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高倍率锂电池极耳设计原则

        发布时间:2019-04-24 16:27        编辑:一分PK10
当前锂离子电池系统的发展主要分为两种方向,一是以高镍三德配硅碳为代表的高比能左袒;二是则是以快充为代表的高倍率方向。
 
(泉源:微信干部号“锂电前沿”作者:miko woo)
 
为了实现高的品格比能量方针,首要的办法征求:
 
(1)选择高容量材料系统,正极采用高镍三元,负极采用硅碳;
 
(2)操持高压电解液,提高充电遏制电压;
 
(3)优化正负极浆料的配方,添加活性精神在电极中占比;
 
(4)采用更薄的铜箔、铝箔,减少集流体的所占的比例;
 
(4)行进正负极的涂布量,增进活性物资在电极中占比;
 
(5)管制电解液的数目,削减电解液的数量进步锂离子电池比能量;
 
(6)优化电池的构造,低落极耳、封装资料等在电池中所占的比例。
 
而高功率方面,依据多孔电极的电化学理论模子,为了加剧锂离子电池在高倍率放电下的极化,可采取下列几种法式:
 
(1)消沉极片厚度,以改良液相的Li+浓度漫衍;
 
(2)增大电解液的电导率,以前进Li+在液相的汇集速率;
 
(3)增大正极、负极、隔阂的孔隙率,以行进固相、液相的电导率;
 
(4)前进正极、负极材料的电导率或增多导电剂,以降低电荷在颗粒间的传导电阻;
 
(5)前进正极、负极材料的固相荟萃系数,以进步固相的Li+皋牢速率;
 
(6)选择合适的电解液添加剂,防御过高的固体电解质相界面( SEI) 膜阻抗。
 
(7)极耳身分的打算优化,符合的极耳职位能飞腾电池的欧姆内阻,并低落电池大倍率放电时的温升。
 
是以,极耳的设计也是很要害的一个方面。锂离子电池电芯结构中,极耳等于从电芯中将正负极引进去的金属导电体,残破的极耳主要由绝缘密封胶与金属导电基体造成。胶片是极耳上绝缘的一小部分,它的感化是电池封装时防止金属带与铝塑膜之间发生短路,况且封装时通过加热与铝塑膜热熔密封粘合在一同防止漏液,极耳导体分为三种材料,电池的正极使用铝(Al)资料,负极使用镍(Ni)原料,负极也有铜镀镍(Ni—Cu)原料。常规的锂离子电池负极耳采取镍极耳,其电导率较差,正极耳采纳铝极耳。在高倍率放电时,由于负极耳的电导率较低,招致电池外面温度太高,从而影响电池的高倍率放电坚守。而镀镍铜负极耳具备优异的导电效率,其电导率濒临纯铜的电导率。极耳是电池与外界能量传递的载体,所以电池大倍率放电时,提高极耳的电导率能够在放电晚期有用改良电池的倍率放电依顺。别的,极耳材质、尺寸大小及极耳引出方式对锂离子电池的倍率放电依顺和倍率循环听命的影响。通常而言,通电电流大小与导线的截面成正比关系,即导线截面积越大准予通过的电流也就越大。极耳尺寸的选择不但由电池的型号决意,而且也取决于电池的最大放电电流。
 
1、极耳尺寸规格选择原则
 
(1)将极耳视作输出导线,依据电力项目上导线载流量算计。
 
依照电力工程手册资估中电线电缆的横截面积与载流量的相干,得到铜和铝导体截面与载流量干系见表1。
 
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表1 铜和铝金属导体截面与载流量相干
 
按照表1所示,假定用于EV 汽车的10Ah电池须要满足3C(30A)放电前提,需求使用横截面积4mm2的铝极耳和2.5妹妹2的镀镍铜极耳。
 
如果用于HEV的5Ah电池必要满足30C(150A)放电前提,须要应用横截面积34mm2的铝极耳和25妹妹2的铜极耳。
 
(2)按照焦耳定律孕育发生的热量算计极耳尺寸规格。
 
电池在大倍率放电时,极耳发烧很有问题。当极耳温度上升到60℃时,对付铝塑膜封装的软包装电池,或是造成密封不良。铝的电阻率为2.65×10-8Ω·m,镍的电阻率为6.99×10-8Ω·m。电池在20℃情况中正常放电时,电畅通过正、负极极耳产生热量,随着热量的蕴蓄,极耳温度逐步回升。
 
按照焦耳定律,公示(1):
 
Q=I2Rt=mCΔT, R=ρL/S,m=ω*LS(1)
 
计较极耳横截面积S为公式(2):
 
S2=I2ρt/(C*ω*ΔT) (2)
 
Q为年光t 内极耳发生的热量;R为极耳电阻;ΔT为极耳温度;I为通过极耳的电流;ρ 为极耳电阻率;L 为极耳的长度;S 为极耳的横截面积;ω为极耳密度。
 
极耳的尺寸是影响发生发火热量的首要要素,通过总计可以获取了极耳温度从20℃上升到60℃时,负极极耳同意通过的电流(不一定的时间内,譬喻1200s,或120s)。通常受到铝塑膜封装密封性要求,极耳厚度不克不及太厚,一般为0.1-0.2mm,为了满足电流要求,差别规格的镀镍铜负极极耳容许通过的电流见表2。
 
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表2 差距规格的极耳批准通过的电流
 
依据电池运用要求,依据需求的电流大小,选择适宜的极耳。
 
2、卷绕式电池极耳数目和引出身分打算
 
在高倍率放电条件下,不合的电池结构,极耳的意图方式也差别。卷绕布局的锂离子电池笼统在电极极片上多焊接几个极耳,这样在高倍率放电初期,电池外部就会有多个周边内阻较小,电流密度较大,反响速度较快,从而缓解单极耳情况下的激烈反应。可是,采取多极耳会飞扬电池的格外容量,而且极耳数目增加的话,会添加铝塑膜的热封难度,铝塑膜与极耳之间容易出现预封不良气象,从而导致电池孕育发生短路、胀气与漏液的隐患。
 
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图1 极耳职位对电流漫衍的影响
 
极耳在一侧时,电流在集流体上的散播见图1a。离极耳最远真个xn处流出的电流,需要经由后背的x1- xn段,x3段流出的电量须要经过x1-x2-x3段……,外部放电电流为I,每一段的反响电流为Ia,则流经x1段集流体的电流为n·Ia,流经x2段集流体的电流为(n-1)·Ia,流经x3段集流体的电流为(n- 2)·Ia,流经xn段的集流体的电流为Ia。
 
对集流体的每一段,算计电流经由过程集流体的欧姆热量
 
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式中:ρ为集流体的电阻率,dx为每一段的长度,A为集流体的横截面积。可由下式计较在集流体上的总热量Q,共计在集流体上的热等效内阻R.
 
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极耳在极片中间时,电流在集流体上的漫衍见图1b。异样,利用热量积分算计集流体等效热内阻。
 
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对照极耳两种地位可知,极耳位于中间时,集流体的内阻仅为在一侧时的1 /4,在电极宽度一定时,集流体内阻与长度成反比。
 
保守的极耳构造多采用等间距间隙涂布极片,即极耳等间距分布在极片(集流体)一侧,采纳间歇涂布机留出等间距的极耳位,这种企图简单、易利用,但在后续卷绕制作工序,随着卷芯直径的增大,极耳在卷芯端部泛起愈来愈麋集的分布度。对付卷绕电池,有一种全极耳极片管理,从极耳角度进步了电池功率赋性,在大倍率下电流密度分布均匀,具体的极片设计如图2所示。正极极片在涂敷正极资料(30)时一侧边际不涂布的正面(15)和负极极片涂覆负极质料(40)时留明的一侧面(14)都作为极耳划分焊接在正负极导流体上,正负极极片之间通过隔膜(170)隔脱离,如许电流流经的间隔短,可以实现高功率密度,极片发热量也小。
 
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图2全极耳卷绕方形电池
 
3、叠片式电池极耳数目和引出身分筹算
 
叠片方式相等于几十片小电池并联,极大地消沉了电池的欧姆内阻,其倍率服从远远好于卷绕方式。对付叠片组织锂离子电池,在电池极耳规划时,一般采取正负极耳同侧的办理门径,然而对于长宽比例大的电池型号,如果采纳同侧出极耳的方式,极耳的宽度尺寸将会遭到很大的制约,从而不克不及满足电池最大放电电流的要求,此时极耳的引出方式,可接纳正、负极耳反向引出,抵达大电流放电时,电流漫衍平均的目的,如图3所示6种极耳引出方式的锂离子电池在2C倍率下放电时20s和1140s对应的温度散播情况如图4所示,双侧出极耳,温度散布更为均匀,双侧斜对角引出极耳,最高温度也更低。
 
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图3 叠片电池一致极耳引出方式的电流倾向提示图
 
 
 

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