Подробное объяснение принципов работы литий-ионных батарей — директор по исследованиям и разработкам компании Tritek Battery.
С развитием мировой индустрии новых источников энергии литиевые батареи стали востребованной отраслью, а энергетические литиевые батареи – областью интенсивного роста спроса в этой отрасли.
Итак, вы полностью понимаете технические аспекты литий-ионных батарей? Вот исчерпывающее руководство от директора по исследованиям и разработкам компании Tritek, в котором обобщены все необходимые сведения.
Для вашего удобства мы также подготовили глоссарий терминов, связанных с электровелосипедами (https://tritekbattery.com/zh-CN/ebike-glossary-of-terms/).
Содержание [скрыть]
1. Базовые знания о клетках.
1.1 История развития аккумуляторных батарей
1.2 Категория батарей
1.3 Направления развития силовых батарей
1.4 Литиевая батарея – история разработки
Литиевая батарея 1,5 В – принцип её работы
1.6 Литиевые батареи – принцип работы – процессы зарядки и разрядки
1.7. Структурный состав литий-ионных батарей
1.8 Литиевая батарея – катодный материал
1.9 Литиевые батареи – Классификация
1.10 Параметры производительности литиевых батарей
1.11 1.4 Литиевая батарея – кривая заряда и разряда
1.12 Литиевая батарея — характеристики при высоких и низких температурах
1.13 Литиевая батарея: характеристики при высоких и низких температурах
1.14 Литиевая батарея – характеристики циклической работы при различных скоростях зарядки
1.15 Литиевая батарея – характеристики циклической работы при различных скоростях разряда
1.16 Литиевая батарея – Влияние глубины разряда на срок службы
1.17 Литиевая батарея – Влияние температуры на срок службы
1.18 Литиевая батарея — скорость разряда при нормальной температуре, эффективность разряда, повышение температуры
1.19 Литиевая батарея – скорость зарядки при нормальной температуре, эффективность зарядки, повышение температуры
1.20 Литиевая батарея – принцип удвоения повышения температуры при заряде и разряде
1.21 Литиевый аккумуляторный блок, соответствующий аккумуляторной батарее
2. Знание материала клетки
2.1 Знание материалов сердечника батареи – положительный электрод
2.2 Знание материалов, из которых состоит сердечник батареи – отрицательный электрод
2.3 Знание материалов сердечника батареи – проводящего агента
2.4 Знание материалов, используемых в батареях — папки
2.5 Знание материалов, из которых изготовлены сердечники батарей – фольга
2.6 Знание основных материалов батареи — клеммы
2.7 Знание основных материалов батареи – сепаратор
2.8 Знание материалов батареи – электролит
2.9 Знание материалов, из которых изготовлены сердечники батарей – стальной корпус
2.10 Знание материалов батареи — Крышка
2.11 Знание основных материалов батареи – предохранительное устройство
Знания в области 3-ячеечных технологий
3.1 Последовательность процессов обработки клеточных знаний и процессов
4. Знание структуры клетки
4.1 Знание структуры клетки
4.2 Знание структуры сердечника батареи – квадратная структура.
4.3 Знание структуры сердечника батареи – квадратная Z-образная ламинация
4.4 Знание структуры сердечника батареи – квадратная пленочная ламинация
4.5 Знание структуры сердечника батареи – квадратная многоконтактная обмотка
4.6 Знание структуры сердечника батареи – цилиндрическая одноконтактная обмотка с несколькими выводами
4.7 Знание структуры сердечника батареи – цилиндрическая обмотка с полными клеммами
4 8 Краткое изложение знаний о структуре клетки
Основы клеточной биологии
разработка батарей
Батарея — это устройство, которое преобразует химическую энергию в электрическую. Она напрямую передает электрическую энергию во внешний мир посредством химических реакций внутри батареи.
Категория батарей
Батареи в основном делятся на три типа: химические, физические и биологические. Ниже представлена схема классификации батарей.
Направления развития силовых батарей
Никель-кадмиевый аккумулятор → Никель-цинковый аккумулятор → Свинцово-кислотный аккумулятор → Никель-металлгидридный аккумулятор → Литий-ионный аккумулятор → Топливный элемент
Никель-кадмиевые батареи:серьезно загрязнены и практически уничтожены.
Никель-цинковая батарея:Короткий срок службы, характеристики не подходят для автомобильных аккумуляторов.
Свинцово-кислотный аккумулятор:Первоначально он использовался в качестве автомобильного аккумулятора и до сих пор применяется. Он имеет низкую стоимость, но низкую удельную энергию, высокий уровень саморазряда, короткий срок службы и не является экологически чистым.
Никель-металл-гидридные батареи:Чаще всего используется в гибридных электромобилях (HEV), демонстрирует лучшие характеристики, но стоит дороже и содержит загрязняющий окружающую среду металл никель.
Литий-ионный аккумулятор:В настоящее время это перспективный сегмент в автомобильной аккумуляторной промышленности, отличающийся высокими эксплуатационными характеристиками и экологичностью.
В продукции Triteks, включающей аккумуляторы для электровелосипедов, аккумуляторы для электровелосипедов, аккумуляторы для электромотоциклов и аккумуляторы для грузовых велосипедов, используются литий-ионные батареи.
Топливный элемент:Пока не внедрен в промышленность, обладает хорошими характеристиками и является экологически чистым, но цена высока.
Литиевые батареи – история развития
В качестве отрицательного электрода используется углерод, а в качестве положительного электрода — соединение лития; в процессе заряда и разряда ионы лития перемещаются между положительным и отрицательным электродами, отсюда и название литий-ионной батареи.
Литиевая батарея – как она работает
В процессе зарядки и разрядки литий-ионных батарей ионы лития находятся в движении от положительного электрода к отрицательному, а затем к положительному. Это похоже на качающееся кресло, где ионы лития перемещаются взад и вперед между двумя концами батареи. Такая электрохимическая система хранения энергии называется «батареей-качалкой».
Литиевые батареи – принцип работы – процессы зарядки и разрядки
1.6.1 Ионы лития внедряются в слоистую структуру катодного материала перед зарядкой.
1.6.2 После начала зарядки материал положительного электрода теряет электроны, и ионы лития покидают материал положительного электрода.
1.6.3 Ионы лития достигают графитового материала отрицательного электрода через электролит и сепаратор.
1.6.4 Ионы лития внедряются в графитовый слой, а электроны достигают отрицательного электрода через внешнюю цепь, образуя относительно стабильный графит с внедренными литием.
1.6.5 По мере продолжения процесса зарядки материал положительного электрода продолжает терять электроны, а ионы лития продолжают деинтеркалироваться до завершения зарядки.
1.6.6 Электроны покидают материал отрицательного электрода и перетекают к положительному электроду через внешнюю цепь. Ионы лития, потерявшие электроны, также покидают графитовый слой.
1.6.7 Ионы лития, извлеченные из отрицательного электрода, возвращаются в материал положительного электрода через электролит и сепаратор и соединяются с электронами, поступающими на положительный электрод через внешнюю цепь, образуя относительно стабильный материал положительного электрода с внедренным литием.
Структурный состав литий-ионных батарей
Литиевая батарея – катодный материал
Литиевые батареи – классификация
Литиевые батареи можно классифицировать по форме, корпусу и технологии производства.
ТритекИспользуется конструкция из прокатанной цилиндрической стальной оболочки, в основном для батарей 18650 и 21700.
емкость батареи
1I. Разрядная емкость батареи при комнатной температуре (Ач) 1 (А) ток достигает конечного напряжения.
Формула: C=It, то есть емкость батареи (Ач) = ток (А) × время разряда (ч).
Емкость батареи — это количество энергии, которое батарея может получить или сохранить.
Емкость определяется активным материалом электрода и в основном зависит от скорости разряда и температуры (следовательно, строго говоря, емкость батареи должна определяться условиями зарядки и разрядки).
Взаимосвязь между объемом двигателя и температурой выхлопных газов:
Напряжение
Относится к разности потенциалов (РП) между положительным и отрицательным электродами батареи (напряжение зависит от мощности батареи, температуры и других условий).
Как выбрать правильное напряжение для аккумулятора вашего электромотоцикла
Напряжение холостого хода (OCV)
Напряжение батареи в выключенном состоянии (без подключения к внешней цепи или нагрузке). Напряжение холостого хода связано с оставшейся энергией батареи, и отображение уровня заряда основано на этом принципе.
Напряжение замкнутой цепи (CCV)
Это относится к разности потенциалов (РП) между положительным и отрицательным электродами батареи в рабочих условиях, то есть когда по цепи протекает ток.
Этап зарядки (SOC)
Это коэффициент оставшейся мощности батареи, равный оставшейся мощности батареи/общей мощности батареи. SOC=0% означает, что батарея полностью разряжена, а SOC=100% означает, что батарея полностью заряжена.
Уровень заряда батареи (SOC) рассчитывается с помощью системы управления батареей (BMS).
Глубина сброса (DOD)
Это показатель глубины разряда батареи, то есть процент разряда батареи по отношению к номинальной емкости. В отличие от SOC, DOD=100% означает, что батарея разряжена, а DOD=0% означает, что батарея полностью заряжена. Соотношение между DOD и SOC следующее: DOD + SOC = 1.
внутреннее сопротивление
Внутреннее сопротивление батареи определяет сопротивление протекающему через неё току во время работы. Обычно оно делится на внутреннее сопротивление переменного тока (AC) и внутреннее сопротивление постоянного тока (DC). Как правило, батареи с малым внутренним сопротивлением обладают высокой разрядной способностью, а батареи с большим внутренним сопротивлением — низкой. Внутреннее сопротивление батареи генерирует большое количество джоулева тепла, что приводит к повышению внутренней температуры батареи, снижению рабочего напряжения разряда и сокращению времени разряда, влияя на производительность и эффективность батареи, и серьёзно сокращая срок её службы.
Температура повышается
Тепло, выделяемое при прохождении тока через проводник, Q = I²Rt
время плато разряда
Время плато разряда — это время, необходимое для разряда батареи до определенного напряжения после ее полной зарядки. Плато разряда является характерной чертой кривой разряда батареи. Единица измерения — минуты.
Коэффициент постоянного тока зарядки
Отношение мощности зарядки постоянным током к общей мощности зарядки постоянным током и постоянным напряжением. Чем выше коэффициент постоянного тока, тем лучше характеристики батареи. Единица измерения коэффициента постоянного тока — проценты (%).
цикл жизни
Срок службы батареи в циклах зарядки-разрядки — это количество циклов зарядки и разрядки, которые батарея переживает при определенной системе зарядки-разрядки, когда емкость батареи падает до определенного заданного значения.
Понимание срока службы литий-ионных батарей: на сколько циклов зарядки можно рассчитывать?
Скорость заряда и разряда
Скорость заряда-разряда — это ток, необходимый батарее для разряда номинальной емкости за определенное время. 1C равен номинальной емкости батареи, обычно обозначаемой буквой C.
скорость саморазряда
Коэффициент саморазряда, также известный как коэффициент сохранения заряда, представляет собой отношение уменьшенной емкости к начальной емкости батареи в разомкнутой цепи после ее полной зарядки при определенных условиях и хранения в течение определенного периода времени. Единица измерения коэффициента саморазряда — проценты (%).
Чем меньше саморазряд, тем лучше, и чем выше сохранение заряда, тем лучше. Батареи с большим саморазрядом, как правило, испытывают быстрое падение напряжения после некоторого времени хранения. В основном это зависит от производственного процесса, материалов, условий хранения и других факторов.
Эффективность зарядки
Степень способности батареи накапливать химическую энергию измеряется путем преобразования электрической энергии, потребляемой во время зарядки. На нее в основном влияют технология батареи, ее состав, температура окружающей среды, скорость зарядки и другие факторы. В целом, чем выше скорость зарядки, тем ниже эффективность зарядки. Чем ниже температура, тем ниже эффективность зарядки.
Эффективность разряда
При определенных условиях разряда отношение фактического количества разряда батареи к конечному напряжению и номинальной емкости зависит в основном от таких факторов, как скорость разряда, температура окружающей среды и внутреннее сопротивление. В целом, чем выше скорость разряда, тем ниже эффективность разряда. Чем ниже температура, тем ниже эффективность разряда.
новая энергия
Формула: Энергия (Вт·ч) = Рабочее напряжение (В) × Рабочий ток (А) × Время работы (ч) = Напряжение × Емкость
Удельная энергия (плотность энергии)
Энергия, выделяемая батареей на единицу массы или единицы объема, называется удельной энергией по массе или удельной энергией по объему, также известной как плотность энергии.
Обычно выражается в объемной плотности энергии (Вт·ч/л) или массовой плотности энергии (Вт·ч/кг). Если литиевая батарея весит 143 г, имеет номинальное напряжение 3,2 В, емкость 6500 мА·ч и плотность энергии 145 Вт·ч/кг (3,2*6500/143).
1.4 Кривая заряда и разряда литиевой батареи
Кривая зарядки
Кривая истечения
Литиевые батареи: характеристики при высоких и низких температурах
Литиевые батареи: характеристики при высоких и низких температурах
Литиевые батареи – характеристики циклической работы при различных скоростях зарядки
Литий-ионные батареи – характеристики циклической работы при различных скоростях разряда
Литиевые батареи – влияние глубины разряда на срок службы.
Литиевые батареи – влияние температуры на срок службы.
Скорость разряда литиевой батареи при нормальной температуре, эффективность разряда, повышение температуры.
Нормальная скорость разряда при нормальной температуре
1. Зарядка: постоянный ток и постоянное напряжение, ток 1,25 А (0,5 С), верхний предел напряжения 4,2 В, ток отсечки 0,05 А (0,02 С);
2. Дать постоять: 10 мин;
3. Разряд: разряд постоянным током с различными величинами тока, нижний предел напряжения 2,75 В;
4. Эффективность разряда = разрядная емкость при каждой скорости / разрядная емкость 0,5 А (0,2 С);
Литиевая батарея – скорость зарядки при нормальной температуре, эффективность зарядки, повышение температуры.
Нормальная скорость изменения температуры
1. Разряд: ток 0,52 А (0,2 С), постоянный ток до 2,75 В;
2. Дать постоять: 10 мин;
3. Зарядка: Используйте зарядку постоянным током и постоянным напряжением для устройств различной мощности, максимальное напряжение составляет 4,2 В;
4. Эффективность зарядки = емкость зарядки постоянным током при каждой скорости / емкость разряда 2,5 А (1С);
Литиевая батарея – принцип удвоения повышения температуры при заряде и разряде.
Тепло, выделяемое в процессе зарядки и разрядки литиевых батарей, состоит в основном из трех компонентов:
Форма: теплота поляризации, омическая теплота, теплота реакции, теплота реакции — эндотермическая реакция
ответственный за;
Чем выше отношение заряда к разряду (ток), тем больше внутреннее поляризационное сопротивление и тем больше выделяется тепла.
Литиевая батарея – соответствующий аккумуляторный блок
Восемь принципов согласования характеристик аккумуляторных батарей: стабильная емкость, стабильное внутреннее сопротивление, стабильное соотношение постоянного тока, стабильное время работы на платформе, стабильный саморазряд, стабильное напряжение, стабильный заряд и стабильный цикл работы.
Знания о клеточном материале
Основные характеристики батареи – положительный электрод.
Категория положительного электрода: фосфат лития-железа, тройной NCM/NCA, марганец лития, оксид кобальта лития, фосфат лития-железа-марганца.
Основные характеристики батареи – отрицательный электрод.
Классификация отрицательно заряженных активных материалов: искусственный графит, природный графит, мезофазные углеродные шарики, мягкий углерод, твердый углерод и углеродное волокно.
Знания о базовых материалах батарей – проводящий агент
Проводящий агент обеспечивает хорошие характеристики заряда и разряда электрода. При изготовлении электродных пластин обычно добавляют определенное количество проводящего материала для повышения эффективности заряда и разряда электрода.
Знание материалов, используемых в батареях, – клеи.
Знание основных материалов батареи – фольга
Токосъемник предназначен для сбора тока, генерируемого активным материалом батареи, с целью формирования более высокого выходного тока, при этом он обеспечивает полный контакт с активным материалом, обладает малым внутренним сопротивлением и хорошей проводимостью.
алюминиевая фольга– Положительный электродный потенциал высок, а оксидная пленка очень плотная, что предотвращает окисление токосъемника. Оксидная пленка медной фольги относительно рыхлая. Для предотвращения окисления лучше использовать низкий потенциал. При низком потенциале литий и медь с трудом образуют сплав с внедренными атомами лития.
медная фольга- Оксидная пленка на поверхности меди является полупроводником и проводит электроны. Если оксидная пленка слишком толстая, сопротивление высокое, то при низком потенциале отрицательного электрода алюминий будет сплавляться с LiAl, то есть алюминий будет внедрять литий в отрицательный электрод.
Знание основных материалов батареи — клеммы
Клеммы — это металлические проводники, идущие от положительного и отрицательного полюсов батареи. Как правило, контакты положительного и отрицательного полюсов батареи являются точками контакта во время зарядки и разрядки.
Знание основных материалов батареи – диафрагма
Материал: однослойный полиэтилен (PE) или трехслойный композитный полипропилен (PP) + полиэтилен (PE) + полипропилен (PP).
Функция:
1. Разделите положительный и отрицательный полюса батареи, чтобы предотвратить короткое замыкание;
2. Адсорбирует электролит батареи, обеспечивая высокую ионную проводимость;
3. Некоторые из них также предотвращают перенос и реакцию вредных веществ между электродами;
4. Это гарантирует, что батарея перестанет реагировать при возникновении неисправности, и повышает безопасность батареи.
Знание материалов, используемых в батареях, – электролит
Электролит играет роль в проведении ионов между положительным и отрицательным электродами батареи и служит мостиком, соединяющим материалы положительного и отрицательного электродов. Эксплуатация должна производиться только в сухом помещении (например, в перчаточном боксе с влажностью ниже 20 ppm).
1. Литиевая соль: LiPF6
2. Растворитель: EC, DMC, EMC
3. Добавки: пленкообразующие агенты, агенты, предотвращающие перегрузку, антипирены, стабилизаторы и т. д.
Знание основных материалов батареи – стальной корпус
Основная функция стального корпуса батареи заключается в обеспечении благоприятной электрохимической среды.
Эксплуатационные характеристики стального корпуса аккумуляторной батареи:
1. Материал обладает хорошими технологическими свойствами, высокой точностью и высокой прочностью;
2. Поверхность батареи обладает высокой твердостью и определенной несущей способностью.
3. Никелирование: Батарея обладает хорошей коррозионной стойкостью.
4. Дно, как правило, не может быть сварено лазерной точечной сваркой.
Знание материалов батареи — Крышка
Основная функция крышки — герметизация батареи, обеспечение предохранительного клапана и выполнение функции положительного проводящего контакта.
Технические требования к крышкам бутылок:
1. Уплотнительное кольцо изготовлено из полиэтиленпропилена и не деформируется при температуре 135°C;
2. Поверхность гладкая, толщина стенок равномерная, внешний вид не поврежден;
3. Давление открытия крышки бутылки составляет 1,2±0,1 МПа, а давление открытия — 1,8±0,1 МПа;
4. Небольшая прокладка не деформируется и не расплавится при температуре 350°C;
5. Колпачки обычно не паяют при высоких температурах.
Знание основных материалов батареи – предохранительное устройство
У некоторых производителей цилиндрические литий-железо-фосфатные батареи имеют встроенные вентиляционные отверстия и предохранительные клапаны (CID) для повышения уровня защиты. «Двойная защита» эффективно предотвращает перезаряд, короткое замыкание, столкновения и т.д.
Вентиляционное устройство: Когда в батарее происходит химическая реакция, образующийся в ней газ собирается в вентиляционном отверстии через вентиляционное отверстие и верхнее и нижнее отверстия, что способствует рассеиванию газа в батарее, обеспечивает баланс давления воздуха в элементах батареи и предотвращает возникновение угроз безопасности.
Предохранительный клапан (CID): Когда внутреннее давление достигает 1,2±0,1 МПа, положительный контакт и колпачок отсоединяются, и химическая реакция в батарее приостанавливается. Когда внутреннее давление достигает 1,8±0,1 МПа, предохранительный клапан открывается, и газ выходит наружу, чтобы избежать риска взрыва.
Знания о клеточных процессах
Поток знаний о клеточных процессах
Ниже представлена схема работы ячейки:
Знание структуры клетки
Ниже представлена ментальная карта структурных знаний:
Знание структуры сердечника батареи – квадратная структура.
Знание структуры сердечника батареи – квадратные Z-образные ламинированные пластины.
Знание структуры сердечника батареи – ламинирование квадратной пленкой
Знание структуры сердечника батареи – квадратная многоконтактная обмотка.
Знание конструктивных особенностей батареи – цилиндрическая одножильная обмотка с несколькими выводами.
Знание структуры сердечника батареи – цилиндрическая обмотка, охватывающая всю длину ушка.
Краткое изложение знаний о структуре клетки.
Резюме: Преимущество прокатки заключается в простоте контроля процесса, а преимущество ламинирования — в несколько более высокой плотности энергии батареи и удобстве использования PACK-упаковки.
краткое содержание:
Многочисленные клеммы имеют множество недостатков, особенно связанных с определенными опасностями для безопасности; однако при небольшой емкости они обладают преимуществом высокой плотности энергии.
Проект с полным комплектом креплений, как правило, лучше, особенно если речь идёт о батарее большой ёмкости; именно его следует выбирать в первую очередь.
Дата публикации: 14 октября 2023 г.