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太蓝锂汇|电池的玄妙与魔力,锂电池的原理概述(下)

2022-08-17 17:04:55 china5e

导读:

电化学产业经历了长足平妥的发展过程,大量的科研院所、企业机构潜心研究,在前进路途中不断涉历和试错,同时也贡献了卓著的研究成果。时序更替,在此前长达30年的时间里,锂电池的基础体系基本保持相对平稳的态势。探索无限止、前进疾兼程,现今的电池技术仍然在渐进发展,未来仍为可期。

「太蓝锂汇」是太蓝新能源开设的电池科普内容集汇栏目,通过知识科普触及锂电池技术动态和相关市场领域。深耕于先进固态锂电产业研发,太蓝力量正当时,并且将不断发荣滋长。

电是现代文明的血液,电能的利用是人类进入现代化社会的标志。电池作为一种能量转化与储存的装置,通过反应将化学能转化为电能。电流无形,带来的现实力量却在转化成有形的科技力量,深藏着推动社会发展与技术革新的玄妙与魔力。

基于我们之前的《关于锂电池的基础解读》,本文当中所指的锂离子电池特指可反复充电的二次锂离子电池,而不是一次性电池。

当今社会,每个人的生活都与锂离子电池息息相关,也有大量的产业类型是在研究锂离子电池的产品应用。普通用户,通常会把锂离子电池直接叫作锂电池,虽然两者并不完全等同,但锂离子电池确实是当前锂电池的绝对主体。

(接上篇)

3.锂离子电池的基本构成

要实现上述的功能,锂离子电池内部需要包含几种基本材料:正极活性物质、负极活性物质、隔膜、电解质。

正负极可以容易地进行理解,想要实现电荷移动,就需要存在电位差的正负极材料,那么什么是活性物质?我们知道,电池实际上是将电能和化学能相互转换,以实现能量的存储和释放。要实现这个过程,就需要正负极的材料很“容易”参与化学反应,要活泼,要容易氧化和还原,从而实现能量转换,所以我们需要“活性物质”来做电池的正负极。

锂元素既然是我们制作电池的优选材料,那么为什么不同样用金属锂来做电极的活性物质呢?这样不是可以达到最大的能量密度吗?

还是依据上述例子,氧(O)、钴(Co)、锂(Li)三种元素构成了非常稳定的正极材料结构,负极石墨的碳原子排列也具有非常稳定的层状结构。正负极材料不但要活泼,还要具有非常稳定的结构,才能实现有序的,可控的化学反应。

不稳定的结果是什么?想想汽油燃烧和炸弹爆炸,能量剧烈释放,这个化学反应的过程实际上是无法人为去精确控制的,于是化学能变成了热能,一次性把能量释放完毕,而且不可逆。

金属形态存在的锂元素比较“活泼”,早期针对锂电池的研究,确实是集中以金属锂或其合金作为负极这个方向,但是因为安全问题突出,不得不寻找其他更好的路径。近年来,随着人们对能量密度的追求,这个研究方向又有与日俱新的趋势。

为了实现能量存储和释放过程中的化学稳定性,即电池充放电循环的安全性和长寿命,我们需要一种电极材料,在需要活泼的时候活泼,在需要稳定的时候稳定。

经过长期的研究和探索,人们找到了几种锂的金属氧化物,如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料,作为电池正极或负极的活性物质,解决了存在的一些问题。磷酸铁锂的橄榄石结构也是一种非常稳定的正极材料结构,充放电过程中锂离子的脱嵌,并不会造成晶格坍塌。

而锂金属电池确实也是存在的,但与锂离子电池相比,几乎可以忽略不计,技术的发展,最终还是要服务于市场。锂离子电池在提高了稳定性问题的同时,也带来了严重的“副作用”,就是作为能量载体的锂元素占比大大降低,能量密度降了不止一个数量级,有得必有失。

负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质,也是遵循上述的原则,既要求是好的能量载体,又要相对稳定,还要有相对丰富的储量,便于大规模制造。碳元素就是一个相对优解,当然,这可能并不是唯一解,行业内针对负极材料的研究也很广泛。

电解质是什么作用呢?

通俗的讲,就像游泳池里面的“水”,让锂离子能够自由的游来游去,所以呢,离子电导率要高(游泳的阻力小),电子电导率要小(绝缘),化学稳定性要好(稳定压倒一切),热稳定性要好(为了安全出发),电位窗口要宽。

基于这些原则,经过长期的工程探索,人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有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。电解质锂盐有LiPF6,LiBF4等材料。

隔离膜则是为了阻止正负极材料直接接触短路而加进来的,我们希望把电池做的尽可能的小,存储的能量尽可能的多,于是正负极之间的距离越来越小,短路成为一个巨大的风险。

为了防止正负极材料短路,造成能量的剧烈释放,就需要用一种材料将正负极“隔离”开来,这就是隔离膜的由来。

隔离膜需要具有良好的离子通过性,主要是给锂离子开放通道,让其可以自由通过,同时又是电子的绝缘体,以实现正负极之间的绝缘。目前市场上的隔膜主要有单层PP,单层PE,双层PP/PE,三层PP/PE/PP、以及陶瓷复合膜等。

4.锂离子电池的完整材料构成

除了文中提到的4种主要材料之外,要想把锂离子电池从实验室的一个“样品”变成一个可以商业化应用的产品,还需要其他一些不可或缺的材料。

首先来看电池的正极,除了活性物质之外,还有导电剂和粘结剂,以及用作电流载体的基体和集流体(正极通常是铝箔)。粘结剂要把作为活性物质的锂金属氧化物均匀的“固定”在正极基带上面,导电剂则是为了增强活性物质与基体的导电性,以达到更大的充放电电流,集流体负责充当电池内外部的电荷转移桥梁。

负极的构造与正极基本相同,需要粘结剂来固定活性物质石墨,需要铜箔作为基体和集流体来充当电流的导体,但因为石墨本身具备良好的导电性,所以负极一般添加少量或不添加导电剂材料。

除了以上材料外,一个完整的锂离子电池还包括绝缘片、盖板、泄压阀、壳体(铝,钢,复合膜等),以及其他一些辅助材料。

5.锂离子电池的制作工艺

锂离子电池的制作工艺比较复杂,此处仅就部分关键工序做简单描述。

根据极片装配方式的不同,通常有卷绕和叠片两种工艺路线。

叠片工艺是将正极、负极切成小片与隔离膜堆叠起来成小电芯单体,然后将小电芯单体叠放并联起来,组成一个大电芯的制造工艺。其大体工艺流程如下:将涂布、烘干、辊压后的极片按照一定的尺寸进行模切,模切后的正负极片、隔膜通过叠片机进行电池制备,制备完成后的电芯进行极耳焊接、封装,封装完成后进行电芯的烘烤、注液、封口、化成等工艺,此时一个完整的锂离子电芯就基本完成了,后续将进行整形、性能测试、产品分级出货等。

卷绕工艺是将正负极片、隔离膜、正负极耳、保护胶带、终止胶带等物料固定在设备上,设备经过放卷完成电芯制作。与叠片工艺不同的是,卷绕电芯的制作过程,需要将涂布、烘干、辊压后的极片进行分切过程,分切是将极片做成条状,然后按负极、隔膜、正极的顺序经卷绕得到卷绕电芯、后续工艺过程和叠片一致。




责任编辑: 江晓蓓

标签: 电池 锂电池

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