鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：845次 | 2019年04月27日
使用固體電解質(zhì)能夠有效提高鋰離子電池的安全性你知道嗎？
鋰離子電池目前已成為筆記本電腦和手持系統(tǒng)能量來(lái)源（電源）的首選。隨著CPU、顯示器和DVD驅(qū)動(dòng)器對(duì)電源功率的需求持續(xù)增長(zhǎng)，高能量密度的電池組也不斷發(fā)展。同時(shí)，大批量制造工藝保證了高能量密度電池組有一個(gè)合理的價(jià)格水平。
許多新技術(shù)，在提高性能的同時(shí)也增大了系統(tǒng)的功率消耗。對(duì)生產(chǎn)電池的化工企業(yè)來(lái)說(shuō)，電池生產(chǎn)技術(shù)的實(shí)質(zhì)性進(jìn)展是很困難的，耗時(shí)長(zhǎng)、成本高。所以必須尋找尋找優(yōu)化電源保存的方法。智能電池系統(tǒng)（SBS）是出現(xiàn)的最有希望的技術(shù)，可以大大提升電池組的性能。
在計(jì)算機(jī)工業(yè)界，對(duì)鋰離子電池真是又愛(ài)又怕。在鋰離子電池應(yīng)用的早期所發(fā)生的事故，仍然讓曾涉入的公司記憶猶新。他們得到了印象深刻的教訓(xùn)：在任何情況下，都不能超過(guò)鋰離子電池的額定參數(shù)，否則肯定會(huì)引起爆炸或起火。
除電池的化學(xué)成份或電極等參數(shù)外，對(duì)鋰離子電池來(lái)說(shuō)，還有幾個(gè)確定的參數(shù)，如果超過(guò)了會(huì)使電池進(jìn)入失控的狀態(tài)。在解釋這些參數(shù)的圖表中（參考鋰離子參數(shù)圖），相應(yīng)閾值曲線外的任一點(diǎn)都是失控狀態(tài)。隨電池電壓增加，溫度閾值下降。另一方面，任何致使電池電壓超過(guò)其設(shè)計(jì)值的行為都會(huì)導(dǎo)致電池過(guò)熱。
謹(jǐn)防充電器造成危害
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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%
電池組制造商設(shè)定了幾層電池和包裝保護(hù)，以防止危險(xiǎn)的過(guò)熱狀態(tài)。但在電池使用中有一個(gè)部件可能會(huì)使這些措施失敗從而造成危害，這一器件就是充電器。
充電鋰離子電池造成危害的途徑有三種：電池電壓過(guò)高（最危險(xiǎn)的情況）；充電電流過(guò)大（過(guò)大充電電流造成鋰電鍍效應(yīng)，從而引起發(fā)熱）；不能正確地終止充電過(guò)程，或在過(guò)低的溫度下充電。
鋰離子電池充電器的設(shè)計(jì)人員采取額外的預(yù)防性措施以避免超出這些參數(shù)的允許范圍。以絕對(duì)保證系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)工作在安全的范圍內(nèi)。
例如智能電池充電器規(guī)范，允許-9%的電壓負(fù)偏差，但強(qiáng)調(diào)正偏差不得超過(guò)1%。保證了符合智能電池安全標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，偏差的正負(fù)是隨機(jī)的。所以符合此規(guī)范的設(shè)計(jì)經(jīng)常是使充電器的目標(biāo)電壓值設(shè)定在額定值的-4%附近。
由于充電電壓的不準(zhǔn)確（不管是-4%還是-9%），電池始終處于充電不足的狀態(tài)。對(duì)鋰離子電池潛在危險(xiǎn)的恐懼導(dǎo)致電池組容量的利用率很低。根據(jù)業(yè)界專家的經(jīng)驗(yàn)，即使充電后電壓只比額定值低0.05%，容量的下降卻高達(dá)15%。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
電池內(nèi)置入計(jì)算機(jī)
智能電池技術(shù)的原理是很簡(jiǎn)單的，在電池內(nèi)置入小型計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)視和分析所有的電池?cái)?shù)據(jù)，以精確預(yù)報(bào)剩余電池容量。剩余電池容量可以直接換算成便攜式計(jì)算機(jī)的剩余工作時(shí)間。與原始的僅靠電壓監(jiān)測(cè)的容量測(cè)量方法相比，可以立即使工作時(shí)間延長(zhǎng)35%。
遺憾的是，智能電池技術(shù)也就只能做到這么多了。除非可以和充電器電路互相通信，他們不可以確定其操作環(huán)境或?qū)Τ潆娺^(guò)程進(jìn)行控制。
在“智能電池系統(tǒng)”環(huán)境下，在特定的電壓和電流情況下，電池請(qǐng)求智能充電器對(duì)其進(jìn)行充電。然后，智能充電器負(fù)責(zé)根據(jù)請(qǐng)求電壓和電流參數(shù)對(duì)電池進(jìn)行充電。
充電器依靠自己內(nèi)部的電壓和電流參考調(diào)整自己的輸出，以與智能電池請(qǐng)求的值相匹配。由于這些基準(zhǔn)的不準(zhǔn)確度可達(dá)-9%，所以充電過(guò)程可能在電池只是部分充電的情況下結(jié)束。
對(duì)充電環(huán)境的更詳細(xì)了解可以揭示出更多影響鋰離子電池充電效率的問(wèn)題。即使在最理想的情況下，假設(shè)充電器的精確度為100%，充電通路上位于充電器的電池間的電阻元件引入了額外的壓降，特別是恒流充電階段。這些額外的壓降導(dǎo)致充電過(guò)程過(guò)早地從恒流進(jìn)入恒壓階段。
由于電阻引入的壓降隨電流降低會(huì)逐漸減弱，充電器最終會(huì)完成充電過(guò)程。但充電時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。恒流充電過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)移效率要高一些。
消除電阻壓降
最理想的情況是充電器的輸出準(zhǔn)確地消除了電阻壓降的影響?？赡軙?huì)有人提出這樣的解決方案，在充電過(guò)程的所有階段，智能充電器利用智能電池內(nèi)監(jiān)測(cè)電路數(shù)據(jù)監(jiān)視并校正自己的輸出。對(duì)單個(gè)電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是可行的，但對(duì)雙或多電池系統(tǒng)就不太適用了。
在雙電池系統(tǒng)中，如果可能的話，最好是同時(shí)對(duì)兩個(gè)電池進(jìn)行充放電操作。雖然電池充電是并行的，典型的只有一個(gè)SMBUS端口的充電器還是不能勝任這一工作。因?yàn)槿绻挥幸粋€(gè)SMBUS端口，充電器或其它SMBUS設(shè)備，只能同時(shí)與一個(gè)電池進(jìn)行通信。所以，理想的系統(tǒng)應(yīng)該提供兩個(gè)或更多個(gè)SMBUS端口，這樣，兩個(gè)電池就可以同時(shí)與充電器通信了。
智能電池系統(tǒng)（SBS）管理器
除提供多個(gè)SMBUS端口以外，SBS管理器技術(shù)也可以大幅提升鋰離子智能電池的性能。SBS管理器是SBS的一部分，由SBS1.1規(guī)范所定義。它代替了前一版本中定義的智能選擇器（SmartSelector)。
SBS管理器一方面提供了與驅(qū)動(dòng)器和振作系統(tǒng)端的接口，另一方面則對(duì)智能電池和充電器進(jìn)行管理。驅(qū)動(dòng)器可讀取和請(qǐng)求發(fā)送與電池、充電器和管理器本身有關(guān)的信息。規(guī)范中定義了與這一信息傳輸有關(guān)的接口。在一個(gè)多電池系統(tǒng)中，SBS管理器負(fù)責(zé)選擇系統(tǒng)電源，決定在特定的時(shí)刻對(duì)那一塊電池進(jìn)行充電或放電。簡(jiǎn)短來(lái)說(shuō)就是，SBS管理器確定對(duì)哪一塊電池進(jìn)行充電，哪一塊進(jìn)行放電，以及什么時(shí)候進(jìn)行。
一個(gè)實(shí)現(xiàn)得好的SBS管理有幾大優(yōu)點(diǎn)：更完全、更快速的充電過(guò)程、同時(shí)進(jìn)行高效充電和放電、以及對(duì)危險(xiǎn)情況（如潛在的電壓超限）的檢測(cè)和快速反應(yīng)能力。
可以監(jiān)測(cè)電池本身電壓的SBS管理器可將電池充到其真實(shí)的容量。可以避免由于智能充電器由于監(jiān)視電壓不準(zhǔn)（如前所述，一般為-4%到-9%）而造成的充電不足。此外，這一過(guò)程并不需要特別精確的基準(zhǔn)電壓（精確的電壓基準(zhǔn)是很昂貴的）。
避免使用精確電壓基準(zhǔn)的策略是利用智能電池內(nèi)部的測(cè)量電路測(cè)量電池電壓，其精度可達(dá)1%。這樣，SBS管理器可命令充電器適當(dāng)增高電壓直到監(jiān)測(cè)到的電壓達(dá)到合適的值。
實(shí)現(xiàn)得好的SBS管理器可使電池的充電過(guò)程比傳統(tǒng)充電器快16%。安全地提高充電器的輸出電壓，使其高于電池的額定電壓以補(bǔ)償由于電池的內(nèi)部電阻及回路電阻造成的壓降。通過(guò)監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部電壓并可迅速調(diào)整充電器電壓，可以實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。
何時(shí)及如何充電
SBS管理器可以決定什么時(shí)候同時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電。同時(shí)充電允許更好地利用充電器的電流進(jìn)行充電。在單電池系統(tǒng)中，當(dāng)進(jìn)入恒壓充電模式時(shí)，充電器提供的充電電流隨電池充滿程度的提高而減小。沒(méi)有用到的電流被浪費(fèi)掉了。在利用SBS管理器的雙電池系統(tǒng)中就不是這樣了，對(duì)一塊電池充電時(shí)利用不上的電流可以為另一塊所用。
而且，SBS管理器可以判斷哪一塊電池的狀態(tài)可以更快地進(jìn)行能量傳輸?？梢宰羁斓卦黾酉到y(tǒng)容量的電池最先被充電，哪些可以充入更多的能量的電池則先被快速放電。這樣可以加快充電過(guò)程達(dá)60%。SBS管理器還可決定何時(shí)使能同時(shí)放電功能。適當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)放電可以使系統(tǒng)容量增加16%之多。
當(dāng)然，所有這些改進(jìn)對(duì)電池的性能來(lái)說(shuō)都必須是安全的。正如前面討論過(guò)的一樣，鋰離子電池有一額定電壓。當(dāng)加到電池上的電壓達(dá)到最大值時(shí)，充電過(guò)程從恒流轉(zhuǎn)換至恒壓模式。對(duì)這一轉(zhuǎn)換點(diǎn)的檢測(cè)，是由智能充電SBS管理器負(fù)責(zé)的，根據(jù)是測(cè)量到的電池電壓。但SBS管理器比智能充電器的巨大優(yōu)點(diǎn)是，它可以不斷監(jiān)視和校正充電器以及電池電壓。這樣在達(dá)到電池的最大容量的情況下還保證了安全。
由于計(jì)算機(jī)等設(shè)備性能不斷提高，能量的需要增長(zhǎng)很快，化學(xué)電池的改進(jìn)還無(wú)法趕上這一增長(zhǎng)速度。雖然SBS技術(shù)非常有幫助，但總會(huì)有一天僅靠SBS技術(shù)無(wú)法提供高性能系統(tǒng)需求的功率，需要更為智能化的電源管理方案。
如果那個(gè)OEM廠商可以使筆記本電腦持續(xù)工作6個(gè)小時(shí)而不會(huì)明顯地影響到性能，就會(huì)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)。SBS管理器朝這一目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。
1、使用安全型鋰離子電池電解質(zhì)
目前鋰離子電池電解液使用碳酸酯作為溶劑，其中線型碳酸酯能夠提高電池的充放電容量和循環(huán)壽命，但是它們的閃點(diǎn)較低，在較低的溫度下即會(huì)閃燃，而氟代溶劑通常具有較高的閃點(diǎn)甚至無(wú)閃點(diǎn)，因此使用氟代溶劑有利于抑制電解液的燃燒。目前研究的氟代溶劑包括氟代酯和氟代醚。
阻燃電解液是一種功能電解液，這類電解液的阻燃功能通常是通過(guò)在常規(guī)電解液中加入阻燃添加劑獲得的。阻燃電解液是目前解決鋰離子電池安全性最經(jīng)濟(jì)有效的措施，所以尤其受到產(chǎn)業(yè)界的重視。
使用固體電解質(zhì)，代替有機(jī)液態(tài)電解質(zhì)，能夠有效提高鋰離子電池的安全性。固體電解質(zhì)包括聚合物固體電解質(zhì)和無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)。聚合物電解質(zhì)，尤其是凝膠型聚合物電解質(zhì)的研究取得很大的進(jìn)展，目前已經(jīng)成功用于商品化鋰離子電池中，但是凝膠型聚合物電解質(zhì)其實(shí)是干態(tài)聚合物電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)妥協(xié)的結(jié)果，它對(duì)電池安全性的改善非常有限。干態(tài)聚合物電解質(zhì)由于不像凝膠型聚合物電解質(zhì)那樣包含液態(tài)易燃的有機(jī)增塑劑，所以它在漏液、蒸氣壓和燃燒等方面具有更好的安全性。目前的干態(tài)聚合物電解質(zhì)尚不能滿足聚合物鋰離子電池的應(yīng)用要求，仍需要進(jìn)一步的研究才有望在聚合物鋰離子電池上得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于聚合物電解質(zhì)，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)具有更好的安全性，不揮發(fā)，不燃燒，更加不會(huì)存在漏液?jiǎn)栴}。此外，無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)機(jī)械強(qiáng)度高，耐熱溫度明顯高于液體電解質(zhì)和有機(jī)聚合物，使電池的工作溫度范圍擴(kuò)大;將無(wú)機(jī)材料制成薄膜，更易于實(shí)現(xiàn)鋰離子電池小型化，并且這類電池具有超長(zhǎng)的儲(chǔ)存壽命，能大大拓寬現(xiàn)有鋰離子電池的應(yīng)用領(lǐng)域。
常規(guī)的含阻燃添加劑的電解液具有阻燃效果，但是其溶劑仍是易揮發(fā)成分，依然存在較高的蒸氣壓，對(duì)于密封的電池體系來(lái)說(shuō)，仍有一定的安全隱患。而以完全不揮發(fā)、不燃燒的室溫離子液體為溶劑，將有希望得到理想的高安全性電解液。離子液體是在室溫及相鄰溫度下完全由離子組成的有機(jī)液體物質(zhì)，具有電導(dǎo)率高、液態(tài)范圍寬、不揮發(fā)和不燃等特點(diǎn)，將離子液體用于鋰離子電池電解液中有望解決鋰離子電池的安全問(wèn)題。
2、提高電極材料熱穩(wěn)定性
鋰離子電池的安全問(wèn)題是不安全電解質(zhì)直接導(dǎo)致的，但從根源上來(lái)說(shuō)，是因?yàn)殡姵乇旧淼姆€(wěn)定性不高，熱失控的出現(xiàn)導(dǎo)致的。而熱失控的發(fā)生除了電解質(zhì)的熱穩(wěn)定性原因，電極材料的熱穩(wěn)定性也是最重要的原因之一，所以提高電極材料的熱穩(wěn)定性也是提高電池安全性的重要環(huán)節(jié)，但是這里所說(shuō)的電極材料熱穩(wěn)定性不但包括其自身的熱穩(wěn)定性，也要包括其與電解質(zhì)材料相互作用的熱穩(wěn)定性。
通常負(fù)極材料熱穩(wěn)定性是有其材料結(jié)構(gòu)和充電負(fù)極的活性決定的。對(duì)于碳材料，球形碳材料，如中間相碳微球(MCMB)相對(duì)于鱗片狀石墨，具有較低的比表面積，較高的充放電平臺(tái)，所以其充電態(tài)活性較小，熱穩(wěn)定性相對(duì)較好，安全性高。而尖晶石結(jié)構(gòu)的Li4Ti5O12,相對(duì)于層狀石墨的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，其充放電平臺(tái)也高得多，因此熱穩(wěn)定性更好，安全性更高。因此，目前對(duì)安全性要求更高的動(dòng)力電池中通常使用MCMB或Li4Ti5O12代替普通石墨作為負(fù)極。通常負(fù)極材料的熱穩(wěn)定性除了材料本身之外，對(duì)于同種材料，特別是石墨來(lái)說(shuō)，負(fù)極與電解液界面的固體電解質(zhì)界面膜(SEI)的熱穩(wěn)定性更受關(guān)注，而這也通常被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的第一步。提高SEI膜的熱穩(wěn)定性途徑主要有兩種：一是負(fù)極材料的表面包覆，如在石墨表面包覆無(wú)定形炭或金屬層;另一種是在電解液中添加成膜添加劑，在電池活化過(guò)程中，它們?cè)陔姌O材料表面形成穩(wěn)定性較高的SEI膜，有利于獲得更好的熱穩(wěn)定性。
正極材料和電解液的熱反應(yīng)被認(rèn)為是熱失控發(fā)生的主要原因，提高正極材料的熱穩(wěn)定性尤為重要，在產(chǎn)業(yè)界正極材料的開(kāi)發(fā)也更受關(guān)注，除了有其價(jià)格較高、利潤(rùn)較大的原因外，它在電池安全性中的重要地位也是其備受關(guān)注的一個(gè)重要原因。與負(fù)極材料一樣，正極材料的本質(zhì)特征決定了其安全特征。LiFePO4由于具有聚陰離子結(jié)構(gòu)，其中的氧原子非常穩(wěn)定，受熱不易釋放，因此不會(huì)引起電解液的劇烈反應(yīng)或燃燒;而其他過(guò)渡金屬氧化物正極材料，受熱或過(guò)充時(shí)容易釋放出氧氣，安全性差。而在過(guò)渡金屬氧化物當(dāng)中，LiMn2O4在充電態(tài)下以λ-MnO2形式存在，由于它的熱穩(wěn)定性較好，所以這種正極材料也相對(duì)安全性較好。此外，也可以通過(guò)體相摻雜、表面處理等手段提高正極材料的熱穩(wěn)定性。
