半固態(tài)鋰電池現(xiàn)身 無人機先用之后是汽車嗎
來源：寶鄂實業(yè)
2019-03-12 13:44
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鋰電池實用非常更廣泛，手機、數(shù)碼設(shè)備、無人機、汽車等等領(lǐng)域都有應(yīng)用，不過鋰電池本身也有很多種類和技術(shù)分支。根據(jù)報道，第一批半固態(tài)鋰電池已經(jīng)亮相，這些電池是傳統(tǒng)鋰離子電池的替代品，更安全，但比鋰聚合物電池要價格低廉一些。
鋰聚合物電池也很安全，不過在損壞時也有可能燃燒和爆炸，手機安全問題也經(jīng)常出現(xiàn)，不過相比鋰離子電池要穩(wěn)定的多。
半固態(tài)鋰電池保持了相對安全的特性，由純鋰箔制成的超薄陽極，涂有聚合物陶瓷電解質(zhì)，可阻止任何枝晶生長。在一些電池設(shè)計中，枝晶生長導(dǎo)致電池短路。因此這個設(shè)計為半固態(tài)，比鋰離子電池本身要穩(wěn)定一些，更加安全，同時能量密度比普通鋰離子電池提高了一倍左右。
對于大型無人機來說，這種電池非常好用除了本身安全之外，能量密度提升意味著可以在單位體積之內(nèi)容納更多電量，有效增加無人機的續(xù)航能力。在今年推出無人機用固態(tài)鋰電池之后，這種電池技術(shù)將于2019年進(jìn)入可穿戴設(shè)備領(lǐng)域。
預(yù)計2021年，產(chǎn)品大批量量產(chǎn)之后，會逐步進(jìn)入汽車行業(yè)。鋰電池的循環(huán)壽命，一直是電動汽車買家最關(guān)心的參數(shù)之一。鋰電池是怎樣變老的？
老化總是與失效連在一起出現(xiàn)，但確切的說，老化和失效是兩個概念。老化，是指動力電池性能參數(shù)隨著時間的推移變差，是量變過程，參數(shù)主要指電池最大可用容量、內(nèi)阻和功率。失效，是電池完全失去工作能力的過程，時間上相對短暫，是質(zhì)變。老化的積累是失效的一個重要原因。
1 影響老化的因素
動力電池最佳工作溫度是15℃-35℃，但在日常應(yīng)用中，不可能完全滿足電池的需要，因此，最常見的影響電池老化的場景就是高溫，低溫。
除了環(huán)境以外，電池工作參數(shù)，也會對老化起到加速或者減速的作用，因此電芯充放電參數(shù)的選擇影響顯著。
在以上列舉的外部因素作用下，電池電極材料等在電化學(xué)反應(yīng)過程中，發(fā)生正常充放電以外的副反應(yīng)，導(dǎo)致老化的發(fā)生。
2 典型老化過程
老化過程中，具體都會發(fā)生哪些細(xì)節(jié)過程，跟正負(fù)極材料，電解液和隔膜的選擇有密切關(guān)系，本文解說大略的老化過程，暫時不針對具體材料做詳細(xì)解釋。
2.1 高溫老化
50℃至60℃，是一般鋰電池能夠允許的工作溫度范圍上限。在較高溫度下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，電解液活性較強，容易發(fā)生分解反應(yīng)，分解產(chǎn)物與正極材料結(jié)合，是對正極材料的消耗；正極結(jié)構(gòu)材料遭到腐蝕，晶格結(jié)構(gòu)由于缺少足夠材料的支撐發(fā)生坍塌，鋰離子的空位減少，正極容納鋰離子的能力下降，使得電池容量遭受損失；
同時，正極材料反映的產(chǎn)物，游蕩在電解液中，可能附著在正負(fù)極電極的表面。電極表面被不能參與充放電過程的物質(zhì)覆蓋，阻礙了電化學(xué)過程的順利發(fā)生，電芯內(nèi)阻增加。
高溫過程對老化的影響，主要在正極發(fā)生，對負(fù)極的影響占比較小。
2.2 低溫老化
環(huán)境溫度達(dá)到0℃以下，鋰電池的性能開始受到低溫的明顯影響。SIE膜，是電芯化成過程中，負(fù)極材料與電解液之間反應(yīng)生成的一層鈍化膜，對負(fù)極材料具有保護(hù)作用。
在低溫工作過程中，SEI膜生長，消耗部分電解液中的活性鋰離子，使得電解液中導(dǎo)電離子的濃度降低，電池可用容量遭到永久性損失。SEI膜的增厚，使得鋰離子穿過膜層到達(dá)負(fù)極的困難增加，與導(dǎo)電鋰離子的濃度降低問題疊加在一起，電芯內(nèi)阻隨之增大。
低溫下充電，尤其是充電電流比較大時，負(fù)極還會發(fā)生另外一個副反應(yīng)——鋰單質(zhì)析出。低溫下，鋰離子活性下降，勉強充電，使得過量的鋰離子聚集在負(fù)極周圍，來不及穿過SEI膜到達(dá)負(fù)極嵌入，就沉積在負(fù)極表面，形成純鋰層。這個過程在過低溫度的充電過程中容易發(fā)生，并且不可逆轉(zhuǎn)。隨著使用循環(huán)的累積，鋰單質(zhì)也會持續(xù)積累，枝晶不斷生長，使得刺破隔膜的風(fēng)險也在不斷累加。
鋰電池低溫工作，老化問題主要發(fā)生在負(fù)極，正極的副反應(yīng)也存在，但影響不顯著。
2.3 大電流充放電
以超過設(shè)計放電能力的電流放電，一方面，電流的熱效應(yīng)，帶來電池自身溫度的上升，高溫老化的副反應(yīng)逐漸加劇；另一方面，大電流帶來了過量的鋰離子需要嵌入正極材料，對材料的穩(wěn)定性造成沖擊。
大電流放電，同樣存在發(fā)熱問題和正極材料脫嵌穩(wěn)定性問題。同時，過多的鋰離子運送到負(fù)極，超過負(fù)極的能力，使得鋰單質(zhì)的沉積現(xiàn)象發(fā)生。不僅會損失容量，長期使用的熱失控風(fēng)險上升，危害更嚴(yán)重。
2.4過壓欠壓充放
過壓充電和欠壓放電，都會帶來正極材料的相變問題，使得容納鋰離子空位減少，電芯最大可用容量受到影響。
2.5 自放電
電芯的自放電隨時隨地都在發(fā)生，當(dāng)溫度較高，荷電量較高時，自放電過程更加顯著。自放電過程，會帶來電池可逆容量和不可逆容量的共同損失。自放電的產(chǎn)物，附著在電極表面，堵塞鋰離子通道，減少鋰離子嵌入位置，進(jìn)而帶來電芯永久容量損失。
3 模組的老化
鋰電池通過串聯(lián)、并聯(lián)組成模組，模組的老化直接受到單體電芯老化的影響。加之，電芯老化的同時，帶來電芯之間一致性的惡化，使得模組的老化會在電芯老化的基礎(chǔ)上，老化程度有所放大。
除了受到電芯老化的影響，模組還會因為振動和導(dǎo)電件氧化腐蝕等因素的影響，加深老化程度。模組內(nèi)部電芯與匯流銅排之間，銅排與模組接線端子之間通過焊接或者螺釘連接保持緊密接觸，保證電阻在合理范圍。而振動和氧化帶來的連接電阻的增加，使得模組內(nèi)部電阻的分布情形發(fā)生了變化。這些變化可能影響電芯電壓的檢測結(jié)果，進(jìn)而影響電芯的充放電和均衡過程。
惡劣的環(huán)境和超負(fù)荷的工作參數(shù)，使得老化過程更加顯著，研究者更易于觀察。實際上，老化過程一直在無聲無息的進(jìn)行著。電芯有兩個壽命，日歷壽命和循環(huán)壽命。從日歷壽命這個名字就可以感受到，老化的不眠不休。因此，對電芯老化影響因素的研究，只是在設(shè)法降低違規(guī)操作帶來的加速老化。
