原创 电动车的安全性_锂电池结构与安全_1

2010-7-22 10:57 5391 6 12 分类: 消费电子

对于电动车的讨论,目前大部分行内行外的都在谈论着电池,镍氢和铅酸电池一般都被划分到传统的一栏,更多的看中着锂电池的发展。这里试图做一些整理和分析,主要关于锂电池的安全性问题。

初步文稿,有点修正和添加。

如果有兴趣和足够的耐心可以看这篇博士论文,作为一个比较深入的探讨。

http://wenku.baidu.com/view/82ab71563c1ec5da50e270a4.html

1.jpeg

我们现在所谈的锂电池一般是指锂离子电池,它是在锂电池基础上改进获得的。

锂电池的正极材料是二氧化锰或亚硫酰氯,负极是锂。电池组装完成后电池即有电压,不需充电。这种电池也可能充电,但循环性能不好,在充放电循环过程中,容易形成锂枝晶,造成电池内部短路,所以一般情况下这种电池是禁止充电的。

目前采用的含锂的化合物作为电池的正极,由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过,右边是由碳(石墨)组成的电池负极,由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。

充电状态下,正极中的锂离子Li+经过电解液运动,通过聚合物隔膜向负极迁移; 负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。

在放电过程中,负极中的锂离子 Li+通过隔膜向正极迁移。嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回正极。回正极的锂离子越多,放电容量越高。

锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的,整个过程中锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。这里把锂离子电池成为锂电池。单体的锂电池可分为硬壳体和软包装两种:

1. 硬壳体:电池上下盖,正极,隔膜,负极,有机电解液,电池壳(分为钢壳和铝壳两种)

2.软包装系列:正极,隔膜,负极,有机电解液,电池壳——铝塑复合膜

网上搜集而来的锂离子的成本示意图

2.jpeg

正极材料

电解液材料:根据锂离子电池所用电解质材料不同,锂离子电池可以分为液态锂离子电池LIB)和聚合物锂离子电池(LIP)两大类。主要区别在于电解质的不同, 锂离子电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。聚合物锂离子电池使用了胶体电解质,因此不会象液体电液泄露,生产时候装配较为容易,单体电池会相对轻薄;另外一点是可以在产生漏液与燃烧爆炸等安全性能上有改进,这也是软包装系列的基础,否则无法使用铝塑复合薄膜制造电池外壳。

安全性问题

1. 短路问题

a.外部短路时,由于外部负载过低,电池瞬间大电流放电。在内阻上消耗大量能量,产生巨大热量。

b. 内部短路,主要原因是隔膜被穿透(某些锂离子电池在过充的情况下反应过快的时候,锂离子在负极堆积形成枝晶,刺穿隔膜,形成内部短路。)

3.jpeg

内部形成大电流,温度上升导致隔膜熔化,短路面积扩大,进而形成恶性循环。

2.气体性的问题

锂离子电池内部的有机电解液或聚合物在大电流,高温的条件下会被电解,电解产生气体,导致内部压力升高,严重会冲破壳体。聚合物电池在使用软包装的时候,在内部产生气体时可更早的突破壳体,避免气体聚集过多,产生激烈涨裂。但聚合物电池并没有从根本上解决安全性问题。

在大电流和高电压的情况下,正极锂的氧化物也会发生氧化反应,析出金属锂,在气体导致壳体破裂的情况下,与空气直接接触,导致燃烧,同时引燃电解液,发生强烈火焰,气体急速膨胀,发生爆炸。

目前采取的安全性解决办法

电池组的自动断路器:用完整的BMS来检测单体电池,当电池内的温度上升时,它的阻值随之上升,温度随之增加,当温度较高的时候,BMS会考虑自动断开。注意这个问题涉及到整车安全和电气安全之间的妥协,试想一下汽车在高速公路上开着,而 BMS检测到某个单体电池温度过高。那该怎么办?

1.单体电池内部常使用 PTC作为过流保护元件。由于电池内部具有置于正极端子与电极卷之间的限流装置PTC,电池过充时当电解液发生分解、电池温度迅速上升时,该装置开始作用并切断电流。

2.考虑使用自收缩的陶瓷隔膜,当温度上升到一定数值时,隔膜上的微米级微孔会自动溶解掉,从而使锂离子不能通过,电池内部反应停止。

3.采用气体安全阀,电池内部压力上升到一定数值时,安全阀自动打开,保证电池的使用安全性。

就锂电池而言,韩国人似乎取得了阶段性胜利。LG的子公司CPI公司在锂离子电池领域居于领先地位,目前LG化学还向通用、福特、沃尔沃、现代、起亚、CT&T和伊顿供应锂离子电池。并且在FORD的市区短途运输的Transit Connect Electric、福特Focus电动车、两款下一代混合动力车以及一款插电式混合动力车上都直接向FORD提供电池组。

以下的表格咨询略有些不准,我已经做了一定的更改。

4.jpeg

目前使用google.hk给我带来莫大的困扰,如果有xdjm可以能够告诉我较快skip到google.com并且不会重置的话,希望可以告诉我方法。yulzhu@gmail.com。

文章评论6条评论)

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zhenjun121_442034780 2014-9-26 16:06

ok

zhenjun121_442034780 2014-9-26 16:02

OK

xiaoxh623_545314400 2011-7-12 17:24

谢谢啦, 很系统, 很有帮助!

yzhu05_597603602 2010-7-26 21:41

就像人会老一样,我们的目的是避免电池在极端情况下突然损坏,我们不会把手机电池去烧烤一下一样的。但是汽车的温度范围是非常恶劣的,你在夏天正午去阳光下把车关紧晒个几个小时,车内最高温度可以达到80度以上。在这里说的是这个意思

kssyoung2003_996420660 2010-7-26 12:47

锂电池从原理上来说就是不安全的:它不可避免会还原出金属锂。这个文章有点搞笑

liujian517_992200964 2010-7-26 10:00

学习一下。

qin_cm_156210926 2010-7-23 14:51

文章写得不错,我前一段时间因为项目需要学习了一些锂电池的知识,看了你的文章觉得写得很深刻,从内部讲解了锂电池的部分特性及成因,很受用,谢谢了
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