有关锂离子电池的特点以及安全性详解

2020-11-26      1057 次浏览

电池特点编辑


高能量密度锂离子电池的重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半,体积是镍镉的20-30%,镍氢的35-50%。


高电压一个锂离子电池单体的工作电压为3.7V(平均值),相当于三个串联的镍镉或镍氢电池。


无污染锂离子电池不含有诸如镉、铅、汞之类的有害金属物质。


不含金属锂锂离子电池不含金属锂,因而不受飞机运输有关禁止在客机携带锂离子电池等规定的限制。


循环寿命高在正常条件下,锂离子电池的充放电周期可超过500次,磷酸亚铁锂(以下称磷铁)则可以达到2000次。


无记忆效应记忆效应是指镍镉电池在充放电循环过程中,电池的容量减少的现象。锂离子电池不存在这种效应。


快速充电使用额定电压为4.2V的恒流恒压充电器,可以使锂离子电池在1.5--2.5个小时内就充满电;而新开发的磷铁锂电,已经可以在35分钟内充满电。


安全性编辑


为了防止因使用不当造成电池过放电或者过充电,在单体锂离子电池内设有三重保护机构。一是采用开关元件,当电池内的温度上升时,它的阻值随之上升,当温度过高时,会自动停止供电;二是选择适当的隔板材料,当温度上升到一定数值时,隔板上的微米级微孔会自动溶解掉,从而使锂离子不能通过,电池内部反应停止;三是设置安全阀(就是电池顶部的放气孔),电池内部压力上升到一定数值时,安全阀自动打开,保证电池的使用安全性。


有时,电池本身虽然有安全控制措施,但是因为某些原因造成控制失灵,缺少安全阀或者气体来不及通过安全阀释放,电池内压便会急剧上升而引起爆炸。


一般情况下,锂离子电池储存的总能量和其安全性是成反比的,随着电池容量的新增,电池体积也在新增,其散热性能变差,出事故的可能性将大幅新增。关于手机用锂离子电池,基本要求是发生安全事故的概率要小于百万分之一,这也是社会公众所能接受的最低标准。而关于大容量锂离子电池,特别是汽车等用大容量锂离子电池,采用强制散热尤为重要。


选择更安全的电极材料,选择锰酸锂材料,在分子结构方面保证了在满电状态,正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中,从根本上防止了枝晶的出现。同时锰酸锂稳固的结构,使其氧化性能远远低于钴酸锂,分解温度超过钴酸锂100℃,即使由于外力发生内部短路(针刺),外部短路,过充电时,也完全能够防止了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。


另外,采用锰酸锂材料还可以大幅度降低成本。


提高现有安全控制技术的性能,首先要提高锂离子电池芯的安全性能,这对大容量电池尤为重要。选择热关闭性能好的隔膜,隔膜的用途是在隔离电池正负极的同时,允许锂离子的通过。当温度升高时,在隔膜熔化前进行关闭,从而使内阻上升至2000欧姆,让内部反应停止下来。


当内部压力或温度达到预置的标准时,防爆阀将打开,开始进行卸压,以防止内部气体积累过多,发生形变,最终导致壳体爆裂。


提高控制灵敏度、选择更灵敏的控制参数和采用多个参数的联合控制(这关于大容量电池尤为重要)。关于大容量锂离子电池组是串/并联的多个电芯组成,如笔记本电脑的电压为10V以上,容量较大,一般采用3~4个单电池串联就可以满足电压要求,然后再将2~3个串联的电池组并联,以保证较大的容量。


大容量电池组本身必须设置较为完善的保护功能,还应考虑两种电路基板模块:保护电路基板(ProtectionBoardPCB)模块及SmartBatteryGaugeBoard模块。整套的电池保护设计包括:第1级保护IC(防止电池过充、过放、短路),第2级保护IC(防止第2次过压)、保险丝、LED指示、温度调节等部件。


在多级保护机制下,即使是在电源充电器、笔记本电脑出现异常的情况下,笔记本电池也只能转为自动保护状态,假如情况不严重,往往在重新插拔后还能正常工作,不会发生爆炸。


笔记本电脑和手机使用的锂离子电池所采用的底层技术是不安全的,要考虑更安全的结构。


总之,随着材料技术的进步和人们对锂离子电池设计、制造、检测和使用诸方面要求的认识不断加深,未来的锂离子电池会变得更安全。


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