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電池知識

鋰電池充電時如何避免出現(xiàn)性能衰減和電池安全問題?

來源:寶鄂實業(yè)    2019-06-28 17:21    點擊量:

18650電池充電時間與所有二次電池充電時間的理論都是一樣的,即,電池充電時間等于標稱容量與充電電流之比,不過,由于鋰電池充電時內(nèi)部會產(chǎn)生阻抗,所以,18650電池充電時間要考慮克服這種阻抗的因素。

人們根據(jù)阻抗的大小程度設計了一個系數(shù)作為充電電池充電時間的比較值。經(jīng)過長期實驗,這個系數(shù)的獲取方法就簡單化為充電電流占標稱容量的比重。于是,上述18650電池充電時間便演變?yōu)椋?/span>

(1)18650電池充電時間=標稱容量÷充電電流×系數(shù)

(2)按照國家標準,充電電池以不高于0.2C(C為標稱容量)充電為宜,依據(jù)這個標準,上面的系數(shù)設置至少為1.2,由于18650鋰電池的容量高,又加上不同鋰電池充電器廠家充電器的特點,一般對于18650電池充電時間計算中的系數(shù)設定為1.5,充電器基本都是根據(jù)這個原理設計的。比如,18650電池的容量普遍為1800~2600mAh,按照上述公式,則充電器的選擇和18650電池充電時間(以0.2C以內(nèi)放電)一般如下:

(3)1800mAh一般用350mA的充電器,大約充電7.5小時(1800÷350×1.5),

(4)2000mAh一般用400mA(也可用350mA)的充電器,大約充電7.5小時(如用350mA的充電器則需要8.5個小時),

(5)2600mAh一般用500mA的充電器,大約充電7.8小時(2600÷500×1.5)

(6)有些充電器的設計可能不同,不過,一般會有三種系數(shù)選擇:1.2、1.3、1.5。系數(shù)越小,則18650電池充電時間越少。

(7)在實用中,充電器本身設有過充保護裝置,有些電池生產(chǎn)廠家也在設計中通過保護板和保護IC來對18650電池充電時間進行設定,只要消費者按照電池和充電器使用說明使用就行了。對18650電池充電時間稍作補充的是:在充電器指示燈轉(zhuǎn)變后最好及時停止充電,因為18650電池充電時間過長造成的過充會對充電器和電池造成破壞。

能源危機和環(huán)境污染的大背景下,鋰離子電池作為21世紀發(fā)展的理想能源,受到越來越多的關注。但鋰離子電池在生產(chǎn)、運輸、使用過程中會出現(xiàn)某些失效現(xiàn)象。而且單一電池失效之后會影響整個電池組的性能和可靠性,甚至會導致電池組停止工作或其他安全問題。

為了避免上述出現(xiàn)的性能衰減和電池安全問題,開展鋰電池失效分析勢在必行。鋰電池的失效是指由某些特定的本質(zhì)原因?qū)е码姵匦阅芩p或使用性能異常,分為性能失效和安全性失效。

鋰電池失效的原因可以分為內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要指的是失效的物理、化學變化本質(zhì),研究尺度可以追溯到原子、分子尺度,研究失效過程的熱力學、動力學變化。外因包括撞擊、針刺、腐蝕、高溫燃燒、人為破壞等外部因素。

1.容量衰減失效

“標準循環(huán)壽命測試時,循環(huán)次數(shù)達到500次時放電容量應不低于初始容量的90%?;蛘哐h(huán)次數(shù)達到1000次時放電容量不應低于初始容量的80%”,若在標準循環(huán)范圍內(nèi),容量出現(xiàn)急劇下滑現(xiàn)象均屬于容量衰減失效。

電池容量衰減失效的根源在于材料的失效,同時與電池制造工藝、電池使用環(huán)境等客觀因素有緊密聯(lián)系。從材料角度看,造成失效的原因主要有正極材料的結(jié)構(gòu)失效、負極表面SEI過渡生長、電解液分解與變質(zhì)、集流體腐蝕、體系微量雜質(zhì)等。

正極材料的結(jié)構(gòu)失效:正極材料結(jié)構(gòu)失效包括正極材料顆粒破碎、不可逆相轉(zhuǎn)變、材料無序化等。LiMn2O4在充放電過程中會因Jahn-Teller效應導致結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變,甚至會發(fā)生顆粒破碎,造成顆粒之間的電接觸失效。LiMn1.5Ni0.5O4材料在充放電過程中會發(fā)生“四方晶系-立方晶系”相轉(zhuǎn)變,LiCoO2材料在充放電過程中由于Li的過渡脫出會導致Co進入Li層,造成層狀結(jié)構(gòu)混亂化,制約其容量發(fā)揮。

負極材料失效:石墨電極的失效主要發(fā)生在石墨表面,石墨表面與電解液反應,生產(chǎn)固態(tài)電解質(zhì)界面相(SEI),如果過度生長會導致電池內(nèi)部體系中鋰離子含量降低,結(jié)果就是導致容量衰減。硅類負極材料的失效主要在于其巨大的體積膨脹導致的循環(huán)性能問題。

電解液失效:LiPF6穩(wěn)定性差,容易分解使電解液中可遷移Li+含量降低。它還容易和電解液中的痕量水反應生成HF,造成電池內(nèi)部被腐蝕。氣密性不好引起電解液變質(zhì),電解液黏度和色度都發(fā)生變化,最終導致傳輸離子性能急劇下滑。

集流體的失效:集流體腐蝕、集流體附著力下降。上述電解液失效生成的HF會對集流體造成腐蝕,生成導電性差的化合物,導致歐姆接觸增大或活性物質(zhì)失效。充放電過程中Cu箔在低電位下被溶解后,沉積在正極表面,這就是所謂的“析銅”。集流體失效常見的形式是集流體與活性物之間的結(jié)合力不夠?qū)е禄钚晕镔|(zhì)剝離,不能為電池提供容量。

2.內(nèi)阻增大

鋰電池內(nèi)阻增大會伴隨有能量密度下降、電壓和功率下降、電池產(chǎn)熱等失效問題。導致鋰離子電池內(nèi)阻增大的主要因素分為電池關鍵材料和電池使用環(huán)境。

電池關鍵材料:正極材料的微裂紋與破碎、負極材料的破壞與表面SEI過厚、電解液老化、活性物質(zhì)與集流體脫離、活性物質(zhì)與導電添加劑的接觸變差(包括導電添加劑的流失)、隔膜縮孔堵塞、電池極耳焊接異常等。

電池使用環(huán)境:環(huán)境溫度過高/低、過充過放、高倍率充放、制造工藝和電池設計結(jié)構(gòu)等。

3.內(nèi)短路

內(nèi)短路往往會引起鋰離子電池的自放電,容量衰減,局部熱失控以及引起安全事故。

銅/鋁集流體之間的短路:電池生產(chǎn)或使用過程中未修剪的金屬異物穿刺隔膜或電極、電池封裝中極片或極耳發(fā)生位移引起正、負集流體接觸引起的。

隔膜失效引起的短路:隔膜老化、隔膜塌縮、隔膜腐蝕等會導致隔膜失效,失效隔膜失去電子絕緣性或空隙變大使正、負極微接觸,然后出現(xiàn)局部發(fā)熱嚴重,繼續(xù)充放電會向四周擴散,導致熱失控。

雜質(zhì)導致短路:正極漿料中過渡金屬雜質(zhì)未除干凈會導致刺穿隔膜或促使負極鋰枝晶生成導致內(nèi)短路。

鋰枝晶引起的短路:長循環(huán)過程中局部電荷不均勻的地方會出現(xiàn)鋰枝晶,枝晶透過隔膜導致內(nèi)短路。

電池設計制造或電池組組裝過程上,設計不合理或局部壓力過大也會導致內(nèi)短路。電池過沖和過放的誘導下也會出現(xiàn)內(nèi)短路。

4.產(chǎn) 氣

 

在電池化成工藝過程中消耗電解液形成穩(wěn)定SEI膜所發(fā)生的產(chǎn)氣現(xiàn)象為正常產(chǎn)氣,但是過渡消耗電解液釋放氣體或正極材料釋氧等現(xiàn)象屬于異常放氣。常出現(xiàn)在軟包電池中,會造成電池內(nèi)部壓力過大而變形、撐破封裝鋁膜、內(nèi)部電芯接觸問題等。

 
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