鋰離子電池原理、常見不良項目及成因、塗布方法彙總(1)

技術 設計 體育 能源 電池小兵 2019-04-20

一、 原理

1.0 正極構造

LiCoO2(鈷酸鋰)+導電劑(乙炔黑)+粘合劑(PVDF)+集流體(鋁箔)正極

2.0 負極構造

石墨+導電劑(乙炔黑)+增稠劑(CMC)+粘結劑(SBR)+ 集流體(銅箔)負極

電芯的構造

電芯的正極是LiCoO2加導電劑和粘合劑,塗在鋁箔上形成正極板,負極是層狀石墨加導電劑及粘合劑塗在銅箔基帶上,目前比較先進的負極層狀石墨顆粒已採用納米碳。

根據上述的反應機理,正極採用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2,其中LiCoO2本是一種層結構很穩定的晶型,但當從LiCoO2拿走XLi後,其結構可能發生變化,但是否發生變化取決於X的大小。通過研究發現當X>0.5時Li1-XCoO2的結構表現為極其不穩定,會發生晶型癱塌,其外部表現為電芯的壓倒終結。所以電芯在使用過程中應通過限制充電電壓來控制Li1-XCoO2中的X值,一般充電電壓不大於4.2V那麼X小於0.5 ,這時Li1-XCoO2的晶型仍是穩定的。負極C6其本身有自己的特點,當第一次化成後,正極LiCoO2中的Li被充到負極C6中,當放電時Li回到正極LiCoO2中,但化成之後必須有一部分Li留在負極C6中,心以保證下次充放電Li的正常嵌入,否則電芯的壓倒很短,為了保證有一部分Li留在負極C6中,一般通過限制放電下限電壓來實現。所以鋰電芯的安全充電上限電壓≤4.2V,放電下限電壓≥2.5V。

3.0工作原理

鋰離子電池內部成螺旋型結構,正極與負極之間由一層具有許多細微小孔的薄膜紙隔開。鋰離子電芯是一種新型的電池能源,它不含金屬鋰,在充放電過程中,只有鋰離子在正負極間往來運動,電極和電解質不參與反應。鋰離子電芯的能量容量密度可以達到300Wh/L,重量容量密度可以達到125Wh/L。鋰離子電芯的反應機理是隨著充放電的進行,鋰離子在正負極之間嵌入脫出,往返穿梭電芯內部而沒有金屬鋰的存在,因此鋰離子電芯更加安全穩定。鋰離子電池的正極採用鈷酸鋰,正極集流體是鋁箔;負極採用碳,負極集流體是銅箔,鋰離子電池的電解液是溶解了LiPF6的有機體。

鋰離子電池的正極材料是氧化鈷鋰,負極是碳。當對電池進行充電時,電池的正極上有鋰離子生成,生茶鞥的鋰離子經過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈現層狀結構,它有很多微孔,到達負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越高。同樣道理,黨對電池進行放電時(即我們使用電池的過程),嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,有運動回到正極。回到正極的鋰離子越多,放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。

鋰離子電池蓋帽上有防爆孔,在內部壓力過大的情況下,防爆孔會自動打開洩壓,以防止出現爆炸的現象。

鋰離子電池的性能:優良的安全性

由於使用優良的負極材料,克服了電池充電過程中鋰枝晶的生長問題,使得鋰離子電池的安全性大大提高。同時採用特殊的可恢復配件,保證了電池在使用過程中的安全性。

※在生產加工中如何保證設計好的C/A???比成了生產加工中的關鍵。所以在生產中應就以下幾個方面進行控制:

1.負極材料的處理

1)將大粒徑及超細粉與所要求的粒徑進行徹底分離,避免了局部電化學反應過度激烈而產生負反應的情況,提高了電芯的安全性。

2)提高材料表面孔隙率,這樣可以提高10%以上的容量,同時在C/A 比不變的情況下,安全性大大提高。 處理的結果使負極材料表面與電解液有了更好的相容性,促進了SEI膜的形成及穩定上。

2.製漿工藝的控制

1)製漿過程採用先進的工藝方法及特殊的化學試劑,使正負極漿料各組之間的表面張力降到了最低。提高了各組之間的相容性,阻止了材料在攪拌過程“團聚”的現象

2)塗布時基材料與噴頭的間隙應控制在0.2mm以下,這樣塗出的極板表面光滑無顆粒、凹陷、劃痕等缺陷。

3)漿料應儲存6小時以上,漿料粘度保持穩定,漿料內部無自聚成團現象。均勻的漿料保證了正負極在基材上分佈的均勻性,從而提高了電芯的一致性、安全性。

3.採用先進的極片製造設備

1)可以保證極片質量的穩定和一致性,大大提高電芯極片均一性,降低了不安全電芯的出現機率。

2)塗布機單片極板上面密度誤差值應小於±2%,極板長度及間隙尺寸誤差應小於2mm。

3)輥壓機的輥軸錐度和徑向跳動應不大於4μm,這樣才能保證極板厚度的一致性。設備配有完善的吸塵系統,避免因浮塵顆粒而導致的電芯內部微短路,從而保證了電芯的自放電性能。

4)分切機應採用切刀為輥刀型的連續分切設備,這樣切出的極片不存在荷葉邊,毛刺等缺陷。同樣設備應配有完善的吸塵系統,從而保證了電芯的自放電性能。

4.先進的封口技術

目前國內外方形鋰離子電芯的封口均採用激光(LASER)熔接封口技術,它是利用YAG棒(釔鋁石榴石)激光諧振腔中受強光源(一般為氮燈)的激勵下發出一束單一頻率的光(λ=1.06mm)經過諧振折射聚焦成一束,再把聚焦的焦點對準電芯的筒體和蓋板之間,使其熔化後親合為一體,以達到蓋板與筒體的密封熔合的目的。為了達到密封焊,必須掌握以下幾個要素:

1)必須有能量大、頻率高、聚焦性能好、跟蹤精度高的激光焊機。

2)必須有配合精度高的適用於激光焊的電芯外殼及蓋板。

3)必須有高統一純度的氮氣保護,特別是鋁殼電芯要求氮氣純度高,否則鋁殼表面就會產生難以熔化的Al2O3(其熔點為2400℃)。

3.1 充電過程

如上圖一個電源給電池充電,此時正極上的電子e從通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極“跳進”電解液裡,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達負極,與早就跑過來的電子結合在一起。

正極上發生的反應為

LiCoO2=充電=Li1-xCoO2+Xli++Xe(電子)

負極上發生的反應為

6C+XLi++Xe=====LixC6

3.2 電池放電過程

放電有恆流放電和恆阻放電,恆流放電其實是在外電路加一個可以隨電壓變化而變化的可變電阻,恆阻放電的實質都是在電池正負極加一個電阻讓電子通過。由此可知,只要負極上的電子不能從負極跑到正極,電池就不會放電。電子和Li+都是同時行動的,方向相同但路不同,放電時,電子從負極經過電子導體跑到正極,鋰離子Li+從負極“跳進”電解液裡,“爬過”隔膜上彎彎曲曲的小洞,“游泳”到達正極,與早就跑過來的電子結合在一起。

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