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一文看懂動力鋰電池充放電過程

鉅大LARGE  |  點擊量:3061次  |  2020年07月31日  

2018年,新能源汽車領域硝煙四起,長續(xù)航成為各家車企競相爭奪國內市場的重型武器。各大車企都在以超長續(xù)航的新款車來招攬需求越來越高端的眾多消費者。二月底,騰勢500正式亮相;三月底,吉利正式推出帝豪EV450新款車型;四月初,比亞迪一口氣推出秦EV450、e5450、宋EV400三款新車型,續(xù)航均在400公里以上。


但是從技術角度來講,動力鋰電池才是核心,才是決定電動汽車擁有超長續(xù)航能力的關鍵。以交流慢充和直流快充兩種充電方式為例,正確、合適的使用方式不僅能夠最大限度地發(fā)揮動力鋰電池的動力,而且可以延長電池的使用壽命。從知識普及的角度,在動力鋰電池現(xiàn)有能量密度技術水平基礎上,有必要讓消費者了解動力鋰電池的充放電過程,各電池材料對充放電能力的影響,從而培養(yǎng)正確的使用習慣,延長動力鋰電池的使用壽命,確保電動汽車的持續(xù)長久續(xù)航。


充放電電子互逃


目前,各大電動汽車公司使用的比較盛行的動力鋰電池類型重要有兩種,一是磷酸鐵鋰離子電池,二是三元鋰離子電池。然而不論是哪一種電池,其充電的過程大致可以以下四個階段,即恒流充電階段、恒壓充電階段、充滿階段、浮充充電階段。


在恒流充電階段,充電電流保持恒定,充入電量快速新增,電池電壓也隨之上升。到了恒壓充電階段,顧名思義,充電電壓會保持恒定,雖然充入電量會繼續(xù)新增,但是電池電壓上升緩慢,充電電流也會下降。到了電池充滿階段,充電電流下降到低于浮充轉換電流,充電器充電電壓降低到浮充電壓。在浮充充電階段,充電電壓會保持為浮充電壓。


鋰離子電池的充放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌(習慣上正極用嵌入或脫嵌表示,而負極用插入或脫插表示)。在整個充電過程中,正極上的電子會通過外部電路跑到負極上,正鋰離子Li+從正極穿過電解液,穿過隔膜材料,最終到達負極,并在此停留與“駐地”的電子結合在一起,被還原成Li鑲嵌在負極的碳素材料中。資料顯示,作為負極的碳呈層狀結構,它有很多微孔,達到負極的鋰離子嵌入到碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量也就越高。


相反,當電池放電時(即使用電池的過程),鑲嵌在負極碳素材料中的Li失去電子,負極上的電子通過外部電路“運動”到正極上,正鋰離子Li+從負極越過電解液,越過隔膜材料,到達正極,并與“駐地”的電子電子結合在一起。同樣,返回正極的鋰離子越多,放電的容量也就越高。


保效率四大材料


在動力鋰電池充放電過程中,各類關鍵性材料(比如正極材料、負極材料、隔膜、電解液等)各起到什么用途?


第一是正極材料,就正極材料而言,其活性物質一般為錳酸鋰或鈷酸鋰,鎳鈷錳酸鋰等材料,主流產品多采用鋰鐵磷酸鹽。


第二是負極材料,負極材料大體分為碳負極、錫基負極、鋰過渡金屬氮化物負極、合金類負極、納米級負極、納米材料這幾種。其中,實際用于鋰離子電池的負極材料基本上都是碳素材料,如人工石墨、天然石墨、中間相碳微球、石油焦、碳纖維、熱解樹脂碳等。就納米氧化物材料而言,據(jù)悉,根據(jù)2009年鋰離子電池新能源行業(yè)的市場發(fā)展最新動向,一些公司已經(jīng)開始使用納米氧化鈦和納米氧化硅添加在傳統(tǒng)的石墨,錫氧化物,納米碳管里面,極大地提高鋰離子電池的充放電量和充放電次數(shù)。


第三是電解質溶液,通常采用鋰鹽,如高氯酸鋰(LiClO4)、六氟磷酸鋰(LiPF6)、四氟硼酸鋰(LiBF4)等。由于電池的工作電壓遠高于水的分解電壓,因此鋰離子電池常采用有機溶劑,但是有機溶劑常常在充電時破壞石墨的結構,導致其剝脫,并在其表面形成固體電解質膜導致電極鈍化。而且還可能帶來易燃、易爆等安全性問題。


第四是隔膜,作為電池的關鍵零部件之一,隔膜性能的優(yōu)勢決定電池的界面結構和內阻,進而影響電池的容量、循環(huán)性能,充放電電流密度等關鍵特性。一般而言,常用的隔膜有單層和多層隔膜等幾種類型。據(jù)了解,國產的一些公司會選稍厚一點的隔膜,部分公司使用的隔膜厚度有的達到31層。由于隔膜生產較高的技術門檻,國內鋰離子電池隔膜技術與國外尚有一些差距。


資料顯示,隔膜是一種特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結構,在吸收電解液后,可隔離正、負極以防止短路。同時給鋰離子電池供應實現(xiàn)充放電功能、倍率性能的微孔通道,實現(xiàn)鋰離子的傳導。在電池過充或者溫度變化較大時,隔膜通過閉孔來阻隔電流傳導以防止爆炸。


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