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干货丨 锂离子电池全解析——原理、结构、工艺篇

南太湖技银2020-07-31 15:47:24

小贴士:

锂系电池分为锂电池锂离子电池

锂电池即锂金属电池,一般是指使用二氧化锰为正极材料、金属锂或其合金金属为负极材料、使用非水电解质溶液的电池。放电反应为:Li+MnO2=LiMnO2。然而,通常金属态的锂非常活泼,会与电解质产生不良反应,导致电解质过热,甚至导致燃烧。由于金属锂的安全问题尚未完全突破,目前商用化的锂系电池均为锂离子电池。


锂离子电池工作原理


锂离子电池:是一种二次电池(充电电池),主要依靠锂离子在正负极之间的往返嵌入和脱嵌来工作,实现能量的存储和释放。

以钴酸锂正极、石墨负极系锂离子电池为例:充电时,在外加电场的作用下,正极材料LiCoO2分子中的锂元素脱离出来,成为带正电荷的锂离子Li+,从正极移动到负极,与负极的碳原子发生化学反应,生成LiC6,从而“稳定”的嵌入到层状石墨负极中。放电时相反,内部电场转向, Li+从负极脱嵌,顺电场方向,回到正极,重新成为钴酸锂分子LiCoO2,这样的工作原理被形象的称为“摇椅电池”。参与往返嵌入和脱嵌的锂离子越多,电池可存储能量越大。

LiCoO2/C系锂离子电池工作原理


LiCoO2/C系锂离子电池充放电反应式


锂离子电池结构与材料


锂离子电池有着能适应不同应用场景的各种形状和构造,其主要构成均为正极、负极、隔膜、电解液及外壳。


锂离子电池结构图:

a. 圆柱型锂离子电池

b. 方型锂离子电池

c. 纽扣锂离子电池

d. 薄膜锂离子电池

(图片出处: J M, Armand M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries[J]. Nature, 2001, 414(6861): 359-367.)

正极

为了实现上述能量存储与释放的功能,正极材料需要有稳定的电化学性能,不易分解的结构,较高的氧化还原电位和越高越好的比容量,经过产学界长期的研究和探索,现已付诸商用的正极材料有:磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)以及三元材料:镍钴锰酸锂(NCM)、镍锰铝酸锂(NCA)等。正极材料占锂离子电池成本30%--40%,直接影响锂离子电池的能量密度和性能。


▲磷酸铁锂

图注:其稳定的橄榄石结构,有助于在充放电即锂离子的脱出与嵌入过程中保持结构的稳定,不出现晶格坍塌。

(图片来源:Chem. Mater., Vol. 22, No. 3, 2010 )

在实际应用中,完整的锂离子电池正极结构除上述活性物质嵌锂化合物外还包括导电剂、粘结剂和集流体。粘结剂将上述正极材料“固定”在正极基带上,导电剂增强活性物质与基体的电导率,以达到更大的充放电电流,集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。

负极

负极材料需由相对于锂电极电势更低的材料构成,并具有高比容量和较好的充放电可逆性,从而在嵌锂的过程中保持良好的尺寸和机械稳定性。

目前商用负极活性物质以碳材料石墨类为主。然而,常规石墨负极材料的容量和倍率性能已经难以满足锂离子电池下游产品的需求。硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。

来源:鑫椤咨讯,中国储能网

负极的结构与正极基本相同,使用粘结剂来固定活性物质,使用铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体,由于石墨本身具有良好导电性,一般无需添加导电剂材料。

电解液

电解液在正负电极间起到运输电荷的作用,它影响着锂离子电池的能量密度、功率密度、宽温应用、循环寿命、安全性能等因素。理想的电解液应具有高的离子电导率,宽的电化学稳定窗口(0-5V)不与集流体和恬性物质发生化学反应,和好的热稳定性以实现更大的工作温度范围,且安全、无毒、无污染。

基于这些原则,经过长期的工程探索,人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的电解液。

隔膜

我们希望电池的存储能量尽可能多而体积尽可能小,于是正负极之间的距离越来越小,短路成为一个巨大的风险。为了防止正负极材料短路,造成能量的剧烈释放,就需要用一种材料将正负极“隔离”开来,这就是隔膜的由来。

隔膜的孔径需满足良好的离子通过性,吸液保湿能力强,保持离子导电性;同时具有电子绝缘性,以实现正负极之间绝缘的机械隔离,此外应有足够的穿刺强度、拉伸强度等力学性能及耐腐蚀性和足够的电化学稳定性。目前市场上的隔膜主要采用聚烯微多孔膜如PE、PP或其复合膜,尤其是PP/PE/PP三层隔膜不仅熔点较低,而且具有较高的抗穿刺强度,起到了热保险作用。

除了以上材料外,一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体(铝,钢,复合膜等),以及其他辅助材料。


锂离子电池制作工艺



锂离子电池的制备工艺包括:电极制片→电芯装配→激活检测→PACK电池组装。

电极制片

极片是电池结构中最核心的部分,直接影响电池性能。

极片制作要求粒度分布均匀、极片涂布均匀、分切后极片无毛刺,无变形,无粉尘影响、以及高效节能、自动化的生产技术。

电芯装配

  • 卷绕/叠片极片卷绕/叠片为电芯;

  • 注液在卷绕的极片中加入电解液;

  • 封装:焊接正负极片,盖帽等;

  • 电芯烘烤:除水,水分影响电池性能。

激活检测
  • 检测:短路检测,壳体缺陷检测,容量、内阻、内压、自放电、安全性能、循环性能检测等;

  • 化成:首次充电激活电池;

  • 分容:将电池进行一致性筛分,一致性差的电池一起使用对电池损害较大。


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