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一文详解锂离子动力电池技术上-电芯篇

 bwk1998 2023-10-09 发布于江苏

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一、前言

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本文主要内容是对新能源汽车锂离子动力电池技术进行叙述,文章从材料到Pack结构等不同技术要点进行介绍,主要内容分为上下两部分,上部分先对锂电池电芯主要材料正极材料、负极材料、电解液、隔膜进行介绍;再介绍了不同单体电池电芯结构;最后根据不同电芯结构,对相关特点优劣势进行分析。
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二、 锂离子动力电池电芯材料体系

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1.正极材料
正极材料是锂离子电池最为关键的原材料,锂电池正极材料上游为锂、钻、镍等矿物原材料,结合导电剂、粘结剂等制成前驱体。前驱体经过一定工艺合成后制得正极材料,应用于不同的领域。
正极材料是锂电池电化学性能的决定性因素,直接决定电池的能量密度及安全性,进而影响电池的综合性能。正极材料在锂电池材料中占比最大,所占比例45%,主要包括活性材料、导电剂、溶剂、粘合剂、集流体、添加剂等,按照磁疗体系划分,一般可分为钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)、磷酸铁锂(LFP)、三元材料镍钴锰酸锂(NCM)和镍钴铝酸锂(NCA)等。其中,磷酸铁锂主要应用于新能源车及储能电池市场,三元材料则在新能源乘用车、电动自行车和电动工具电池市场具有广泛应用。
不同的正极材料具有不同的优缺点,钻酸钾正极材料具有较好的电化学性能和加工性能,以及比容量相对较高,但钻酸钾材料成本高(金属钻价格昂贵)、循环寿命低、安全性能差。锰酸锂相比钻酸锂,具有资源丰富、成本低、无污染、安全性能好、倍率性能好等优点;但其较低的比容量、较差的循环性能,特别是高温循环性能使其应用受到了较大的限制。磷酸铁锂价格低廉、环境友好、较高的安全性能、较好的结构稳定性与循环性能,但其能量密度较低、低温性能较差。镍钻锰三元材料综合了钻酸锂、镍酸锂和锰酸锂三类材料的优点,存在明显的三元协同效应。相较于磷酸铁锂、锰酸锂电池等正极材料,三元材料的能量密度更高、续航里程更长。

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2.负极材料
负极材料的性能直接影响动力电池,其性能的优良相应的体现在动力电池的关键性能中,如循环寿命性能、膨胀变形问题和倍率性能。按锂离子电池成本比例,负极材料占比锂电池总成本的25%~28%。相对于锂电池正极材料,负极材料的研究方兴未艾。较为理想的负极材料最少要具备以下7点条件:
a. 化学电位较低,与正极材料形成较大的电势差,从而得到高功率电池;
b. 应具备较高的循环比容量;
c. 在负极材料中Li+应该容易嵌入和脱出,具有较高的库伦效率,以至于在Li+脱嵌过程中可以有较稳定的充放电电压;
d. 有良好的电子电导率和离子电导率;
e. 有良好的稳定性,对电解质有一定的兼容性;
f. 对于材料的来源应该资源丰富,价格低廉,制造工艺简单;
g. 安全、绿色无污染。
符合以上各个条件的负极材料目前基本不存在,因此研究能量密度高,安全性能好,价格便宜,材料易得的新型负极材料成为当务之急,这也是现阶段锂电池研究领域的热门课题。现阶段,锂离子电池负极材料主要有碳材料、过渡金属的氧化物、合金材料、硅材料及其他含硅材料,含锂的过渡金属的氮化物以及钛酸锂材料。按照材料的组分,通常可以将锂电池负极材料分为2大类:碳材料和非碳质材料。碳材料负极进一步分类为天然石墨负极、人造石墨负极、中间相碳微球(MCMB)、软炭(如焦炭)负极、硬炭负极、碳纳米管、石墨烯、碳纤维等;其他非碳负极材料主要分为硅基及其复合材料、氮化物负极、锡基材料、钛酸锂、合金材料等。
碳材料负极是一个总称,一般可分为5大类:石墨、硬炭、软炭、碳纳米管和石墨烯。石墨又可分为人造石墨、天然石墨、中间相炭微球。

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3.电解液
电解液是电池中离子传输的载体。一般由锂盐和有机溶剂组成。电解液在锂电池正、负极之间起到传导离子的作用,是锂离子电池获得高电压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、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。锂电池主要使用的电解质有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但用高氯酸锂制成的电池低温效果不好,有爆炸的危险,日本和美国已禁止使用。而用含氟锂盐制成的电池性能好,无爆炸危险,适用性强,特别是用六氟磷酸锂制成的电池,除上述优点外,将来废弃电池的处理工作相对简单,对生态环境友好,因此该类电解质的市场前景十分广泛。
电解液中的溶剂自身电子绝缘,且用于溶解锂盐。电解液溶剂体系的基本要求是:1.具备一定极性(高介电常数),以溶解锂盐;2.电化学窗口宽(电解液的电化学窗口主要体现为溶剂的电化学窗口),耐正极氧化和负极还原;3.粘度低,便于浸润电极及改善低温性能;4.耐热。

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4.隔膜
隔膜是锂离子动力电池中非常重要的材料,位于正极和负极之间,起到隔离和防止直接接触的作用以防止短路和电池失效,对于电池的性能和安全性至关重要。常见的隔膜材料包括聚烯烃(例如聚丙烯)和聚酰亚胺(PI)。聚烯烃隔膜通常由聚丙烯薄膜制成,具有较高的热稳定性和良好的电解液湿润性能。而聚酰亚胺隔膜由聚酰亚胺薄膜制成,具有更高的热稳定性和较低的电解液湿润性能,但更适合用于高温和高功率应用。

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隔膜在锂离子动力电池中具有以下功能:
a.隔离正极和负极:隔膜可以阻止正极和负极之间的直接接触,从而防止电池短路。
b.离子传导:隔膜必须具有足够的孔隙和导电性,以便锂离子能够通过隔膜在正极和负极之间传输,实现电池的充放电。
c.电解液的保持:隔膜需要具有一定的孔隙结构,能够吸附和保持电解液,以确保正极和负极之间的离子传输顺畅。
随着科技进步和研发的推进,隔膜的性能和材料将继续提升,进一步推动锂离子动力电池的发展,同时对隔膜的性能和安全性要求也不断提高。一些具有自修复功能的创新性的隔膜材料也在研究中,其可以在受损时自动修复以提高电池的使用寿命和可靠性。
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三、 锂离子动力电池电芯结构

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根据封装方式、电芯形状的不同,可以将电芯分为三大类:圆柱电芯、软包电芯、方形电芯,以下是不同类型电芯结构
圆柱电芯结构包括:盖帽/正极帽、外包装壳/负极、垫片、正极极片、负极极片、隔膜、电解液、外壳、废弃排气阀、电流阻断装置、隔膜。

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软包电芯结构包括:铝塑包装膜、绝缘片、正极耳、负极耳、正极、负极、隔膜、电解液。

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方形电芯结构包括:正极片、负极片、隔膜、逆电流器、绝缘板、盖板密封板、集电器、压力泄放口、负极、垫圈、密封帽、注液口、外壳/正极、电解液。

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四、 锂电池电芯结构特点

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圆柱电池代表企业为松下电池,松下自1923年进入电池领域,推出干电池、碱性电池、镍镉蓄电池等消费电池应用于日常家电,从干电池到动力电池,松下一直都是最早入局的玩家之一。常见18650、21700、26700、4680等型号电池属于圆柱电池,圆柱电池“历史悠久”,采取卷绕工艺,外壳多采用钢壳和铝壳,具有生产工艺成熟、成组灵活、高良品率和一致性等优点。但由于尺寸小是小单体,成组需要大量的圆柱电池,空间利用率较低,大量的电池需要更加复杂的电池管理系统,对BMS的采集、逻辑处理要求更高,特斯拉是BMS中的佼佼者,Model S 电池包有16个模组,每组有444节,共有大约7104节18650电芯组成,特斯拉与松下电池进行特深度的绑定,大量使用松下圆柱NCA电池,占据了其绝大部分产能。
软包电池代表企业为LG化学,LG化学成立于1947,1995年开始研发锂电池,1999年量产消费类电池产品,2010年生产全球首批PHEV软包电芯,2011年生产BEV软包电芯。经过25年的发展,已经在全球电池江山占据一席之地,并在12月1日将电池事业部分拆—LG新能源。LG新能源在软包和圆柱方面皆有布局(LG新能源给特斯拉提供的就是21700圆柱电池),其软包占比最大,也是软包之王。软包动力电池简单来说就是大号的手机电池,软包电芯的制作工艺繁杂,包括了堆叠、折叠、压层、切刻和抽气等步骤,拥有更加纤薄的体积,外壳采用的是铝塑膜材质,具有设计灵活,重量轻,能量密度高,内阻小等特点(软包电池的理论能量密度要更高于方形电池和圆柱电池)。但是,随着电池技术和新能源汽车的发展,软包的劣势也逐步显露出来。
劣势1:安全,由于软包独特的铝塑膜包装,软包电芯无法保证内部发生热失控后爆破或者热传导方向,同时,铝塑膜无法分担外部挤压力,发生挤压时,容易造成内部卷芯变形而发生热失控。
劣势2:可靠性,软包电芯长期使用有漏液的风险。因为铝塑膜基本上由PET/AL/PP三层结构组成,AL层厚度只有40μm,很容易被金属小颗粒刺穿造成漏液问题;同时,软包封装融合的PP层一旦受到应力就会发生蠕变,长期使用后内部化学体系产气后很容易将分装区撑破。
劣势3:成组效率,软包电芯本身的刚性不足,需要添加更多的结构件,所以成组效率较方壳电芯较低。
方形电池代表企业大部分为国内Tier1,以宁德时代、比亚迪、蜂巢能源等为首。以宁德时代为例,其产品线涵盖方形、软包、圆柱,但方形电芯占其大部分出货占比,是其看家本领。方形电池采用卷绕或叠片工艺,钢壳或铝壳作为壳体,具有散热性好,可靠性好,空间利用率高,结构紧凑不易受外力破坏等特点。车企可以根据车型需求而对方形电池尺寸进行定制化设计,同时带来的劣势是型号多,工艺难以统一;其更高的空间利用率对冷却系统布置的要求也更高,这都将进一步提升电池包的设计成本。但方壳可以做大模组,能使Pack成组电芯单体的数量降低,BMS的管理将更加的精准。宁德时代还推出了CTP高集成电池开发平台,越过模组,直接集成到电池包。相比传统的电池包,CTP电池包体积利用率提高15%-20%,电池包零部件减少40%,能量密度从180wh/kg 达到 260wh/kg。不止如此,宁德时代正在研发的CTC(Cell to Chassis)技术将进一步提升集成度,可理解为 CTP(Cell to Pack)的进一步延伸。

注:文章中引用数据和图片来源网络

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