be_ixf; ym_202009 d_14;ct_50

创建更安全的锂离子电池

技术和性能特征锂离子电池Offer使它们成为各种消费、商业和工业应用的首选电源——从电动汽车到卫星和宇宙飞船。与其他类型的电池相比,它们在充电率、放电率、充电周期耐久性、比能量(Wh/kg)、能量密度(Wh/L)、功率密度(W/L)和比功率(W/kg)等方面都表现突出。然而,近年来它们一直出现在新闻中,因为它们会过热并着火。

由于这么多电子制造商专注于可充电,电池供电产品和设备,因此寻找更安全的锂离子电池是消耗世界各地的研究人员。

锂离子电池的发展

每一种类型的电池都是由由电解液隔开的两个不同的金属端子制成的,由此产生的电化学反应提供了电力。一端连接的材料很容易从其价电子壳层,阳极或负极放弃电子。另一端连接到需要获得电子来填充其外壳的材料,即阴极或正极。电解质本质上是一种传输介质,允许离子在电池内部从一个电极到另一个电极流动。电子通过外部电路有效地为设备供电。

由索尼制造的最早的锂离子电池使用锂 - 钴二氧化锂(LiCoO2)阴极(正极)。使用焦炭,碳形式制备阳极(负极)。后来,研究发现,石墨阳极提供具有更线性排出曲线的电池和显着更高的能量,这导致了石墨作为大多数锂离子电池中的阳极。

锂离子电池的基本电化学原理与任何其他类型的电池基本相同。当电池与负载连接时,就会发生电化学反应。

  • 正离子 - 缺少其价壳电子的那些 - 开始从阴极端子通过电解质向阳极移动,其中这些离子可以吸引电子进入其价壳。它们是“寻求”电子来平衡其正电荷并将其净电荷重置为零。
  • 在阳极端,电子被释放并通过电负载,造成电流流动。
  • 当电池被充电时,离子和电子流的方向是相反的。

这是关于阴极

很多带来锂离子电池进步的研究都专注于将更多的能量压缩到一个给定的电池包中。因此,科学家们将锂与其他元素混合,使阴极具有更强的化学活性。各种各样的锂氧化物和锂磷酸盐使得电池的特性各不相同——给每一种类型的锂离子电池一个独特的“个性”。

例如,下表说明了不同的阴极成分如何影响电池的三种特性:

  • 特定能量- 这是指电池可以存储多少能量。在每公斤电池质量上以瓦特小时计测量特定能量。
  • 特定权力-表示电池能传递多少电流,单位是瓦特/千克。
  • 安全- 这是一种衡量给定电池类型有多可能在没有热失控的情况下运行的衡量标准,导致过热,火灾或爆炸。
  • 下表中显示的值是无量纲的。在0到4的范围内,他们在这三个参数上表现出相对的表现,数字越大表示表现越好:

阴极(正电极)类型 缩写的名字 具体能量密度 具体的功率密度 安全
锂钴氧化物 LCO 4. 2 2
锂镍锰钴氧化物 LMO 3. 3. 3.
锂镍锰钴氧化物 NMC. 4. 3. 3.
磷酸亚铁锂 LFP. 2 4. 4.
锂镍钴氧化铝 NCA. 2 3. 4.
钛酸锂 低温氧化 2 3. 4.

很明显,改变锂离子电池的化学成分会从几个方面影响其整体性能。一般来说,在能源和安全之间总是有一个取舍。能量含量越高,安全事件的风险越大。这是由市场驱动的,市场需求是更小的电池提供更多的能量。

确保安全操作已成为每个制造商的关键目标,因为每个斗争也可以优化这些特征。

它也是关于电解质的

锂离子电池的另一个研究领域使用不​​同的电解质。锂离子电池和其他可充电技术之间最显着的差异是电解质。其他可充电电池,如铅酸,镍镉和镍金属氢化物,使用含水或水基电解质;锂离子使用非水电解质。相反,非水电解质使用有机溶剂。由于水分裂反应产生氧气和氢的水分裂反应,具有水电解质的可充电电池具有化学保护。具有非水电解质的锂离子电池没有内部化学保护免受过充电。

锂离子电池安全事故的最大原因是过度充电;这就是为什么锂离子电池比其他电池有更复杂的电子结构,称为电池管理系统(BMS)。BMS确保所有电池在安全的工作条件下运行,包括防止过充电、过放电、大电流和平衡单个电池的容量。此外,重要的是要注意,非水电解质是易燃的;因此如果发生安全事件,易燃的电解液会增加事件的强度。

研究人员积极研究与锂离子细胞相容的不易燃电解质,并且不会降低细胞的阳性属性。如果电解质不易易燃,而不是锂离子电池的安全性,并且电池将大大提高。

锂离子电池由诸如并行方式连接的几个单独的细胞制成。例如,笔记本电脑电池可能有三个或四个单元,而用于为汽车供电的电池具有数百个电池。

每个电池中的阳极和阴极需要彼此分开以防止内部短路。今天的电池通常使用聚合物分离材料。然而,如果电池经历机械冲击,例如掉落,则可以损坏分离材料。当甚至在一个电池中发生时,短路会导致其电解质加热。当一个细胞过热并将其热量渗透到相邻的电池中时,电池可以进入热失控,这可以煮沸电解质,导致火灾或爆炸。

使锂离子电池更安全依赖于改善每个电池的内部机械结构及其分离材料。此外,很多研究是带来了不过热或煮沸的新电解质。各种固态电解质开始用固体材料代替液体或凝胶电解质。固体的组成取决于所选择的细胞化学。在所有情况下,固体电解质将增加安全性。诀窍是确保改变不会减损锂离子电池的性能属性。

这些固态电解质消除了热失控的问题,同时也给予电池组件更多的机械强度,在某些情况下,提高了能量密度。

除了在电池水平上的改进,在电池水平上也可以做一些显著的改变来提高安全性。EaglePicher采用分层集成子系统的方法来解决电池设计问题。在电池级,EaglePicher平衡可用能量与故障传播效应的电池内给定的电池。这种权衡着眼于细胞化学和设计。在电池层面,实施了机械和电气安全措施。机械措施可能包括防止传播的热障和电池外壳的材料选择。

电子监控可以提供一个实用的手段,以避免可能的电池滥用,通过集成车载电子监控和控制单个电池。电池电子学很容易变得复杂,更适合在特定应用级别上讨论。

了解更多

请联系Eagle雷竞技raybet官网Picher Technologies,了解有关打破电池技术开发的更多信息,并了解我们的广泛阵容,我们的热量,初级和二次电池如何帮助您完成项目。raybet投注