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有關鋰離子電池的特點以及安全性詳解

鉅大LARGE  |  點擊量:92次  |  2020年11月26日  

摘要
電池特征編輯高能量密度鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半,體積是鎳鎘的20-30%,鎳氫的35-50%。高電壓一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值),相當于三個串聯的鎳鎘或鎳氫

電池特點編輯


高能量密度鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半,體積是鎳鎘的20-30%,鎳氫的35-50%。


高電壓一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值),相當于三個串聯的鎳鎘或鎳氫電池。


無污染鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質。


不含金屬鋰鋰離子電池不含金屬鋰,因而不受飛機運輸有關禁止在客機攜帶鋰離子電池等規定的限制。


循環壽命高在正常條件下,鋰離子電池的充放電周期可超過500次,磷酸亞鐵鋰(以下稱磷鐵)則可以達到2000次。


無記憶效應記憶效應是指鎳鎘電池在充放電循環過程中,電池的容量減少的現象。鋰離子電池不存在這種效應。


快速充電使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器,可以使鋰離子電池在1.5--2.5個小時內就充滿電;而新開發的磷鐵鋰電,已經可以在35分鐘內充滿電。


安全性編輯


為了防止因使用不當造成電池過放電或者過充電,在單體鋰離子電池內設有三重保護機構。一是采用開關元件,當電池內的溫度上升時,它的阻值隨之上升,當溫度過高時,會自動停止供電;二是選擇適當的隔板材料,當溫度上升到一定數值時,隔板上的微米級微孔會自動溶解掉,從而使鋰離子不能通過,電池內部反應停止;三是設置安全閥(就是電池頂部的放氣孔),電池內部壓力上升到一定數值時,安全閥自動打開,保證電池的使用安全性。


有時,電池本身雖然有安全控制措施,但是因為某些原因造成控制失靈,缺少安全閥或者氣體來不及通過安全閥釋放,電池內壓便會急劇上升而引起爆炸。


一般情況下,鋰離子電池儲存的總能量和其安全性是成反比的,隨著電池容量的新增,電池體積也在新增,其散熱性能變差,出事故的可能性將大幅新增。關于手機用鋰離子電池,基本要求是發生安全事故的概率要小于百萬分之一,這也是社會公眾所能接受的最低標準。而關于大容量鋰離子電池,特別是汽車等用大容量鋰離子電池,采用強制散熱尤為重要。


選擇更安全的電極材料,選擇錳酸鋰材料,在分子結構方面保證了在滿電狀態,正極的鋰離子已經完全嵌入到負極炭孔中,從根本上防止了枝晶的出現。同時錳酸鋰穩固的結構,使其氧化性能遠遠低于鈷酸鋰,分解溫度超過鈷酸鋰100℃,即使由于外力發生內部短路(針刺),外部短路,過充電時,也完全能夠防止了由于析出金屬鋰引發燃燒、爆炸的危險。


另外,采用錳酸鋰材料還可以大幅度降低成本。


提高現有安全控制技術的性能,首先要提高鋰離子電池芯的安全性能,這對大容量電池尤為重要。選擇熱關閉性能好的隔膜,隔膜的用途是在隔離電池正負極的同時,允許鋰離子的通過。當溫度升高時,在隔膜熔化前進行關閉,從而使內阻上升至2000歐姆,讓內部反應停止下來。


當內部壓力或溫度達到預置的標準時,防爆閥將打開,開始進行卸壓,以防止內部氣體積累過多,發生形變,最終導致殼體爆裂。


提高控制靈敏度、選擇更靈敏的控制參數和采用多個參數的聯合控制(這關于大容量電池尤為重要)。關于大容量鋰離子電池組是串/并聯的多個電芯組成,如筆記本電腦的電壓為10V以上,容量較大,一般采用3~4個單電池串聯就可以滿足電壓要求,然后再將2~3個串聯的電池組并聯,以保證較大的容量。


大容量電池組本身必須設置較為完善的保護功能,還應考慮兩種電路基板模塊:保護電路基板(ProtectionBoardPCB)模塊及SmartBatteryGaugeBoard模塊。整套的電池保護設計包括:第1級保護IC(防止電池過充、過放、短路),第2級保護IC(防止第2次過壓)、保險絲、LED指示、溫度調節等部件。


在多級保護機制下,即使是在電源充電器、筆記本電腦出現異常的情況下,筆記本電池也只能轉為自動保護狀態,假如情況不嚴重,往往在重新插拔后還能正常工作,不會發生爆炸。


筆記本電腦和手機使用的鋰離子電池所采用的底層技術是不安全的,要考慮更安全的結構。


總之,隨著材料技術的進步和人們對鋰離子電池設計、制造、檢測和使用諸方面要求的認識不斷加深,未來的鋰離子電池會變得更安全。


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