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        鋰離子電芯內阻的影響因素說明(原材料)

        鋰離子電芯內阻的影響因素說明(原材料)

        影響鋰離子電池內阻的影響因素有:電芯極片與極耳設計、原材料、制造工藝、應用等很多方面。本文主要從原材料方面闡述對鋰電池內阻的影響。


        正負極活性材料:鋰電池中正極材料是儲Li一方,更多的決定了鋰電池的性能,正極材料主要通過包覆與摻雜來改善顆粒之間的電子傳導能力。如摻雜Ni后增強了P-O鍵的強度,穩定了LiFePO4/C的結構,優化了晶胞體積,可有效降低正極材料的電荷轉移阻抗。而通過電化學熱耦合模型仿真分析得知在高倍率放電條件下,活化極化特別是負極活化極化的大幅增加是極化嚴重的主要原因。減小負極顆粒粒徑可以有效減小負極活化極化,當負極固相粒徑減小一半時,活化極化可降低45%。因此,就電池設計而言,正負極材料本身的改善研究也是必不可少的。


        導電劑:石墨和炭黑因其良好性能,在鋰電池領域應用廣泛。相對于石墨類導電劑,正極添加炭黑類導電劑的電池倍率性能更優,因為石墨類導電劑具有片狀顆粒形貌,大倍率下引起孔隙曲折系數較大增長,易出現Li液相擴散過程限制放電容量的現象。而添加了CNTs的電池其內阻更小,因為相對石墨/炭黑與活性材料的點接觸,纖維狀的碳納米管與活性材料屬于線接觸,可以降低電池的界面阻抗。 集流體:降低集流體與活性物質間的界面電阻,提高兩者之間的粘結強度是提升鋰電池性能的重要手段。在鋁箔表面涂覆導電碳涂層和對鋁箔進行電暈處理可有效降低電池的界面阻抗。相較普調鋁箔,使用涂碳鋁箔可以使電池的內阻降低65%左右,且可降低電池在使用過程中內阻的增幅。經電暈處理的鋁箔交流內阻可降低20%左右,在常使用的20%~90%SOC區間內,直流內阻整體偏小且隨放電深度的增加,其增幅逐漸較小。


        隔膜: 電池內部的離子傳導需依賴電解液中Li離子通過隔膜多孔的擴散,隔膜的吸液潤濕能力是形成良好離子流動通道的關鍵,當隔膜具有更高的吸液率和多孔結構時,能提升導電性減小電池阻抗,提高電池的倍率性能。相較普通基膜,陶瓷隔膜和涂膠隔膜不但能大幅提高隔膜的高溫耐收縮性,而且可增強隔膜的吸液潤濕能力,在PP隔膜上增加SiO2陶瓷涂層,可使隔膜的吸液量增加17%。在PP/PE復合隔膜上涂覆1μm的PVDF-HFP,隔膜吸液率由70%增加到82%,電芯內阻下降20%以上。


        力朗電池深研原材料對電芯內阻的影響機理,進行最優化設計,生產的26650電芯具有內阻低且一致性好的明顯優勢。

        鋰離子電芯內阻的影響因素說明(極片與極耳)

        鋰離子電芯內阻的影響因素說明(極片與極耳)

        1、影響鋰離子電池內阻的影響因素有:電芯極片與極耳、原材料、制造工藝、應用等很多方面。本文主要從電芯極片與極耳設計方面闡述對鋰電池內阻的影響。


        2、在電芯結構設計中,除了電芯結構件本身的鉚接及焊接之外,電芯極片長度,極耳的材質、數量、尺寸、位置等直接影響電芯內阻大小。在一定程度內,增加極耳數量,可有效降低電池內阻。極耳位置也能影響電芯的內阻,極耳位置在正負極極片頭部的卷繞電池內阻最大,且相較于卷繞式電池,疊片式電池相當于幾十片小電池并聯,其內阻更小。


        3、力朗電池設計、制造的26650電芯在極耳材質、數量、位置等方面進行最優化設計,電芯具有內阻低且一致性好的明顯優勢。

        鋰離子電芯內阻的影響因素說明(制造工藝)

        鋰離子電芯內阻的影響因素說明(制造工藝)

        影響鋰離子電池內阻的影響因素有:電芯極片與極耳設計、原材料、制造工藝、應用等很多方面。本文主要從制造工藝方面闡述對鋰電池內阻的 影響。


        勻漿工序:合漿時漿料分散的均勻性影響著導電劑是否能夠均勻的分散在活性物質中與其緊密接觸,與電池內阻相關。通過增加高速分散,可提 高漿料分散的均勻性,電池內阻越小。通過添加表面活性劑可改善提高電極中導電劑的分布均勻性,可減小電化學極化提高放電中值電壓。


        涂布工序:面密度是電池設計的關鍵參數之一,在電池容量一定時,增加極片面密度勢必會減小集流體和隔膜的總長度,電池的歐姆內阻會隨之 減小,因此在一定范圍內,電池的內阻隨著面密度的增加而減小。涂布烘干時溶劑分子的遷移與脫離與烘箱的溫度密切相關,直接影響著極片內粘結劑和導電劑的分布,進而影響極片 內部導電網格的形成,因此涂布烘干的溫度也是優化電池性能的重要工藝過程。


        輥壓工序:在一定程度內,電池內阻隨著壓實密度的增大而減小,因為壓實密度增大,原材料粒子間的距離減小,粒子間的接觸越多,導電橋梁和通道越多,電池阻抗降低。而控 制壓實密度主要是通過輥壓厚度來實現的。不同輥壓厚度對電池內阻具有較大程度的影響,輥壓厚度較大時,由于活性物質未能輥壓緊密致使活性物質與集流體之間的接觸電阻增大, 電池內阻增大。且電池循環后輥壓厚度較大的電池正極表面產生裂紋,會進一步增大極片表面活性物質與集流體之間的接觸電阻。


        極片周轉時間控制:正極片不同擱置時間對其電池內阻具有較大程度的影響,擱置時間較短時,受磷酸鐵鋰表面碳包覆層與磷酸鐵鋰作用力影響 ,電池的內阻增大較為緩慢;當擱置時間較長時(大于23h),受磷酸鐵鋰與水反應以及粘合劑的粘合作用共同影響,電池的內阻增大較為明顯。因此,實際生產中需嚴格控制極片的周 轉時間。


        注液工序:電解液的離子電導率決定了電池的內阻和倍率特性,電解液電導率的大小與溶劑的粘度程反比,同時還受鋰鹽濃度和陰離子大小的影 響。除了對電導率的優化研究之外,注液量和注液后的浸潤時間也直接影響著電池內阻,注液量較少或浸潤時間不充分,都會引起電池內阻偏大,從而影響電池的容量發揮。


        力朗電池設計、制造的26650電芯進行嚴謹工藝設計和嚴格的制造過程管控,電芯具有內阻低且一致性好的明顯優勢。

        鋰電池的分類與特點

        鋰電池的分類與特點

        在鋰電池行業,可反復充電的鋰離子電池(下文簡稱“鋰電池”),依據正極材料的不同,主要劃分為以下幾大類:LiCoO2鈷酸鋰 (LCO); LiFePO4磷酸鐵鋰(LFP);LiMn2O4錳酸鋰(LMO);LiNixCoyMn(1-x-y)O2鎳鈷錳/ LiNixCoyAl(1-x-y)O2鎳鈷鋁三元鋰 (NCM/NCA)


        (1)鈷酸鋰(LCO)電池:鈷酸鋰(LCO)作為正極材料的鋰離子電池得到了快速的商業化普及,大規模應用到手機、MP3/MP4、筆記本 電腦、藍 牙設備、平板電腦、電動工具等各種便攜式電子設備。


        (2)磷酸鐵鋰(LFP)電池:具有橄欖石結構的磷酸鐵鋰(LFP),比其他的正極材料更具穩定性, 2004年,磷酸鐵鋰材料引入中國 ,由于其 獨特的熱穩定性和安全性,特別適用于新能源汽車領域,得到了比亞迪的大力推廣應用,并得到了國軒高科、力神、寧德時代 等企業的跟進。


        (3)錳酸鋰(LMO)電池:錳酸鋰材料(LMO),由于成本低廉,熱穩定性高、耐過充性能好、高工作電壓的四大特性,是鋰電池企業 研究的熱 點。截止到2020年底,國內鋰電池公司在錳酸鋰電池方面也做了多年探索,并在新能源汽車、兩輪電動車等領域實現了大規模 商業化應用。


        (4)三元鋰(NCM/NCA)電池:綜合了鈷酸鋰(LCO)循環性能好,鎳酸鋰(LNO)高比容量和錳酸鋰(LMO)成本低安全性能好的優點 。本世紀 初,得益于對高能量密度、長壽命電池的需求,以鎳鈷錳材料(NCM)和鎳鈷鋁材料(NCA)為正極的鋰電池得到大規模商業化 應用。尤其是在追求長續航里程的新能源汽車領域, NCM/NCA三元鋰電池得到了大規模普及,特斯拉采用松下的NCA三元鋰電池,寶馬、 大眾等公司采用了三星、LG的NCM三元鋰電池,國內的企業普遍走NCM三元鋰路線。


        錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰優缺點比較:在鋰電池的四大主要材料中,由于鈷酸鋰(LCO)材料當中金屬鈷的含量最高,鈷是稀有金 屬,產地集 中,價格昂貴,所以鈷酸鋰電池的成本也是最高的,只適合做成小電池,滿足便攜式電子設備的需求,不適合做成大電池, 應用于動力和儲能領域。在大動力(四輪汽車)和小動力 (兩輪/三輪)領域,錳酸鋰、三元鋰、磷酸鐵鋰都有大規模的應用,通過仔細 分析它們的優缺點,才能把握未來的發展趨勢。


        (1)錳酸鋰(LMO)電池:錳酸鋰材料的突出優點是安全性好、成本低。錳酸鋰不含金屬鈷,所以材料成本是比較低的,制備錳酸鋰的二氧化錳 ,儲量豐富,分布廣泛,成本低廉,這對錳酸鋰電池的推廣應用有很大幫助。其次,錳酸鋰的熱管定性好,高溫下也不容易分解和熱失控,安全性能好,特別適合于對安全性要求較高 的動力領域。錳酸鋰電池的主要缺點是高溫性能差,循環壽命短,高溫下容易發生正極材料的溶解,導致電池的容量出現快速下降,循環壽命快速衰減。與此對應,錳酸鋰的低溫性能 很好,在零下30℃仍能保持較好的活性,可進行充放電使用。所以錳酸鋰電池不太適合溫度較高的南方地區,比較適合長期氣溫偏低,冬季寒冷的北方地區。此外,錳酸鋰的倍率性能 好,也適合主打快充產品的市場,當然必須得解決散熱問題,否則循環壽命衰減太快,會導致充電速度越快,壽命越短。


        (2)三元鋰(NCM/NCA)電池:三元鋰材料的突出優點是比能量密度高。在三種材料中,三元鋰的比能量密度是最高的,比如811材料 的三元鋰 電池,單體能量密度可以達到300Wh/kg,幾乎是錳酸鋰和磷酸鐵鋰的兩倍,具有碾壓性的優勢。所以三元鋰電池特別適合于體 積小、重量輕的應用場景,可獲得最多的能量存儲和最 遠的續航里程,比如純電動乘用車、電摩等。三元鋰的低溫特性與錳酸鋰相似, 在低溫下仍能保持較好的活性,而高溫性能明顯好于錳酸鋰,在高溫下工作,循環壽命不會出現快速 衰減。所以三元鋰的工作溫度范圍 很寬,可滿足南方和北方的各種氣候情況。三元鋰材料的突出缺點是成本高,安全性差。因為鈷、鎳、鋁的價格都比較貴,所以三元鋰 材料的價格 始終居高不下,在民用級市場推廣存在很大的價格劣勢。三元鋰材料,在高溫下的穩定性很差,遇熱容易分解并釋放氧氣, 引起電池熱失控,發生燃燒或爆炸。鎳含量越高的三元鋰 電池,能量密度越高,但是安全性也越差,所以能量密度和安全性在三元材料 上是非常矛盾的。因為成本和安全性兩個阻礙,三元鋰電池的應用有很大的局限性。


        (3)磷酸鐵鋰(LFP)電池:磷酸鐵鋰材料的突出優點是成本低、壽命長、安全性好。得益于其優異的熱穩定性和結構穩定性,磷酸 鐵鋰電池 的安全性明顯好于三元鋰。因為鐵元素儲量巨大,磷酸鐵鋰的價格是各種正極材料當中最便宜的。在循環壽命方面,磷酸鐵鋰 也具有明顯的優勢,儲能用的長壽命磷酸鐵鋰電池,循 環壽命可以達到6000~8000次循環,動力用的磷酸鐵鋰電池,循環壽命也可以達到 3000次上下,這一點是錳酸鋰和三元鋰不能比擬的。


        力朗電池研發制造的26650磷酸鐵鋰電池,由于具有高安全性、高一致性、長循環等顯著技術與性能優勢及非常高的性價比能力,得 到了國際、 國內一流廠商的廣泛應用。

        什么是鋰離子電池”析鋰“?

        什么是鋰離子電池”析鋰“?

        鋰離子電池在充電時,鋰離子從正極脫嵌并嵌入負極;但是當一些異常情況:如負極嵌鋰空間不足、鋰離子嵌入負極阻力太大、鋰離子過快的從 正極脫嵌但無法等量的嵌入負極等異常發生時,無法嵌入負極的鋰離子只能在負極表面得電子,從而形成銀白色的金屬鋰單質,這也就是常說的 “析鋰” 。


        析鋰的主要表現有:

        在低溫條件下,電解液的離子導通率會降低,鋰離子從正極脫嵌及嵌入負極的阻抗會大幅增加,且嵌入負極阻抗的增加幅度更大,從而引發析鋰 。


        電芯大倍率充電時,大量的鋰離子從正極脫嵌并來到負極,但由于鋰離子嵌入負極的阻抗遠大于從正極脫嵌的阻抗,因此蜂擁而來的鋰離子無法 100%的保證全部嵌入負極,來不及嵌入的,就會在負極表面得電子并形成金屬鋰。


        當正極涂布偏重或者負極涂布偏輕時,都會造成負極嵌鋰空間不足,這樣鋰離子從正極脫嵌并來到負極后,就會在負極表面得電子并形成金屬鋰 。


        負極壓實超過其極限后,會破壞材料的本體結構,并增加鋰離子嵌入時的阻力,從而引發析鋰。


        如負極露箔,充電時鋰離子就會在銅箔直接得電子并析鋰。


        厚度較大或內部卷繞過緊的卷芯,分容后容易變形并會造成極片接觸不良,接觸不良區域會被電芯內部氣體填充、從而失去鋰離子遷移通道。最 終形成條狀為主的未嵌鋰區域,并可能伴有析鋰。


        電解液作為鋰離子導通的通道,如果量少或未能充分浸潤極片,刀會引發析鋰。 力朗電池在26650設計或制造過程中,充分考量上述析鋰現象和 機理,從設計、材料、工藝等多維度確保電芯無析鋰現象,從而確保所制造的26650電芯的長循環、高容量、電化學性能穩定等優勢。

        如何改善鋰電池的低溫性能?

        如何改善鋰電池的低溫性能?

        鋰離子電池的低溫性能是制約鋰電池應用的關鍵性因素之一,如何提高鋰電池的低溫性能仍然是目前研究的熱點和難點。


        電池體系反應過程主要包括Li+在電解液中傳輸、穿越電解液/電極界面膜、電荷轉移以及Li+在活性物質本體中擴散等4個步驟。低溫下,各個步 驟的速率下降,由此造成各個步驟阻抗增大,帶來電極極化的加劇,引發低溫放電容量減小、負極析鋰等問題。造成鋰離子電池低溫性能差,主要有以下3個方面的因素:
        1. 低溫下電解液的粘度增大,電導率降低;
        2. 電解液/電極界面膜阻抗和電荷轉移阻抗增大;
        3. 鋰離子在活性物質本體中的遷移速率降低. 由此造成低溫下電極極化加劇,充放電容量減小。


        提高鋰電池的低溫性能應綜合考慮電池中正極、負極、電解液等綜合因素的影響,通過優化電解液溶劑、添加劑和鋰鹽組成提高電解液的電導率 ,同時降低成膜阻抗;對正負極材料進行摻雜、包覆、小顆?;雀男蕴幚?,優化材料結構,降低界面阻抗和Li+在活性物質本體中的擴散阻抗。通過對電池體系整體的優化,減小鋰 電池低溫下的極化,使電池的低溫性能得到進一步提高。


        改善正極材料在低溫下離子擴散性能的主流方式有:
        1.是采用導電性優異的材料對活性物質本體進行表面包覆的方法提升正極材料界面的電導率,降低界面阻抗,同時減少正極材料和電解液的副反應,穩定材料結構。
        2.是通過Mn、Al、Cr、Mg、F等元素對材料本體進行體相摻雜,增加材料的層間距來提高Li+在本體中的擴散速率,降低Li+的擴散阻抗,進而提升電池的低溫性能。
        3.是降低材料粒徑,縮短Li+遷移路徑。需要指出的是,該方法會增大材料的比表面積從而與電解液的副反應增多。


        電解液作為鋰離子電池的重要組成部分,不僅決定了Li+在液相中的遷移速率,同時還參與SEI膜形成,對SEI膜性能起著關鍵性的作用。低溫下 電解液的黏度增大,電導率降低,SEI膜阻抗增大,與正負極材料間的相容性變差,極大惡化了電池的能量密度、循環性能等。目前,通過電解液改善低溫性能有以下兩種途徑:一是 ,通過優化溶劑組成,使用新型電解質鹽等途徑來提高電解液的低溫電導率;二是,使用新型添加劑改善SEI膜的性質,使其有利于Li+在低溫下傳導。 力朗電池設計和制造的26650鋰 電芯,通過深研鋰電池的低溫機理,通過對影響電芯低溫性能的材料優化和改良、有效提升了電芯的低溫性能,26650磷酸鐵鋰低溫電芯高度契合有低溫要求的應用場景或項目。

        鋰離子電芯SEI膜對電池性能有什么影響?

        鋰離子電芯SEI膜對電池性能有什么影響?

        SEI的用途要從其本身的特點來進行分析:①SEI是電極材料與電解液中間的一個界面層,將兩者分隔開來。②具有固體電解質的特點。③Li+可以順利通過,而電子卻無法通過。


        1、有金屬鋰和電解液組分之間的反應造成的腐蝕程度是由其表面SEI膜的鈍化性能決定的。


        2、鋰的溶解-沉積過程中必須通過SEI膜發生,而且鋰離子通過SEI膜遷移是鋰沉積-溶解過程的速率控制步驟,它決定了鋰沉積-溶解過程的均勻性。當鋰的沉積是均勻的時候,在循環過程中,金屬鋰就可以大部分防止腐蝕,這樣鋰電極就可以獲得較好的循環效率。


        3、鋰離子能夠通過SEI膜發生鋰的沉積和溶解過程,但在溶解和沉積過程中,由于重要由離子組分組成的SEI膜很難適應上述過程鋰表面形態的變化,因此SEI膜發生破裂,導致了裸鋰的出現,以及它的電解液的更進一步反應,因此在鋰的重復沉積-溶劑熱過程中,鋰和電解液組分不斷被消耗,導致鋰電極循環性能衰減。


        4、SEI膜的破裂會導致形成一些高活性位,從而加速這些部位鋰的沉積和溶劑速度,導致鋰電極表面電流分配的不均勻性,不均勻性和枝晶的生成導致出現一系列的安全問題,這就是金屬鋰蓄電池商品化應用遭到失敗的重要原因。

        充電時間快慢對電池有啥影響?

        充電時間快慢對電池有啥影響?

        充電方式一般為快充、慢充??斐渫ㄟ^非車載充電機采用大電流給電池直接充電,半小時可充滿電池80%容量;慢充指交流充電,充電過程需6小時-8小時。

        電池充不滿是怎么回事?

        電池充不滿是怎么回事?

        這是電池中存在安全冗余,預留部分電量防止電池過充和過度放電。比如,原來電池容量是在100%,但真正可被使用的大概是80%-90%左右,電量冗余后的數值才是車主真正可使用的電量。因為在充電過程中,電池不能充的太滿,也不能將電量放的太空。如果每次電池都滿充滿放,會大大降低其使用壽命;充得太滿,一旦充電系統有故障,就有可能因為“過充”而造成安全事故。

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