便携式应急电源中应用18650锂离子电池的技术分析

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0 引言

18650型锂电是电子产品中比较常用的锂电池,常在笔记本电脑的电池中作为电芯使用。磷酸铁锂电池电池能量密度高、体积小,特别适于作动力方面的应用,通常则在名称中加入“动力”两字,即磷酸铁锂动力电池。但是,18650动力电池支持大电流放电,可能达到20倍容量的电流,其容量一般比普通磷酸铁锂电池容量要小一倍左右。

所以在移动电源作为备用储能电源的应,选择18650电池会更加轻便。

1 锂离子电池工作原理

18650锂离子电池负极以碳素为材料构成,正极为含锂元素的过渡金属氧化物,如LiMn2O4、LiCoO2等,18650锂离子电池添加锂盐为导电剂,加上有机溶剂构成电池内部的电解质,通常锂离子电池中不含有金属锂,因为18650锂离子电池在充电时,由于化学反应很容易使得金属锂沉积在电极表面,从内部腐蚀电池,会极大降低锂离子电池的循环使用性能,严重的可能造成安全性问题如:短路、起火、爆炸等。

锂离子电池的整个工作过程实际上就是锂离子在锂电池内部不断的来回迁移、还原和氧化实现充电和放电的过程,如图1所示:

锂离子电池在充电过程中,锂离子(Li+)从电池正极被还原后会穿过电池内部隔膜一直由于电势的作用迁移到到电池负极,在负极被还原为锂原子(Li)贮存在层状结构的石墨中,电化学反应表达式如下:

负极反应:nLi-+ne-+6C→LiC6

正极反应:LiMO2→Li(1-n)MO2+nLi+ne-

总反应:LiMO2+6C→Li(1-n)MO2+nLi+LiC6

锂离子电池在放电过程中,锂离子(Li+)则是在负极被氧化后变为锂离子(Li+),通过隔膜迁移到正极并贮存在正极材料中,电化学反应表达式如下:

负极反应:LiC6→n Li-+ne-+6C

正极反应:Li(1-n)MO2+n Li+ne-→LiMO2

总反应:Li(1-n)MO2+n Li+LiC6→LiMO2+6C

反应中,M 可以是Co、Ni、Fe。

2 18650锂离子电池的特性及测试分析方法

18650锂离子电池的外壳一般采用镀镍钢料,本文中采用额定电压3.7V、标称容量2000m Ah的LG-NCR18650锂离子电池进行了测试试验,18650锂离子电池内阻通常应小于20mΩ,快速充电效率可达到1C5A×2.5hrs,18650锂离子电池正常充电温度为0°C-45°C,放电温度为-20°C-60°C,18650锂离子电池结构主要组成结构有PTC、CID铝片、正负极、电解质等。

1)18650锂离子电池特性测试分析方法:

(1)18650锂离子电池的常温荷电保持能力:是测量电池初始端电压、初始电流、初始SOC,试验测试中,在电池在以恒定标准电流充满后,静置常温下40天左右,以0.5C5A放电至2.7V,测量电池的剩余容量;以0.5C倍率放电测量电池的恢复容量,记录了电池的各参数变化多次测试结果。测得要求SOC不小于实际标称电池容量的85%,电池容量恢复后不小于原来的90%,端电压的下降不能超过静置前的3%,内阻差值20%左右。

(2)18650锂离子电池的循环寿命:是测量电池的起始端电压、起始内阻、SOC,以0.5C的放电倍率充放电循环300次后,测试要求电池SOC不小于标称SOC的80%。

(3)18650锂离子电池的过充性能:电池在额定电流充电操作后,对电池起始参数进行测试,以1C5A电流充电至4.8V,然后转恒压充电至截止电流0.01C5A停止,电池温度最高不超过130°C,无变形,不起火。

(4)18650锂离子电池的过放性能,将电池充电至额定端电压值,以1C5A速率将电池电压放至2.7V,然后用10Ω的功率电阻与电池串联放电测试,静置14天,电池不燃烧,无爆炸。

(5)18650锂离子电池的重物冲击性能,电池在恒流充电后,与热电偶相连后水平放置,用D/15.6mm、9.1Kg的铜棒在电池上方作自由落体运动,观察电池形状无改变,不起火和爆炸。4.热冲击安全性能,电池充满电后,置于热温箱中,与温度传感器连接,热温箱加热电池,使其温度逐渐升至130°C

(6)18650锂离子电池的热循环性能,电池以一定电流充电电流充满电后,将电池在75±2°C环境下搁置直至达到周围温度,然后在低温-20°C搁置,再将电池在常温条件下静置24h,电池没有燃烧和爆炸。

(7)18650锂离子电池的不同温度下的放电性能,首先记录电池在放电起始状态的各参数,在电池电压充到额定电压之后,搁置在温度为60±2°C恒温箱中3h左右,以0.5C5A的放电速率将电池端电压降到2.7V,然后在常温下充满电后,按照下列顺序:0±2°C/-10±2°C/-20±2°C,再在常温下静置20h。以0.5C5A电池放电速率的放电结果取为电池的最终放电容量,在常温下搁置一定时间,电池形状不变。在环境温度60°C进行放电池测试时,待测电池放电容量不能小于其额定电池SOC的95%;在温度为0°C放电测试时,电池放电容量不能小于其额定SOC的85%;电池在10°C的放电测试结果,其放电电量不能在额定容量的70%以下;-20°C时电池放电标称容量不小于60%。

3 锂离子电池具有很多优点

与传统的铅酸、镍镉等航空蓄电池相比较性能参数表如下:

表2.1 3种可充电常用电池性能参数比较

锂离子电池具有如下表很多优点:

(1)能量密度高:锂离子电池的重量很轻,只有相同容量的镍镉、镍氢电池的一半,体积则远远小于镍镉或镍氢电池,只占后者的30%左右。

(2)自放电率很低,这是锂离子电池相对于传统蓄电池最重要的优势之一,荷电保持能力决定了电池在开路状态下可搁置时间的长短,极大的影响的电池的适用性。

(3)无记忆效应,这是锂离子电池最重要的优势之二,这种效应不存在于锂离子电池中,锂离子电池的这种特性说明了其循环放电之间不受影响,充放电之后的性能可恢复性高。

(4)额定电压高,单体电池工作电压为3.7V或3.2V,是镍氢或镍镉电池的3倍循环寿命高锂离子电池的充放电周期一般可超过500次,磷酸亚铁锂甚至能达到2000次。

(5)质量轻、无污染,锂属于轻金属,不含有镉、铅、汞等对人体有害金属,也因此锂离子电池也被称为“绿色”的电池能源。

结论

本文从18650锂离子电池的工作原理、基本组成结构和特性进行描述,并对18650锂离子电池与电力传统的铅酸电池、镍镉电池的性能参数作了比较分析,为便携式移动电源的设计提供了理论参考。