怎樣做好高倍率鋰電池?高倍率電池市場(chǎng)工藝介紹
記得早期接觸高倍率鋰電池的時(shí)候還沒(méi)有現(xiàn)在的Z字型疊片,只有Bell-Core工藝的疊片,而且稍微大一點(diǎn)的型號(hào)還得手動(dòng)來(lái)。國(guó)內(nèi)早期的幾家鋰電池廠家將這個(gè)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(cuò)的。但是這個(gè)工藝有很多缺陷,比如:萃取劑毒性比較大、Loading不能做太高導(dǎo)致能量密度很低;但由于這個(gè)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(guò)實(shí)驗(yàn),拿剪刀剪,釘子刺,電池電壓正常,也能充放電,不會(huì)起火燃燒。后面卷繞工藝開(kāi)發(fā)出來(lái)后,Bellcore工藝就慢慢淘汰了,高倍率電池也向多極耳發(fā)展了,再到后來(lái),Z字型疊片也出來(lái)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(chǎng)
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(zhì)以及它們界面處的遷移能力息息相關(guān),高倍率鋰電池放電倍率可滿足脈沖100C,持續(xù)60C,其被廣泛應(yīng)用于大電流放電等特殊場(chǎng)合。 高倍率電池的用途主要為:電動(dòng)工具、傳統(tǒng)模型玩具、電子煙、部分醫(yī)療設(shè)備、無(wú)人機(jī)、啟停等。
電動(dòng)工具和傳統(tǒng)模型是在之前鎳氫的基礎(chǔ)上搶占市場(chǎng),由于鋰離子電池的特性,導(dǎo)致電動(dòng)工具市場(chǎng)一直不溫不火,在傳統(tǒng)模型這一塊實(shí)現(xiàn)了完美替換,但是市場(chǎng)容量一直沒(méi)有很大的起色,2009年高倍率電池總市場(chǎng)容量?jī)H為10億RMB,在鋰電池市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)中始終處于Others地位。下面摘取高工鋰電的一份數(shù)據(jù):
圖1 高倍率鋰電池市場(chǎng)
最近幾年,隨著應(yīng)用領(lǐng)域的進(jìn)一步拓展,倍率型鋰離子電池的市場(chǎng)一直在高速增長(zhǎng)。
二、高倍率電池材料體系
高倍率電池的特點(diǎn)就是能夠大倍率放電,其正負(fù)極體系主流還是鈷酸鋰和石墨體系,當(dāng)然活性材料的顆粒度均比常規(guī)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(yīng)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(dǎo)率很高。而隔離膜,主要以高孔隙率、高透氣度為主。
圖2 高倍率電池正極顆粒對(duì)比
圖3 高倍率電池負(fù)極顆粒對(duì)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(shì)必要添加更多的導(dǎo)電劑來(lái)提升極片的電子電導(dǎo),通常,導(dǎo)電劑都是多種導(dǎo)電劑的混合。
總的說(shuō)來(lái),在材料體系方面,為了實(shí)現(xiàn)倍率放電,在電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo)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(gè)化學(xué)體系比較活躍,化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速度要快,從另外一方面來(lái)講,就是一旦出現(xiàn)內(nèi)部,熱失控更容易發(fā)生。
高倍率電池由于放電電流比較大,因此,內(nèi)部溫升比較高,一般在放電末期,電池表面的溫度會(huì)去到60℃以上,此時(shí),電芯內(nèi)部的溫度可能會(huì)去到接近80℃的水平,更加加劇了電池內(nèi)部的一些副反應(yīng)發(fā)生,堵塞離子通道,同時(shí),部分溶劑氣化破壞界面,SEI重組損耗電解液,內(nèi)阻增大,倍率下降,循環(huán)性能會(huì)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(gè)共同點(diǎn):均需要刀模模切。相對(duì)來(lái)說(shuō),疊片工藝由于每一片都是模切出來(lái),刀模接觸周長(zhǎng)更長(zhǎng),其出現(xiàn)毛刺和掉粉的幾率更大;再者,疊片電池在極耳焊接時(shí)容易拉扯導(dǎo)致錯(cuò)位,見(jiàn)圖4和圖5。
圖4 錯(cuò)位
圖5 毛刺
而多極耳工藝同樣也存在類似的問(wèn)題,畢竟極片經(jīng)過(guò)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(qiáng)度會(huì)低于普通隔膜,抗毛刺、粉塵等風(fēng)險(xiǎn)要弱,因此,兩種工藝在安全性能上來(lái)說(shuō)要低于普通的數(shù)碼類電池。只是相對(duì)于疊片電池來(lái)說(shuō),多極耳工藝會(huì)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(shí)不可能全檢大電流放電性能,基本都是采用的是小電流來(lái)檢測(cè)容量、電壓平臺(tái)等,其實(shí)這根本不能很好的解決電池在大電流放電時(shí)的一致性。我之前做過(guò)研究,設(shè)計(jì)一款60C倍率放電的電池,其在35C放電時(shí)放電曲線一致性很好,但是一旦倍率擴(kuò)大到55C,放電嚴(yán)重出現(xiàn)不一致,見(jiàn)圖6和圖7:
圖6 35C放電曲線
圖7 55C放電曲線
不一致性因?yàn)殡娏髟龃蠖鴶U(kuò)大,這樣很容易導(dǎo)致組合電池出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象,尤其是目前很多高倍率電池組沒(méi)有加保護(hù)板的情況下很容易因?yàn)殡姵夭灰恢露霈F(xiàn)性能衰減快、脹氣甚至起火等情況。
五、總結(jié)
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(gè)化學(xué)體系的電子電導(dǎo)和離子電導(dǎo),勢(shì)必會(huì)帶來(lái)很多缺陷,例如:倍率放電循環(huán)差、安全性能差、配組困難。怎么樣做好高倍率電池是一個(gè)需要探討的話題,尤其是倍率和安全的兼顧更是一個(gè)難題,任重而道遠(yuǎn)。
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