思路是提高SEI膜的質(zhì)量，避免膜在高電壓下分解。
高電壓添加劑包含以多種類型：含硼類添加劑，有機(jī)磷類添加劑，碳酸酯類添加劑，含硫添加劑等等。
