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太藍鋰匯|電池的玄妙與魔力,鋰電池的原理概述(下)

2022-08-17 17:04:55 china5e

導讀:

電化學產業經歷了長足平妥的發展過程,大量的科研院所、企業機構潛心研究,在前進路途中不斷涉歷和試錯,同時也貢獻了卓著的研究成果。時序更替,在此前長達30年的時間里,鋰電池的基礎體系基本保持相對平穩的態勢。探索無限止、前進疾兼程,現今的電池技術仍然在漸進發展,未來仍為可期。

「太藍鋰匯」是太藍新能源開設的電池科普內容集匯欄目,通過知識科普觸及鋰電池技術動態和相關市場領域。深耕于先進固態鋰電產業研發,太藍力量正當時,并且將不斷發榮滋長。

電是現代文明的血液,電能的利用是人類進入現代化社會的標志。電池作為一種能量轉化與儲存的裝置,通過反應將化學能轉化為電能。電流無形,帶來的現實力量卻在轉化成有形的科技力量,深藏著推動社會發展與技術革新的玄妙與魔力。

基于我們之前的《關于鋰電池的基礎解讀》,本文當中所指的鋰離子電池特指可反復充電的二次鋰離子電池,而不是一次性電池。

當今社會,每個人的生活都與鋰離子電池息息相關,也有大量的產業類型是在研究鋰離子電池的產品應用。普通用戶,通常會把鋰離子電池直接叫作鋰電池,雖然兩者并不完全等同,但鋰離子電池確實是當前鋰電池的絕對主體。

(接上篇)

3.鋰離子電池的基本構成

要實現上述的功能,鋰離子電池內部需要包含幾種基本材料:正極活性物質、負極活性物質、隔膜、電解質。

正負極可以容易地進行理解,想要實現電荷移動,就需要存在電位差的正負極材料,那么什么是活性物質?我們知道,電池實際上是將電能和化學能相互轉換,以實現能量的存儲和釋放。要實現這個過程,就需要正負極的材料很“容易”參與化學反應,要活潑,要容易氧化和還原,從而實現能量轉換,所以我們需要“活性物質”來做電池的正負極。

鋰元素既然是我們制作電池的優選材料,那么為什么不同樣用金屬鋰來做電極的活性物質呢?這樣不是可以達到最大的能量密度嗎?

還是依據上述例子,氧(O)、鈷(Co)、鋰(Li)三種元素構成了非常穩定的正極材料結構,負極石墨的碳原子排列也具有非常穩定的層狀結構。正負極材料不但要活潑,還要具有非常穩定的結構,才能實現有序的,可控的化學反應。

不穩定的結果是什么?想想汽油燃燒和炸彈爆炸,能量劇烈釋放,這個化學反應的過程實際上是無法人為去精確控制的,于是化學能變成了熱能,一次性把能量釋放完畢,而且不可逆。

金屬形態存在的鋰元素比較“活潑”,早期針對鋰電池的研究,確實是集中以金屬鋰或其合金作為負極這個方向,但是因為安全問題突出,不得不尋找其他更好的路徑。近年來,隨著人們對能量密度的追求,這個研究方向又有與日俱新的趨勢。

為了實現能量存儲和釋放過程中的化學穩定性,即電池充放電循環的安全性和長壽命,我們需要一種電極材料,在需要活潑的時候活潑,在需要穩定的時候穩定。

經過長期的研究和探索,人們找到了幾種鋰的金屬氧化物,如鈷酸鋰、鈦酸鋰、磷酸鐵鋰、錳酸鋰、鎳鈷錳三元等材料,作為電池正極或負極的活性物質,解決了存在的一些問題。磷酸鐵鋰的橄欖石結構也是一種非常穩定的正極材料結構,充放電過程中鋰離子的脫嵌,并不會造成晶格坍塌。

而鋰金屬電池確實也是存在的,但與鋰離子電池相比,幾乎可以忽略不計,技術的發展,最終還是要服務于市場。鋰離子電池在提高了穩定性問題的同時,也帶來了嚴重的“副作用”,就是作為能量載體的鋰元素占比大大降低,能量密度降了不止一個數量級,有得必有失。

負極通常選擇石墨或其他碳材料做活性物質,也是遵循上述的原則,既要求是好的能量載體,又要相對穩定,還要有相對豐富的儲量,便于大規模制造。碳元素就是一個相對優解,當然,這可能并不是唯一解,行業內針對負極材料的研究也很廣泛。

電解質是什么作用呢?

通俗的講,就像游泳池里面的“水”,讓鋰離子能夠自由的游來游去,所以呢,離子電導率要高(游泳的阻力小),電子電導率要小(絕緣),化學穩定性要好(穩定壓倒一切),熱穩定性要好(為了安全出發),電位窗口要寬。

基于這些原則,經過長期的工程探索,人們找到了由高純度的有機溶劑、電解質鋰鹽、和必要的添加劑等原料,在一定條件下、按一定比例配制而成的電解質。有機溶劑有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。電解質鋰鹽有LiPF6,LiBF4等材料。

隔離膜則是為了阻止正負極材料直接接觸短路而加進來的,我們希望把電池做的盡可能的小,存儲的能量盡可能的多,于是正負極之間的距離越來越小,短路成為一個巨大的風險。

為了防止正負極材料短路,造成能量的劇烈釋放,就需要用一種材料將正負極“隔離”開來,這就是隔離膜的由來。

隔離膜需要具有良好的離子通過性,主要是給鋰離子開放通道,讓其可以自由通過,同時又是電子的絕緣體,以實現正負極之間的絕緣。目前市場上的隔膜主要有單層PP,單層PE,雙層PP/PE,三層PP/PE/PP、以及陶瓷復合膜等。

4.鋰離子電池的完整材料構成

除了文中提到的4種主要材料之外,要想把鋰離子電池從實驗室的一個“樣品”變成一個可以商業化應用的產品,還需要其他一些不可或缺的材料。

首先來看電池的正極,除了活性物質之外,還有導電劑和粘結劑,以及用作電流載體的基體和集流體(正極通常是鋁箔)。粘結劑要把作為活性物質的鋰金屬氧化物均勻的“固定”在正極基帶上面,導電劑則是為了增強活性物質與基體的導電性,以達到更大的充放電電流,集流體負責充當電池內外部的電荷轉移橋梁。

負極的構造與正極基本相同,需要粘結劑來固定活性物質石墨,需要銅箔作為基體和集流體來充當電流的導體,但因為石墨本身具備良好的導電性,所以負極一般添加少量或不添加導電劑材料。

除了以上材料外,一個完整的鋰離子電池還包括絕緣片、蓋板、泄壓閥、殼體(鋁,鋼,復合膜等),以及其他一些輔助材料。

5.鋰離子電池的制作工藝

鋰離子電池的制作工藝比較復雜,此處僅就部分關鍵工序做簡單描述。

根據極片裝配方式的不同,通常有卷繞和疊片兩種工藝路線。

疊片工藝是將正極、負極切成小片與隔離膜堆疊起來成小電芯單體,然后將小電芯單體疊放并聯起來,組成一個大電芯的制造工藝。其大體工藝流程如下:將涂布、烘干、輥壓后的極片按照一定的尺寸進行模切,模切后的正負極片、隔膜通過疊片機進行電池制備,制備完成后的電芯進行極耳焊接、封裝,封裝完成后進行電芯的烘烤、注液、封口、化成等工藝,此時一個完整的鋰離子電芯就基本完成了,后續將進行整形、性能測試、產品分級出貨等。

卷繞工藝是將正負極片、隔離膜、正負極耳、保護膠帶、終止膠帶等物料固定在設備上,設備經過放卷完成電芯制作。與疊片工藝不同的是,卷繞電芯的制作過程,需要將涂布、烘干、輥壓后的極片進行分切過程,分切是將極片做成條狀,然后按負極、隔膜、正極的順序經卷繞得到卷繞電芯、后續工藝過程和疊片一致。




責任編輯: 江曉蓓

標簽:電池,鋰電池