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鋰離子動力電池的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點

鉅大鋰電  |  點擊量：0次  |  2019年08月18日  

鋰離子動力電池的工作原理、結(jié)構(gòu)、特點及發(fā)展前景


2．1鋰離子電池的工作原理




鋰離子電池的工作原理是：電池充電時，正極材料中的鋰脫出來，穿過隔膜進入到負極石墨中；電池放電時，鋰離子又從負極石墨中脫出來，穿過隔膜回到正極材料中。隨充放電的進行鋰離子不斷的從正極和負極中嵌入和脫出。



2.2聚合物鋰離子的結(jié)構(gòu)



2.3鋰離子動力電池的特點及發(fā)展前景


（1）單體電池工作電壓高達3.7V，是鎳鎘電池,鎳氫電池的3倍，鉛酸電池的近2倍，這也是鋰電池比能量高的一個重要原因。因此組成相同電壓的動力電池組時，鋰電池使用的串聯(lián)數(shù)目會大大少于鉛酸電池和鎳氫電池。如果動力電池中單體電池數(shù)量越多，電池組中單體電池的一致性要求就越高，壽命就越不好做，在實際使用過程中電池組有問題分析后，一般是其中一、兩個單體電池出問題然后導(dǎo)致整組電池出現(xiàn)問題，因此不難理解為什么48V的鉛酸電池比36V的鉛酸電池反饋要高，從這個角度上講鋰電更適合動力電池的使用。例如36V的鋰電只需要10個單體，而36V鉛酸電池需要18個單體電池，即3只12V的電池組，而每只12V的鉛酸電池有六個單格即六個單體電池組成。


（2）重量輕，比能量大，高達150Wh/Kg,是鎳氫電池的2倍，鉛酸電池的4倍,因此重量是相同能量的鉛酸電池的三分之一到四分之一，從這個角度講鋰電消耗的資源就少，而且由于錳酸鋰電池中所用元素的儲量比較多，因此相對鉛酸、鎳氫電池可能會進一步漲價，鋰電池成本反而是進一步降低的。電動自行車用鋰離子電池重量為2.2-4公斤，鉛酸電池的重量為12-20公斤，鋰電重量約為鉛酸電池的四分之一到三分之一，比鉛酸電池輕約10公斤（36V，10Ah電池），電池重量減輕了70％,整車總重量至少減輕了20％。加上一般鋰電車都是簡易款的電動自行車，由于電池和整車輕，相同電壓、相同容量的電池行駛里程更長，普通的電動車重量在40公斤以上,而鋰電池電動自行車重量在7到26公斤之間。女士和老年人都可以輕易搬動,人力騎行也十分輕便，運動休閑兼得。


（3）體積小，高達到400Wh/L，體積是鉛酸電池的二分之一到三分之一。提供了更合理的結(jié)構(gòu)和更美觀的外形的設(shè)計條件、設(shè)計空間和可能性?，F(xiàn)階段由于鉛酸電池體積、重量的限制，設(shè)計師們的設(shè)計思想受到極大約束，導(dǎo)致現(xiàn)階段的電動自行車在結(jié)構(gòu)和外觀上“千車一面”、雷同相似、單調(diào)劃一。而鋰離子電池的使用，給設(shè)計師們提供了展示設(shè)計思想和設(shè)計風(fēng)格的更大空間及條件。當(dāng)然同時也導(dǎo)致電動自行車用鋰電池尺寸多種多樣，不利于鋰動力電池行業(yè)的發(fā)展。鋰動力電池行業(yè)也需要盡快制定電動自行車用鋰離子電池國家標(biāo)準(zhǔn)，加速在電動自行車領(lǐng)域鋰電對鉛酸電池的替代。當(dāng)然目前鋰電池是在不斷發(fā)展過程中的不同材料、不同工藝電池的體積有很大的差別，如何統(tǒng)一也是一個難點。




二次電池的能量密度


（4）循環(huán)壽命長，循環(huán)次數(shù)可達1000次。以容量保持60%計，電池組100%充放電循環(huán)次數(shù)可以達到600次以上，使用年限可達3-5年,壽命約為鉛酸電池的兩到三倍。隨著技術(shù)的革新，設(shè)備的提高，電池的壽命會越來越長，性價比會越來越高。


（5）自放電率低，每月不到5%。


（6）允許工作溫度范圍寬，低溫性能好，鋰離子電池可在-20℃～+55℃之間工作，尤其適合低溫使用，而水溶液電池(比如鉛酸電池、鎳氫電池)在低溫時，由于電解液流動性變差會導(dǎo)致性能大大降低。


（7）無記憶效應(yīng)，所以每次充電前不必像鎳鎘電池、鎳氫電池一樣需要放電，可以隨時隨地的進行充電。電池充放電深度，對電池的壽命影響不大，可以全充全放，我們循環(huán)測試就是全充全放的。


（8）特別適合用于動力電池，除了鋰離子電池電壓高之外，由于鋰離子動力電池組的保護板能夠?qū)γ恳粋€單體電池進行高精度監(jiān)測，低功耗智能管理，具有完善的過充電、過放電、溫度、過流、短路保護、鎖定自恢復(fù)功能以及可靠的均衡充電功能，大大的延長了電池的使用壽命。而其他類型電池（比如鉛酸電池）在使用過程中由于電池一致性、充電器等問題，易產(chǎn)生電池過充、過放等問題（由于成本等各方面的原因，鉛酸電池組內(nèi)不能對每一個單體電池進行監(jiān)測和保護）。


（9）無污染，鋰電池中不存在有毒物質(zhì)，因此被稱為“綠色電池”，國家重點扶持。而鉛酸電池和鎘鎳電池由于存在有害物質(zhì)鉛和鎘，國家必然會加強監(jiān)管和治理（鉛酸電池出口退稅的取消，鉛資源稅的增加，鉛酸電動自行車出口的受限），相應(yīng)企業(yè)的成本也會增加。雖然鋰電池沒有污染，但從資源節(jié)約的角度考慮，鋰電池的回收，回收中的安全性，回收的成本也都需要考慮。


（10）存在安全隱患；由于鋰電池比能量高，材料穩(wěn)定性差，鋰電容易出現(xiàn)安全問題，目前世界上知名的手機和筆記本電腦電池（正極材料為鈷酸鋰和三元材料）生產(chǎn)企業(yè)，日本三洋、索尼等公司要求電池的爆噴率控制在40個ppb(十億分之一)以下，國內(nèi)公司能達到ppm(百萬分之一)級的就已經(jīng)不錯了，而動力電池的容量是手機電池容量的上百倍以上，因此對鋰電的安全性要求極高。雖然鈷酸鋰電池和三元材料的電池具有重量更輕，體積更小等優(yōu)點，但它們是不適合作動力電池應(yīng)用于電動車的。


(11)價格高；相同電壓和相同容量的鋰離子電池價格是鉛酸的3-4倍。隨著鋰離子動力電池市場的擴大，成本的降低，性能的提高，以及鉛酸電池價格的提高，兩、三年之后鋰離子動力電池的性價比是有可能超過鉛酸電池的。


電池類型


電壓


/V


重量比能量


/Wh/kg


體積比能量


/Wh/L


循環(huán)壽命


/次


每月自放電率


有害物質(zhì)


鉛酸電池


2


30-45


60-90


300-500


4-5%


鉛


鎘鎳電池


1.2


40-60


100-150


500-1000


20-30%


鎘


鎳氫電池


1.2


60-80


150-200


500-1000


30-35%


/


鋰離子電池


3.7


110-190


250-500


500-2000


<5%


/




鋰離子電池


鉛酸電池


鎳氫電池


錳酸鋰、三元材料、鈷酸鋰電池


磷酸亞鐵鋰電池


單體電池標(biāo)稱電壓


3.7V


3.2V


2V


1.2V


24V所需單體電池數(shù)


7串


（25.9V）


8串


(25.6V)


12串


一般用12V，10Ah的鉛酸電池串聯(lián)，而每只12V,10Ah的電池中有6個單格組成也就是由6節(jié)單體電池組成


20串


36V所需單體電池數(shù)


10串


(37V)


12串


(38.4V)


18串


30串


48V所需單體電池數(shù)


13串


(48.1V)


15串


(48V)


24串


40串



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