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液态锂离子与聚合物锂离子电池对比介绍

2018-11-12 16:15:00
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影响锂离子电池的性能的因素主要包括材料和制造工艺两个方面,其中材料又包括正负极活性物质、正负极隔离层等.本文主要从以下几个方面对其进行对比. 
一、 正负极活性物质 
目前二次锂离子电池广泛使用的负极材料主要包括石墨化负极材料和嵌锂人造碳(包括高分子化合物MCMB、碳纤维和焦碳等)两大类.前者主要应用于液态锂离子电池,后者则多用于追求高容量体积比的铝壳电池,在聚合物锂离子电池也有较广泛的应用.前者颗粒大,碳层间距小,后者则颗粒较小,碳层艰巨大.由于电池电极中颗粒之间大多为点接触,因此小颗粒碳负极电阻比大颗粒碳负极的大,同时颗粒过大,在大电流充放电过程膨胀收缩过大也会影响锂离子电池的安全性能.因此我公司采用的负极为大小颗粒按照一定比例配比形成的混合态,达到了扩大颗粒之间接触面积、降低电极阻抗、增加电极容量、减少析锂的目的. 
二、正负极隔离层 
目前各个公司液态锂离子电池使用的是锂盐溶解于两至四种有机溶剂的混合溶液而形成的电解液,其在常温下为液态,电导率一般为10-2S/cm数量级.而聚合物锂离子电池包括固体聚合物电解质和凝胶聚合物两种,前者可以将电解质做得非常薄,因此作成的电池可以是任意形状而且不会存在液态锂离子电池很有可能存在的漏液情况,并且固态的电解质可以避免充放电过程中锂枝晶的形成,有阻于提高电池循环寿命和安全性能但是,固态电解质在45℃时电导率仅为10-5S/cm左右,而在20℃下电导率则为10-8 S/cm左右,因此此类电池仅限于高温小电流情况下的使用使用(80℃下0.15C放电效率接近100%),实际上目前并使用固体聚合物电解质的商品化电池存在.而凝胶态电解质则是在固体聚合物电解质中加入过量的有机溶剂作为增塑剂,使原来的固体聚合物电解质变成凝胶状而形成.这种电解质的电导率比原来提高了2个数量级达到常温下10-5 S/cm,最好的可以达到10-3 S/cm,接近液态锂离子电解质的电导率,因而使其应用于规模化生产成为可能,但是此中电解质有可能发生冗余有机溶剂以分子态溢出的情况,在高低温的情况下则更为明显,一旦冗余有机溶剂溢出过多,则电解质会重新变成固体聚合物电解质,因此此类聚合物电池也象液态锂离子电池一样须注意漏液问题,同时即使对外不漏液在高低温循环时也容易发生有机溶剂从凝胶态电解质渗出而使电解质破坏的问题. 
三、制造工艺 
由于锂离子聚合物电池的本身特性,在实际制作时几乎全部使用叠层结构,叠层结构有利于降低电池内阻,提高电池大电流放电能力,但由于制造工艺和应用条件限制,本身不可能制成很大而薄的电池,在作为锂离子动力实际使用时,由于单层容量小,往往使叠层层数达到50层以上,如果不能实现全自动化生产,由于单层重量轻,在制作过程中对单层分档相当困难,过多的叠层数量使得单体电池内单层电芯并联的一致性较差,也使得成品电池的充放电效率不一致,降低了成品电池配对的综合性能。而目前液态锂离子电池在内部结构上主要采用少数几个卷绕式电芯并联,并联数量少,单个卷芯重量大,配对较为容易,只要能实现真正量产,电池内部卷芯的一致性可以达到99。99%以上,只要采用适当的分选工艺,制成的成品电芯配对时可以保证较高的综合可靠性能。 
四、安全性能 
锂离子电池由于高电压的要求,电解质中采用了在非水剂的有机溶剂(EC、PC、DEC、EMC、DMC等),此类有机溶剂在高温状态下可能引起着火燃烧的情况,一旦电池处于内部短路、外部短路、过充电、热箱等环境时电池内压热过大、内热过高,达到有机溶剂的着火点,就会引燃有机溶剂,使电池泻放,严重的会引起着火燃烧和爆炸的现象,因此对于锂离子电池来说有效的散热和危险时的自就成为制约安全性能的重要因素, 
1、散热 
液态锂离子电池由于内部使用了较多高比热的铜箔、铝箔,只要使用较好的内部结构,瞬间热量可以较快的扩散开,不至于产生安全性问题,而聚合物锂离子电池由于内部一般正负极基质采用了较少的铜网、铝网,散热能力较差,使得散热成为比较重要的问题. 
2、自保护功能 
液态锂离子电池的自保护功能主要体现在隔膜的自封闭性能和电池内部安装保险的方面,目前较为广泛使用的液态锂离子电池隔膜为PC-PE-PC三层复合膜,当电池内外发生短路或有过大电流通过电池时,产生的高温(125℃)使内层PE膜即可实现自封闭,整个正负极隔离层导电率小于超过10-3 S/cm,从而避免进一步升温产生危险,内部保险则包括可恢复式过流保险和不可恢复式过热保险,过流保险在大电流通过时自身内阻迅速增大,减小通过电流,从而实现保护电池的目的,过热保险则主要在电池遇到过充、内部短路等情况下,切断外部电流,隔离动力电池内部各个卷芯使危险源降低至最小,从而保证电池不至于产生危险。而聚合物锂离子电池由于本身特点,凝胶式电解质在过热时会散发出冗余有机溶剂,进一步增加内压,加剧危险的产生。。同时由于结构的原因一般不在内部安装各种保险。 
五、综合比较 
综合性能比较见下表 
液态锂离子动力电池和聚合物锂离子动力电池比较 
液态锂离子动力电池 聚合物锂离子动力电池 
体积比容量 5Ah/74cm3 5Ah/42 cm3 
重量比容量 5Ah/100g 5Ah/79g 
常温循环寿命 500次,70% 800次,70% 
-25℃存放一周后循环寿命 300次,55% 150次,54% 
+75℃存放一周后循环寿命 300次,60% 120次,57% 
内阻(5Ah电池) 17-23mΩ 17-27mΩ 
月自放电 1.2% 0.9% 
-25℃放电 93% 86% 
-40℃放电 64% 47% 
+55℃放电 98% 91% 
振动(UL标准台,4h) 内阻电压无变化 内阻电压无变化 
挤压(至短路) 冒烟 冒烟 
短路(20mΩ外部短路) 泻放、无冒烟起火 爆炸 
落下(1.8m,10次) 内阻电压无变化 电压无变化、内阻增大2mΩ 
过充(1C,6V) 泻放、无冒烟起火 冒烟 
针刺(刺穿电池) 无冒烟起火 无冒烟起火 
热箱(150℃,30min) 泻放 冒烟、着火 

注:以上内容转载自网络。 
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