便攜式應急電源中應用18650鋰離子電池的技術分析

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0 引言

18650型鋰電是電子產品中比較常用的鋰電池,常在筆記本電腦的電池中作為電芯使用。磷酸鐵鋰電池電池能量密度高、體積小,特別適于作動力方面的應用,通常則在名稱中加入“動力”兩字,即磷酸鐵鋰動力電池。但是,18650動力電池支持大電流放電,可能達到20倍容量的電流,其容量一般比普通磷酸鐵鋰電池容量要小一倍左右。

所以在移動電源作為備用儲能電源的應,選擇18650電池會更加輕便。

1 鋰離子電池工作原理

18650鋰離子電池負極以碳素為材料構成,正極為含鋰元素的過渡金屬氧化物,如LiMn2O4、LiCoO2等,18650鋰離子電池添加鋰鹽為導電劑,加上有機溶劑構成電池內部的電解質,通常鋰離子電池中不含有金屬鋰,因為18650鋰離子電池在充電時,由于化學反應很容易使得金屬鋰沉積在電極表面,從內部腐蝕電池,會極大降低鋰離子電池的循環使用性能,嚴重的可能造成安全性問題如:短路、起火、爆炸等。

鋰離子電池的整個工作過程實際上就是鋰離子在鋰電池內部不斷的來回遷移、還原和氧化實現充電和放電的過程,如圖1所示:

鋰離子電池在充電過程中,鋰離子(Li+)從電池正極被還原后會穿過電池內部隔膜一直由于電勢的作用遷移到到電池負極,在負極被還原為鋰原子(Li)貯存在層狀結構的石墨中,電化學反應表達式如下:

負極反應:nLi-+ne-+6C→LiC6

正極反應:LiMO2→Li(1-n)MO2+nLi+ne-

總反應:LiMO2+6C→Li(1-n)MO2+nLi+LiC6

鋰離子電池在放電過程中,鋰離子(Li+)則是在負極被氧化后變為鋰離子(Li+),通過隔膜遷移到正極并貯存在正極材料中,電化學反應表達式如下:

負極反應:LiC6→n Li-+ne-+6C

正極反應:Li(1-n)MO2+n Li+ne-→LiMO2

總反應:Li(1-n)MO2+n Li+LiC6→LiMO2+6C

反應中,M 可以是Co、Ni、Fe。

2 18650鋰離子電池的特性及測試分析方法

18650鋰離子電池的外殼一般采用鍍鎳鋼料,本文中采用額定電壓3.7V、標稱容量2000m Ah的LG-NCR18650鋰離子電池進行了測試試驗,18650鋰離子電池內阻通常應小于20mΩ,快速充電效率可達到1C5A×2.5hrs,18650鋰離子電池正常充電溫度為0°C-45°C,放電溫度為-20°C-60°C,18650鋰離子電池結構主要組成結構有PTC、CID鋁片、正負極、電解質等。

1)18650鋰離子電池特性測試分析方法:

(1)18650鋰離子電池的常溫荷電保持能力:是測量電池初始端電壓、初始電流、初始SOC,試驗測試中,在電池在以恒定標準電流充滿后,靜置常溫下40天左右,以0.5C5A放電至2.7V,測量電池的剩余容量;以0.5C倍率放電測量電池的恢復容量,記錄了電池的各參數變化多次測試結果。測得要求SOC不小于實際標稱電池容量的85%,電池容量恢復后不小于原來的90%,端電壓的下降不能超過靜置前的3%,內阻差值20%左右。

(2)18650鋰離子電池的循環壽命:是測量電池的起始端電壓、起始內阻、SOC,以0.5C的放電倍率充放電循環300次后,測試要求電池SOC不小于標稱SOC的80%。

(3)18650鋰離子電池的過充性能:電池在額定電流充電操作后,對電池起始參數進行測試,以1C5A電流充電至4.8V,然后轉恒壓充電至截止電流0.01C5A停止,電池溫度最高不超過130°C,無變形,不起火。

(4)18650鋰離子電池的過放性能,將電池充電至額定端電壓值,以1C5A速率將電池電壓放至2.7V,然后用10Ω的功率電阻與電池串聯放電測試,靜置14天,電池不燃燒,無爆炸。

(5)18650鋰離子電池的重物沖擊性能,電池在恒流充電后,與熱電偶相連后水平放置,用D/15.6mm、9.1Kg的銅棒在電池上方作自由落體運動,觀察電池形狀無改變,不起火和爆炸。4.熱沖擊安全性能,電池充滿電后,置于熱溫箱中,與溫度傳感器連接,熱溫箱加熱電池,使其溫度逐漸升至130°C

(6)18650鋰離子電池的熱循環性能,電池以一定電流充電電流充滿電后,將電池在75±2°C環境下擱置直至達到周圍溫度,然后在低溫-20°C擱置,再將電池在常溫條件下靜置24h,電池沒有燃燒和爆炸。

(7)18650鋰離子電池的不同溫度下的放電性能,首先記錄電池在放電起始狀態的各參數,在電池電壓充到額定電壓之后,擱置在溫度為60±2°C恒溫箱中3h左右,以0.5C5A的放電速率將電池端電壓降到2.7V,然后在常溫下充滿電后,按照下列順序:0±2°C/-10±2°C/-20±2°C,再在常溫下靜置20h。以0.5C5A電池放電速率的放電結果取為電池的最終放電容量,在常溫下擱置一定時間,電池形狀不變。在環境溫度60°C進行放電池測試時,待測電池放電容量不能小于其額定電池SOC的95%;在溫度為0°C放電測試時,電池放電容量不能小于其額定SOC的85%;電池在10°C的放電測試結果,其放電電量不能在額定容量的70%以下;-20°C時電池放電標稱容量不小于60%。

3 鋰離子電池具有很多優點

與傳統的鉛酸、鎳鎘等航空蓄電池相比較性能參數表如下:

表2.1 3種可充電常用電池性能參數比較

鋰離子電池具有如下表很多優點:

(1)能量密度高:鋰離子電池的重量很輕,只有相同容量的鎳鎘、鎳氫電池的一半,體積則遠遠小于鎳鎘或鎳氫電池,只占后者的30%左右。

(2)自放電率很低,這是鋰離子電池相對于傳統蓄電池最重要的優勢之一,荷電保持能力決定了電池在開路狀態下可擱置時間的長短,極大的影響的電池的適用性。

(3)無記憶效應,這是鋰離子電池最重要的優勢之二,這種效應不存在于鋰離子電池中,鋰離子電池的這種特性說明了其循環放電之間不受影響,充放電之后的性能可恢復性高。

(4)額定電壓高,單體電池工作電壓為3.7V或3.2V,是鎳氫或鎳鎘電池的3倍循環壽命高鋰離子電池的充放電周期一般可超過500次,磷酸亞鐵鋰甚至能達到2000次。

(5)質量輕、無污染,鋰屬于輕金屬,不含有鎘、鉛、汞等對人體有害金屬,也因此鋰離子電池也被稱為“綠色”的電池能源。

結論

本文從18650鋰離子電池的工作原理、基本組成結構和特性進行描述,并對18650鋰離子電池與電力傳統的鉛酸電池、鎳鎘電池的性能參數作了比較分析,為便攜式移動電源的設計提供了理論參考。