家用吸塵器機器人、便攜式電動工具鋰電池開發生產

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家用吸塵器機器人、便攜式電動工具鋰電池開發生產

開發電動工具鋰電池應注意的事項研究

2020-07-11 16:12 admin

摘要鋰離子電池具有高比能量、長壽命、對環境友好等顯著優點,在電動工具中使用越來越廣泛。普 通的鐐、鉆、悟三元材料鋰離子電池在常溫、高溫下具有較高的循環壽命,但在低溫下的高倍率性能、配組 工藝方面有待進一步提高。為了提高放電平臺、改善低溫性能,高犠的鋰離子電池正逐漸得到使用??梢灶A 期,更安全、寬溫幅、長壽命、新型配組工藝等將成為今后的電動工具用鋰離子電池的研究熱點。

近年來,隨著電動工具的迅速發展,可充 電式電動工具產量逐年大幅增長,對可充電池 的需求量顯著提高。據有關信息,已經增至年 需求量約5億只電池。因此,世界各國都在致 力于開發電動工具用綠色環保型鋰離子電池, 鋰離子電池是一種先進的化學儲能裝置,具有 比能量高、循環壽命長和對環境友好等顯著優 點。然而,鋰離子電池高的高比能量就意味著 高的危險性,所以安全問題一直制約著鋰離子 電池的應用
⑵。目前一些高倍率設計的鋰離子 電池已經進入電動工具的應用,在這些電池中都' 不采用熱穩定性較差的鉆酸鋰作為正極材料叫 而鐐、鉆、橘三元材料在電動工具領域具有相 對比較明顯的優勢,近幾年得到了快速發展。 目前中國電動工具生產量占世界總產量的80% 以上,而且每年對歐美均有大量的岀口。
1電動工具用三元鋰離子電池的主要特 性
目前,電動工具用的三元鋰離子電池是指 正極材料釆用鐐、鉆、鎰混合氧化物制備的鋰 離子電池,一般都經過串并聯組合使用(圖1)。 單體電池規格主要有18650,而22430、22650、 26650等目前使用較少。電動工具正常使用時 電流較大,使用時還經常碰到堵鉆、卡鉆等異 常情況,這時電流較大,所以電動工具用鋰離 子電池與一般數碼類鋰離子電池要求不同,電 池要求除了具有高倍率連續放電性能,還必須 具有更高倍率的脈沖放電性能。

a) 18650單體電池
b) 4串電池組
c) 5串電池組

1.1高功率
電動工具中使用的鋰離子電池一般都要求 具有較高的功率特性。小型的電動工具(如螺 絲批等)可以單支使用,電池放電要求在5C 倍率左右。槍鉆的使用要求單體電池放電電 流不大于10C倍率,同時可以20C連續放電,
30C脈沖放電。圖2是3、3、3比例的三元材 料典型曲線圖。
4. 5
4

1.2長壽命

三元鋰離子電池具有較長的循環壽命。循 環可以在兩種條件下分別測試,一種是常溫 23土3C條件,另一種是55C高溫條件測試。 大部分電動工具的使用電流不到10C,所以我 們在測試時按照I0C放電的標準進行測試。
通過優選負極及電解液、適當降低極片面 密度、延長極片長度、增加極耳數量等措施, 提高電池的循環壽命。在常溫條件下一般1C 充10C放電循環1000次,容量保持初次容量 的80%以上(圖3a)。
由于鋰離子電池在高溫下加速負極表面 的SEI膜在電解液中的溶解,所以電池在高溫 下的循環壽命不如常溫。采取優選電解液、優 化化成工藝、老化工藝等措施,提高負極表面 SEI膜的致密性,減緩表面的SEI膜在電解液 中的溶解,使三元鋰離子電池即使在55C高溫 條件下,1C充10C放電循環300次,容量也

能保持在88%以上, 一般鎰酸鋰電池 很難達到這樣的性能。
  
循環次數(次)
b) 55。循環
 
1.3高安全
電池能通過針刺、擠壓、重物撞擊等安全 性能測試項目,測試時電池應不起火、不爆炸。
同時電池還能通過過充、過放、短路、高溫、 溫度沖擊、低氣壓等安生性能項目測試。試驗 時電池應不起火、不爆炸。

a)針刺時
b)擠壓時
圖4電動工具用三元鋰離子電池的安全測試

C)重物撞擊后
1.4 一致性要求 聯后組合使用。為了延長使用壽命和提高安全
電動工具用鋰離子電池一般都是經過串并 可靠性,這就要求電池組中各單體電池之間具

有較高的一致性。一致性不僅只是要求使用初 期的電池組內單體電池間的性能一致性,而且 最好能確保整個使用壽命周期內性能一致。目 前,以18650電池為例,在電動工具中使用一 般要求電池組初期電池容量偏差W 20mAh,電 壓差W 10mV,內阻差V ImQ0
我們曾做過這樣的試驗,將1300mAh的 三元動力型電池按照上述要求配成4串電池組, 再將其中的個別電池人為充放一定量的電,使 其不一致,再進行1C充10C放電循環測試比 較。充放電電壓范圍為16.8V ~ 11V。A、B、C、 D不帶保護板,E帶保護板且有均衡功能。
圖5中,A :正常配組的4串電池組;B : 其中1支電池放電50mAh ; C :其中1支電池 充電50mAh ; D :其中1支電池放電50mAh, 另一支放電80mAh ; E :帶保護板且有均衡功 能正常電池組。

電池組配組時容量差 在50mAh以內,1C充10C放電循環壽命在 500次內基本一致,A、B、C三條曲線基本重 合,循環500次容量保持80%以上。容量差達 到80mAh時循環壽命明顯偏低,只能保持438 次循環,容量保持80.14%以上,循環497次 容量只有不到60.14%。保護板帶均衡功能的電 池組壽命明顯好于其他電池組,循環500次容 量保持89.89%O

1不同狀態4串電池組在充滿電時組內最大電壓差
電池組 第1次 (mV) 第300次
(mV)
第500次
(mV)
A 7.3 15.6 18.6
B 32.1 27.4 41.3
C 32.2 28.0 41.6
D 61.3 65.2 80.2
E 6.2 8.3 7.1
 
表1是以上電池組充電到16.8V時的電壓 差。容量差在20mAh以內,第1次充電電壓 差在10mV以內,循環500次電壓差在20mV 以內。容量差在50mAh左右的B組和C組, 第1次充電電壓差在32mV,循環500次電壓 差在41mVo容量差在80mAh左右的D組, 第1次充電電壓差在61mV,循環500次電壓 差在80mVo而帶保護板的E組電池組的第1 次充電電壓差為6mV,循環500次后電壓差為 7mV,循環前后幾乎沒有變化。
由此可見,從延長電池使用壽命角度出發, 當電池組在配組時容量范圍在50mAh以內, 最好配帶均衡功能的保護板。
1.5荷電保持
鋰離子電池的荷電保持可以從兩方面進行 測試其性能,一是滿電態荷電保持,二是半電 態荷電保持。
電動工具用三元鋰離子電池具有較好的荷 電保持性能,擱置第一個月容量損失最大,第 二個月起開始減緩。從圖6可以看岀,滿電態 電池擱置12個月,荷電保持70%以上。半電 態擱置電池荷電保持性能更好,可以達到90% 以上。
 
2高鎰鋰離子電池的主要特征 4.5

由于車孟資源豐富,制備的材料價格低廉、 放電平臺高、安全性高等特點受到大家高度關 注。但高鎰鋰離子電池如何確保循環壽命好、 高溫性能好,需要在材料制備及電池制備工藝 等方面有所突破。近幾年,江蘇海四達電源股 份有限公司對此展開了研究。
純鎰酸鋰正極材料由于其比容量偏低、壓 實密度低、高溫性能存在缺陷等原因較少單獨 使用。為了提高電池的放電平臺、改善低溫性 能。我們用不同型號的高鎰材料進行對比試驗, 設定A為用進口高鎬材料制備的電池,B為國 內某甲廠家生產的倍率型高鎰材料制備的電池, H為國內某乙廠家生產的倍率型高鎰材料制備 電池,T為普通三元材料制備電池。取這四種 電池進行性能測試比較。
2.1放電性能
常溫下,高鎰鋰離子電池的10C放電的中 值電壓為3.517V,普通三元電池10C放電的 中值電壓為3.393V,高鎰鋰離子電池平臺比普 通三元高(圖7a),在電動工具使用中體現為 輸出功率高。在-IOC條件下高鎰鋰離子電池 的10C放電的中值電壓為3.291V,放電初期 的最低電壓為3.048V,普通三元電池10C放 電的中值電壓為3.154V,放電初期的最低電壓 為2.63V,在低溫條件下使用效果明顯好于普 通三元電池(圖7b)。在北方氣溫偏低的地區 或對電池使用高溫要求不高的工具上使用具有
1000 1500
放電容量(mAh)
b) -IOC 10C放電曲線
圖7高鎰電池與普通三元電池10C放電比較曲線
較好的效果。
2.2荷電保持比較
將電池測試初始容量后再充滿電,分別在 常溫23'C和高溫55C條件下擱置28天,再分 別測試容量,計算荷電保持(表2)。從表中可 以看出,常溫下普通三元與進口高鎰電池的荷 電保持略好于國產高鎰電池,而在高溫條件下 普通三元的荷電保持最好。高銃電池中,進口 高車孟相對最好。

高錠電池的高溫循環明 顯不如普通三元電池的高溫性能。進口高鎰電 池的高溫性能好于國產高錠電池。
由于純鎰酸鋰在55 °C以上會發生Jahn- teller效應,容量會衰減很快,雖然各廠家都在 對鎬酸鋰進行改性,其高溫性能有所提高,但 純鎰酸鋰材料制成的電池高溫下倍率放電壽命 與三元比還有較大的差距。三種高鎰材料從目 前做成電池測試的情況看,其高溫性能均不如 三元。此類電池不適合配套長期在高溫條件下 使用的電動工具中。

3存在問題及今后的發展方向

3.1存在問題
目前鋰離子電池在電動工具使用中還存在 如下主要問題:

3.1.1安全問題
電池在經受熱沖擊、針刺、擠壓、過充、 短路等情況時如果溫度較高,會導致電池負極 表面的SEI膜發生分解間,高度嵌鋰的負極材 料會與電解液發生放熱反應,電池開始進入危 險期,如果電池散熱速度慢,導致電池內部溫 度進一步上升,隔膜熔化,電池內部發生短路, 溫度急劇升高,引發正極材料參加反應,最后 發生爆炸等安全事故,這個過程一般稱為“熱 失控”叫鋰離子電池的熱失控是鋰離子電池 發生惡性事故的最主要因素。
電動工具用鋰離子電池經過多年的發展, 安全性能得到了很大的提高。已有多個標準對 鋰離子電池的安全性進行檢驗和評價。但眾多 的檢測方法標準只規定了在150C以下的檢測, 還沒有對電池溫度高于150C時的危害程度進 行評判。而電池內部發生熱失控是造成電池高 溫的主要原因。如能深入了解鋰離子電池的熱 失控機理,采取相應的防范措施就能有效地提 高鋰離子電池的本質安全。

3.1.2低溫下的高倍率性能
三元鋰離子電池的高倍率性能通常指常溫 下的高倍率性能,由于鋰離子電池的電解液是 有機電解液,在考慮高倍率性能時低溫性能會 受到影響。雖然經過優化電解液配方的改進, 低溫性能有了較大的改善,仍達不到常溫下的 使用效果。這就使得電動工具在特低溫下(一 般指在-2(rc以下)使用受到一定的限制。

3.1.3配組工藝
雖然鋰離子電池組在電動工具上使用時保 護板功能中大都考慮用均衡來彌補電池組失衡 導致的過充、過放。電動工具用鋰離子電池在 配組時還要考慮容量、內阻、荷電保持的一致性。 這是靜態的一致性,但僅僅這些條件還遠遠不 夠,使用時必須是動態的一致性。也就是說同 組電池在不同倍率、不同溫度等使用條件下充 電、放電、擱置及整個使用壽命周期都保持良 好的一致性。因此配組工藝的進一步優化是保 證電池組在使用壽命周期內具有良好一致性的 有效保障。

3.2今后的發展方向
近幾年來,人們在電動工具用鋰離子電池 的安全性能及電性能方面進行了大量的研究, 取得了很大的進步。電動工具用鋰離子電池在 安全性能方面可完全滿足IEC 62133-2002、 UL 1642—2007、UN 38.3等標準中的相關要 求,但需進一步提高電池本質安全性,避免電 池發生熱失控時引發傷害事故。如何提高電池 的安全性涉及到材料、電池制造工藝、制造質 量控制水平等許多方面。隨著人們對安全和環 保要求的不斷提高,鋰離子電池將在電動工具 領域得到廣泛使用。鋰離子電池在電動工具上 使用己從3串使用發展到8串及10串,由于電 動工具各家制造商對鋰離子的特性在理解上有 所不同,所以對鋰離子電池組的要求也有所不 同,對電池組內的單體電池間的一致性提出了 更高的要求。鋰離子電池組配紙工藝的優化也 將成為未來新的研究熱點。為了使電動工具更 能適用不同地區不同季節使用,對電池在高低 溫下的性能要求更高,高鐳鋰離子電池能寬溫 幅高倍率的使用將會引起人們的關注,高錠鋰 離子電池將會在電動工具中得到廣泛的應用。

 


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