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      怎樣做好高倍率鋰電池?高倍率電池市場工藝介紹

      來源:高倍率鋰電池?作者:admin??發布時間:2020-05-15 09:51:46??閱讀數:

        記得早期接觸高倍率鋰電池的時候還沒有現在的Z字型疊片,只有Bell-Core工藝的疊片,而且稍微大一點的型號還得手動來。國內早期的幾家鋰電池廠家將這個工藝用到了極致,采用了吸附式疊片,一次性可以吸5片以上,效率還是不錯的。但是這個工藝有很多缺陷,比如:萃取劑毒性比較大、Loading不能做太高導致能量密度很低;但由于這個工藝是真正意義上的凝膠電池,所以安全性能非常好,我親自做過實驗,拿剪刀剪,釘子刺,電池電壓正常,也能充放電,不會起火燃燒。后面卷繞工藝開發出來后,Bellcore工藝就慢慢淘汰了,高倍率電池也向多極耳發展了,再到后來,Z字型疊片也出來了。直至今日,用于高倍率電池的工藝主流還是Z字型疊片和多極耳卷繞。

      一、高倍率電池市場

        高倍率電池指的是可以大電流放電的電池,鋰電池的高倍率充放性能與鋰離子在電極、電解質以及它們界面處的遷移能力息息相關,高倍率鋰電池放電倍率可滿足脈沖100C,持續60C,其被廣泛應用于大電流放電等特殊場合。 高倍率電池的用途主要為:電動工具、傳統模型玩具、電子煙、部分醫療設備、無人機、啟停等。

        電動工具和傳統模型是在之前鎳氫的基礎上搶占市場,由于鋰離子電池的特性,導致電動工具市場一直不溫不火,在傳統模型這一塊實現了完美替換,但是市場容量一直沒有很大的起色,2009年高倍率電池總市場容量僅為10億RMB,在鋰電池市場統計中始終處于Others地位。下面摘取高工鋰電的一份數據:

      高倍率鋰電池市場

      圖1 高倍率鋰電池市場

        最近幾年,隨著應用領域的進一步拓展,倍率型鋰離子電池的市場一直在高速增長。

      二、高倍率電池材料體系

        高倍率電池的特點就是能夠大倍率放電,其正負極體系主流還是鈷酸鋰和石墨體系,當然活性材料的顆粒度均比常規的高容體系要小很多。一般鈷酸鋰的粒徑D50在5-6um,石墨的粒徑在7-8um,粒徑越小,其BET就越大,反應活性就越高。電解液體系采用的是低粘度、高鋰鹽濃度的體系,其電導率很高。而隔離膜,主要以高孔隙率、高透氣度為主。

      高倍率電池正極顆粒對比

      圖2 高倍率電池正極顆粒對比

      高倍率電池負極顆粒對比

      圖3 高倍率電池負極顆粒對比

        在輔材方面,為了滿足高倍率電池的高倍率放電特性,就勢必要添加更多的導電劑來提升極片的電子電導,通常,導電劑都是多種導電劑的混合。

        總的說來,在材料體系方面,為了實現倍率放電,在電子電導和離子電導方面都需要提升,一旦兩者都提升,那么就意味著高倍率電池整個化學體系比較活躍,化學反應的反應速度要快,從另外一方面來講,就是一旦出現內部,熱失控更容易發生。

        高倍率電池由于放電電流比較大,因此,內部溫升比較高,一般在放電末期,電池表面的溫度會去到60℃以上,此時,電芯內部的溫度可能會去到接近80℃的水平,更加加劇了電池內部的一些副反應發生,堵塞離子通道,同時,部分溶劑氣化破壞界面,SEI重組損耗電解液,內阻增大,倍率下降,循環性能會衰減很快。

      三、高倍率電池工藝

        目前市面上主流存在的工藝為:Z字型疊片工藝和多極耳卷繞工藝。兩者工藝有個共同點:均需要刀模模切。相對來說,疊片工藝由于每一片都是模切出來,刀模接觸周長更長,其出現毛刺和掉粉的幾率更大;再者,疊片電池在極耳焊接時容易拉扯導致錯位,見圖4和圖5。

      高倍率電池錯位

      圖4 錯位

      高倍率電池毛刺

      圖5 毛刺

        而多極耳工藝同樣也存在類似的問題,畢竟極片經過了刀模沖切,損害不可避免。加上倍率電池使用的是高孔隙率、高透氣度的隔膜,其穿刺強度會低于普通隔膜,抗毛刺、粉塵等風險要弱,因此,兩種工藝在安全性能上來說要低于普通的數碼類電池。只是相對于疊片電池來說,多極耳工藝會在效率上面有所提升,降低電池的人工成本和制造成本。

      四、高倍率電池一致性

        高倍率電池由于其使用的特殊性,需要大電流放電,而目前制造廠商在配組篩選時不可能全檢大電流放電性能,基本都是采用的是小電流來檢測容量、電壓平臺等,其實這根本不能很好的解決電池在大電流放電時的一致性。我之前做過研究,設計一款60C倍率放電的電池,其在35C放電時放電曲線一致性很好,但是一旦倍率擴大到55C,放電嚴重出現不一致,見圖6和圖7:

      高倍率電池35C放電曲線

      圖6 35C放電曲線

      高倍率電池55C放電曲線

      圖7 55C放電曲線

        不一致性因為電流增大而擴大,這樣很容易導致組合電池出現不平衡現象,尤其是目前很多高倍率電池組沒有加保護板的情況下很容易因為電池不一致而出現性能衰減快、脹氣甚至起火等情況。

      五、總結

        鑒于以上分析,我們得知高倍率電池為了滿足其快速放電要求,必須提升整個化學體系的電子電導和離子電導,勢必會帶來很多缺陷,例如:倍率放電循環差、安全性能差、配組困難。怎么樣做好高倍率電池是一個需要探討的話題,尤其是倍率和安全的兼顧更是一個難題,任重而道遠。

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