鉅大LARGE | 點擊量：1485次 | 2019年04月14日
鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ?/h1>
清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室、動力電池安全研究室、歐陽明高教授項目組與創(chuàng)為新能源達成合作研發(fā)意向。
清華大學(xué)動力電池安全研究室長期致力于鋰離子電池及先進材料和新型化學(xué)電源方面的研究，并取得了大量的研究成果，先后承擔(dān)和完成多項國家項目，承擔(dān)多項國家自然科學(xué)基金項目、863、973項目、科技部國際合作項目等。實驗室在鋰離子電池氧化物正極材料、含硫聚合物正極材料、合金負極材料、凝膠電解質(zhì)、高比能量鋰硫電池、磷酸鐵鋰動力電池、鈦酸鋰動力電池及高安全性動力電池等方面進行了大量深入的研究工作，取得了系列研究成果。
煙臺創(chuàng)為新能源科技有限公司(簡稱：“創(chuàng)為新能源”)，在電池安全方面有較為深入的研究，致力于動力電池?zé)崾Э丶夹g(shù)的研究，依靠專有技術(shù)——動力電池?zé)崾Э啬Ｐ?，研發(fā)了具有智慧內(nèi)核的電池箱專用自動滅火器。公司堅持以創(chuàng)新、安全、通用、可靠為產(chǎn)品理念，不斷升級、迭代，形成了“研發(fā)一代、儲備一代、生產(chǎn)一代”產(chǎn)品體系。另外，創(chuàng)為新能源設(shè)有產(chǎn)品工程院和技術(shù)研究院，緊跟新能源行業(yè)發(fā)展趨勢，與一線新能源汽車企業(yè)、電動汽車企業(yè)、動力電池企業(yè)保持密切合作。
創(chuàng)為新能源參加了第一屆全國鋰離子電池安全性技術(shù)研討會暨國際論壇。作為國內(nèi)動力電池?zé)崾Э仡A(yù)警及安全技術(shù)的最早研究者和電池箱專用自動滅火裝置的創(chuàng)領(lǐng)者，創(chuàng)為新能源首創(chuàng)“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ汀保I(lǐng)電池箱熱失控監(jiān)測及自動滅火技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
創(chuàng)為新能源技術(shù)總監(jiān)李明明在論壇上做了創(chuàng)為“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ汀奔夹g(shù)應(yīng)用及案例分析的學(xué)術(shù)報告，將創(chuàng)為近幾年在鋰離子電池?zé)崾Э胤矫娴目蒲泄ぷ骷俺晒隽藚R報。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
創(chuàng)為鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ蜑闄M向、縱向、垂向三維，縱向為多傳感器的數(shù)據(jù)冗合，即對多組同環(huán)境下的傳感器數(shù)據(jù)進行多次擬合，模擬不同材料、不同環(huán)境的數(shù)據(jù)表征曲線，可靠準確的判斷火情階段;橫向為對傳感器的歷史數(shù)據(jù)進行連續(xù)時間算法，排除噪聲干擾，有效解決了傳統(tǒng)的閾值法監(jiān)測方式的漏報、誤報、預(yù)警滯后問題，實現(xiàn)早期可靠預(yù)警;垂向采用穿刺、鈍針積壓等不同方法模擬不同類型不同容量動力電池?zé)崾Э剡^程。通過三維融合，用數(shù)學(xué)手段，以大量實驗及真實運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，歸納熱失控導(dǎo)致的各種變量之間的內(nèi)在關(guān)系，采用神經(jīng)學(xué)原理，形成極早期、高可靠、自運行的“鋰離子電池?zé)崾Э啬Ｐ汀?，實現(xiàn)電池火災(zāi)隱患的早期預(yù)警和智能控制。大量實車運行中發(fā)生的預(yù)警實例證明了此模型的有效性和先進性。
在此次報告中，創(chuàng)為電池箱專用自動滅火裝置在實車運行中發(fā)現(xiàn)的多次漏液等熱失控預(yù)警實例，受到了清華大學(xué)及眾多參會專家和技術(shù)人員的高度關(guān)注，創(chuàng)為技術(shù)也受到業(yè)內(nèi)專家的一致認可和好評。
創(chuàng)為新能源受邀參觀清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室、動力電池安全研究室
會后，清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室、動力電池安全研究室、歐陽明高教授項目組馮旭寧博士特別邀請創(chuàng)為新能源到清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室、動力電池安全研究室參觀，并就合作研發(fā)事宜就行初次溝通。
本文將《手把手帶你認識鋰離子電池》，該文章共分為四篇，我們將分期發(fā)表，其為第一篇。
一、前言
這里所說的鋰離子電池特指可反復(fù)充電的二次鋰離子電池，而不是用完就扔的一次電池。
鋰離子電池分布在我們生活的每一個角落，其應(yīng)用領(lǐng)域包括手機、平板電腦、筆記本電腦、智能手表、移動電源(充電寶)、應(yīng)急電源、剃須刀、電動自行車、電動汽車、電動公交車、旅游觀光車、無人機，以及其他各類電動工具。作為電能的載體和眾多設(shè)備的動力來源，可以說，離開了鋰離子電池，當今的物質(zhì)世界就玩不轉(zhuǎn)了(除非我們想倒退回幾十年前)。那么，鋰離子電池到底是什么鬼?
本文不科普電池的基本原理和發(fā)展歷史，有興趣的請百度查詢，這里頭有很多故事。物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論，被愛因斯坦之前的那一波人基本上搞得七七八八了，電池跟這兩個領(lǐng)域直接相關(guān)，與電池有關(guān)的理論，在二戰(zhàn)之前就已經(jīng)研究的差不多了，二戰(zhàn)以后并無大的創(chuàng)新。作為電池技術(shù)的一種，鋰離子電池的相關(guān)理論研究，近年來也沒有什么突破性進展，大多數(shù)研究都集中在材料、配方、工藝等方面，也就是如何提高產(chǎn)業(yè)化的程度，研究出性能更優(yōu)異的鋰離子電池(存儲能量更多，用的更久)。
很多人在使用鋰離子電池，很多人在研究鋰離子電池的產(chǎn)品應(yīng)用(如上面提到的產(chǎn)品)，可是大多數(shù)人對鋰離子電池知之甚少，或者總是霧里看花，不得要領(lǐng)。寫本文的目的，不是為了給做鋰離子電池研發(fā)的人看的，而是給那些在產(chǎn)品里面用到鋰離子電池的工程技術(shù)人員或者鋰離子電池的使用者看的。所以本文力求通俗易懂，盡量不使用專業(yè)化的術(shù)語和公式，希望在輕松閱讀之余，能夠提升大家對鋰離子電池的認識，起到答疑解惑的作用。
作者本人不是鋰離子電池領(lǐng)域的專家，沒有從事過鋰離子電池單體的技術(shù)或產(chǎn)品研發(fā)，但曾長期從事鋰離子電池的應(yīng)用技術(shù)研究，因此希望站在“用戶”的角度，來闡述我對鋰離子電池的認識。普通用戶，通常把鋰離子電池直接叫作鋰電池，雖然兩者并不完全等同，但鋰離子電池確實是當前鋰電池的絕對主體。
文中大部分的內(nèi)容，都不是本人的原創(chuàng)，而是已經(jīng)存在的知識，站在巨人的肩膀上，我們要做的僅僅是站直身體，抬起頭，世界就在我們眼前。
二、鋰離子電池的基本原理
1.如何選擇能量的載體
首先大家會問，為什么選擇鋰元素作為能量載體?
好吧，雖然我們不想去回顧化學(xué)的知識，可是這個問題必須得去元素周期表找答案，好在，大家總還記得元素周期表吧?!實在不記得，我們就花一分鐘來看看下面的表吧。
要想成為好的能量載體，就要以盡可能小的體積和重量，存儲和搬運更多的能量。因此，需要滿足下面幾個基本條件：
1)原子相對質(zhì)量要小
2)得失電子能力要強
3)電子轉(zhuǎn)移比例要高
基于這3項基本原則，元素周期表上面的元素比下面的元素要好，左邊的元素比右邊的元素要好。初步篩選，我們只能在元素周期表的第一周期和第二周期里面去找材料：氫、氦、鋰、鈹、硼、碳、氮、氧、氟、氖。排除惰性氣體和氧化劑，只剩下氫、鋰、鈹、硼、碳，這5個元素。
氫元素是自然界最好的能量載體，所以氫燃料電池的研究一直方興未艾，代表了電池領(lǐng)域一個非常有前途的方向。當然，如果核裂變技術(shù)在未來幾十年能夠取得重大突破，可以做到小型化甚至微型化，那么便攜式的核燃料電池將會有廣闊的發(fā)展空間。
接下來就是鋰了，選擇鋰元素來做電池，是基于地球當前的所有元素中，我們能夠找到的相對優(yōu)解(鈹?shù)膬α刻倭?，是稀有金屬中的稀有金?。氫燃料電池與鋰離子電池的技術(shù)路線之爭，在電動汽車領(lǐng)域打的如火如荼，大概就是因為這兩種元素，是我們目前能夠找到的比較好的能量載體。當然，這里面還牽涉到很多的商業(yè)利益，甚至政治博弈，這些不是本文要討論的范疇。
順便說一下，自然界中已經(jīng)存在的，并為人類廣泛使用的能源，比如石油、天然氣、煤炭等，其主要成分也是碳、氫、氧等元素(在元素周期表的第一周期和第二周期)。所以不管是自然的選擇，還是人類的“設(shè)計”，最終都是殊途同歸的。
2.鋰離子電池的工作原理
下面講講鋰離子電池的工作機理。這里不闡述氧化還原反應(yīng)，化學(xué)基礎(chǔ)不好的，或者已經(jīng)把化學(xué)知識還給老師的人，看到這些專業(yè)的東西就會頭暈，所以我們還是搞點直白的描述。這里借用一張圖，這張圖比較容易讓人理解鋰離子電池的原理。
我們按照使用的習(xí)慣，根據(jù)充放電時的電壓差區(qū)分正極(+)和負極(-)，這里不講陽極和陰極，費時費力。這張圖上，電池的正極材料是鈷酸鋰(LiCoO2)，負極材料是石墨(C)。
充電的時候，在外加電場的影響下，正極材料LiCoO2分子里面的鋰元素脫離出來，變成帶正電荷的鋰離子(Li+)，在電場力的作用下，從正極移動到負極，與負極的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成LiC6，于是從正極跑出來的鋰離子就很“穩(wěn)定”的嵌入到負極的石墨層狀結(jié)構(gòu)當中。從正極跑出來轉(zhuǎn)移到負極的鋰離子越多，這個電池可以存儲的能量就越多。
放電的時候剛好相反，內(nèi)部電場轉(zhuǎn)向，鋰離子(Li+)從負極脫離出來，順著電場的方向，又跑回到正極，重新變成鈷酸鋰分子(LiCoO2)。從負極跑出來轉(zhuǎn)移到正極的鋰離子越多，這個電池可以釋放的能量就越多。
在每一次充放電循環(huán)過程中，鋰離子(Li+)充當了電能的搬運載體，周而復(fù)始的從正極→負極→正極來回的移動，與正、負極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了電荷的轉(zhuǎn)移，這就是“鋰離子電池”的基本原理。由于電解質(zhì)、隔離膜等都是電子的絕緣體，所以這個循環(huán)過程中，并沒有電子在正負極之間的來回移動，它們只參與電極的化學(xué)反應(yīng)。
3.鋰離子電池的基本構(gòu)成
要實現(xiàn)上述的功能，鋰離子電池內(nèi)部需要包含幾種基本材料：正極活性物質(zhì)、負極活性物質(zhì)、隔離膜、電解質(zhì)。下面做簡單論述，這些材料都是干嘛的。
正負極不難理解，要實現(xiàn)電荷移動，就需要存在電位差的正負極材料，那么什么是活性物質(zhì)?我們知道，電池實際上是將電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)能量的存儲和釋放。要實現(xiàn)這個過程，就需要正負極的材料很“容易”參與化學(xué)反應(yīng)，要活潑，要容易氧化和還原，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以我們需要“活性物質(zhì)”來做電池的正負極。
上面已經(jīng)提到，鋰元素是我們做電池的優(yōu)選材料，那么為什么不用金屬鋰來做電極的活性物質(zhì)呢?這樣不是可以達到最大的能量密度嗎?
我們再看上面這張圖，氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構(gòu)成了非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)(圖中的比例和排列僅作參考)，負極石墨的碳原子排列也具有非常穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)。正負極材料不但要活潑，還要具有非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，才能實現(xiàn)有序的，可控的化學(xué)反應(yīng)。不穩(wěn)定的結(jié)果是什么?想想汽油燃燒和炸彈爆炸，能量劇烈釋放，這個化學(xué)反應(yīng)的過程實際上是無法人為去精確控制的，于是化學(xué)能變成了熱能，一次性把能量釋放完畢，而且不可逆。
金屬形態(tài)存在的鋰元素太“活潑”了，調(diào)皮的孩子多半都不聽話，喜歡搞破壞。早期針對鋰電池的研究，確實是集中以金屬鋰或其合金作為負極這個方向，但是因為安全問題突出，不得不尋找其他更好的路徑。近年來，隨著人們對能量密度的追求，這個研究方向又有“滿血復(fù)活”的趨勢，這個我們后面會講到。
為了實現(xiàn)能量存儲和釋放過程中的化學(xué)穩(wěn)定性，即電池充放電循環(huán)的安全性和長壽命，我們需要一種電極材料，在需要活潑的時候活潑，在需要穩(wěn)定的時候穩(wěn)定。經(jīng)過長期的研究和探索，人們找到了幾種鋰的金屬氧化物，如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料，作為電池正極或負極的活性物質(zhì)，解決了上述問題。如上圖所示，磷酸鐵鋰的橄欖石結(jié)構(gòu)也是一種非常穩(wěn)定的正極材料結(jié)構(gòu)，充放電過程中鋰離子的脫嵌，并不會造成晶格坍塌。題外話，鋰金屬電池確實是有的，但與鋰離子電池相比，幾乎可以忽略不計，技術(shù)的發(fā)展，最終還是要服務(wù)于市場。
當然，在解決了穩(wěn)定性問題的同時，也帶來了嚴重的“副作用”，就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低，能量密度降了不止一個數(shù)量級，有得必有失，自然之道啊。
負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質(zhì)，也是遵循上述的原則，既要求是好的能量載體，又要相對穩(wěn)定，還要有相對豐富的儲量，便于大規(guī)模制造，找來找去，碳元素就是一個相對優(yōu)解。當然，這并不是唯一解，針對負極材料的研究很廣泛，后面有論述。
電解質(zhì)是干嘛的?通俗的講，就是游泳池里面的“水”，讓鋰離子能夠自由的游來游去，所以呢，離子電導(dǎo)率要高(游泳的阻力小)，電子電導(dǎo)率要小(絕緣)，化學(xué)穩(wěn)定性要好(穩(wěn)定壓倒一切啊)，熱穩(wěn)定性要好(都是為了安全)，電位窗口要寬。基于這些原則，經(jīng)過長期的工程探索，人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、和必要的添加劑等原料，在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質(zhì)。有機溶劑有PC(碳酸丙烯酯)，EC(碳酸乙烯酯)，DMC(碳酸二甲酯)，DEC(碳酸二乙酯)，EMC(碳酸甲乙酯)等材料。電解質(zhì)鋰鹽有LiPF6，LiBF4等材料。
隔離膜則是為了阻止正負極材料直接接觸而加進來的，我們希望把電池做的盡可能的小，存儲的能量盡可能的多，于是正負極之間的距離越來越小，短路成為一個巨大的風(fēng)險。為了防止正負極材料短路，造成能量的劇烈釋放，就需要用一種材料將正負極“隔離”開來，這就是隔離膜的由來。隔離膜需要具有良好的離子通過性，主要是給鋰離子開放通道，讓其可以自由通過，同時又是電子的絕緣體，以實現(xiàn)正負極之間的絕緣。目前市場上的隔膜主要有單層PP，單層PE，雙層PP/PE，三層PP/PE/PP復(fù)合膜等。
4.鋰離子電池的完整材料構(gòu)成
除了上面提到的4種主要材料之外，要想把鋰離子電池從實驗室的一個“實驗品”變成一個可以商業(yè)化應(yīng)用的產(chǎn)品，還需要其他一些不可或缺的材料。
我們先看電池的正極，除了活性物質(zhì)之外，還有導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑，以及用作電流載體的基體和集流體(正極通常是鋁箔)。粘結(jié)劑要把作為活性物質(zhì)的鋰金屬氧化物均勻的“固定”在正極基帶上面，導(dǎo)電劑則要增強活性物質(zhì)與基體的電導(dǎo)率，以達到更大的充放電電流，集流體負責(zé)充當電池內(nèi)外部的電荷轉(zhuǎn)移橋梁。
負極的構(gòu)造與正極基本相同，需要粘結(jié)劑來固定活性物質(zhì)石墨，需要銅箔作為基體和集流體來充當電流的導(dǎo)體，但因為石墨本身良好的導(dǎo)電性，所以負極一般不添加導(dǎo)電劑材料。
除了以上材料外，一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體(鋁，鋼，復(fù)合膜等)，以及其他一些輔助材料。
5.鋰離子電池的制作工藝
鋰離子電池的制作工藝比較復(fù)雜，此處僅就部分關(guān)鍵工序做簡單描述。根據(jù)極片裝配方式的不同，通常有卷繞和疊片兩種工藝路線。
疊片工藝是將正極、負極切成小片與隔離膜疊合成小電芯單體，然后將小電芯單體疊放并聯(lián)起來，組成一個大電芯的制造工藝，其大體工藝流程如下：
卷繞工藝是將正負極片、隔離膜、正負極耳、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設(shè)備上，設(shè)備經(jīng)過放卷完成電芯制作。
鋰離子電池的常見外形主要有圓柱形和方形，根據(jù)殼體材料不同，又有金屬外殼和軟包外殼等。
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