家用吸尘器机器人、便携式电动工具锂电池开发生产

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家用吸尘器机器人、便携式电动工具锂电池开发生产

开发电动工具锂电池应注意的事项研究

2020-07-11 16:12 admin

摘要锂离子电池具有高比能量、长寿命、对环境友好等显著优点,在电动工具中使用越来越广泛。普 通的镣、钻、悟三元材料锂离子电池在常温、高温下具有较高的循环寿命,但在低温下的高倍率性能、配组 工艺方面有待进一步提高。为了提高放电平台、改善低温性能,高犠的锂离子电池正逐渐得到使用。可以预 期,更安全、宽温幅、长寿命、新型配组工艺等将成为今后的电动工具用锂离子电池的研究热点。

近年来,随着电动工具的迅速发展,可充 电式电动工具产量逐年大幅增长,对可充电池 的需求量显著提高。据有关信息,已经增至年 需求量约5亿只电池。因此,世界各国都在致 力于开发电动工具用绿色环保型锂离子电池, 锂离子电池是一种先进的化学储能装置,具有 比能量高、循环寿命长和对环境友好等显著优 点。然而,锂离子电池高的高比能量就意味着 高的危险性,所以安全问题一直制约着锂离子 电池的应用
⑵。目前一些高倍率设计的锂离子 电池已经进入电动工具的应用,在这些电池中都' 不采用热稳定性较差的钻酸锂作为正极材料叫 而镣、钻、橘三元材料在电动工具领域具有相 对比较明显的优势,近几年得到了快速发展。 目前中国电动工具生产量占世界总产量的80% 以上,而且每年对欧美均有大量的岀口。
1电动工具用三元锂离子电池的主要特 性
目前,电动工具用的三元锂离子电池是指 正极材料釆用镣、钻、镒混合氧化物制备的锂 离子电池,一般都经过串并联组合使用(图1)。 单体电池规格主要有18650,而22430、22650、 26650等目前使用较少。电动工具正常使用时 电流较大,使用时还经常碰到堵钻、卡钻等异 常情况,这时电流较大,所以电动工具用锂离 子电池与一般数码类锂离子电池要求不同,电 池要求除了具有高倍率连续放电性能,还必须 具有更高倍率的脉冲放电性能。

a) 18650单体电池
b) 4串电池组
c) 5串电池组

1.1高功率
电动工具中使用的锂离子电池一般都要求 具有较高的功率特性。小型的电动工具(如螺 丝批等)可以单支使用,电池放电要求在5C 倍率左右。枪钻的使用要求单体电池放电电 流不大于10C倍率,同时可以20C连续放电,
30C脉冲放电。图2是3、3、3比例的三元材 料典型曲线图。
4. 5
4

1.2长寿命

三元锂离子电池具有较长的循环寿命。循 环可以在两种条件下分别测试,一种是常温 23土3C条件,另一种是55C高温条件测试。 大部分电动工具的使用电流不到10C,所以我 们在测试时按照I0C放电的标准进行测试。
通过优选负极及电解液、适当降低极片面 密度、延长极片长度、增加极耳数量等措施, 提高电池的循环寿命。在常温条件下一般1C 充10C放电循环1000次,容量保持初次容量 的80%以上(图3a)。
由于锂离子电池在高温下加速负极表面 的SEI膜在电解液中的溶解,所以电池在高温 下的循环寿命不如常温。采取优选电解液、优 化化成工艺、老化工艺等措施,提高负极表面 SEI膜的致密性,减缓表面的SEI膜在电解液 中的溶解,使三元锂离子电池即使在55C高温 条件下,1C充10C放电循环300次,容量也

能保持在88%以上, 一般镒酸锂电池 很难达到这样的性能。
  
循环次数(次)
b) 55。循环
 
1.3高安全
电池能通过针刺、挤压、重物撞击等安全 性能测试项目,测试时电池应不起火、不爆炸。
同时电池还能通过过充、过放、短路、高温、 温度冲击、低气压等安生性能项目测试。试验 时电池应不起火、不爆炸。

a)针刺时
b)挤压时
图4电动工具用三元锂离子电池的安全测试

C)重物撞击后
1.4 一致性要求 联后组合使用。为了延长使用寿命和提高安全
电动工具用锂离子电池一般都是经过串并 可靠性,这就要求电池组中各单体电池之间具

有较高的一致性。一致性不仅只是要求使用初 期的电池组内单体电池间的性能一致性,而且 最好能确保整个使用寿命周期内性能一致。目 前,以18650电池为例,在电动工具中使用一 般要求电池组初期电池容量偏差W 20mAh,电 压差W 10mV,内阻差V ImQ0
我们曾做过这样的试验,将1300mAh的 三元动力型电池按照上述要求配成4串电池组, 再将其中的个别电池人为充放一定量的电,使 其不一致,再进行1C充10C放电循环测试比 较。充放电电压范围为16.8V ~ 11V。A、B、C、 D不带保护板,E带保护板且有均衡功能。
图5中,A :正常配组的4串电池组;B : 其中1支电池放电50mAh ; C :其中1支电池 充电50mAh ; D :其中1支电池放电50mAh, 另一支放电80mAh ; E :带保护板且有均衡功 能正常电池组。

电池组配组时容量差 在50mAh以内,1C充10C放电循环寿命在 500次内基本一致,A、B、C三条曲线基本重 合,循环500次容量保持80%以上。容量差达 到80mAh时循环寿命明显偏低,只能保持438 次循环,容量保持80.14%以上,循环497次 容量只有不到60.14%。保护板带均衡功能的电 池组寿命明显好于其他电池组,循环500次容 量保持89.89%O

1不同状态4串电池组在充满电时组内最大电压差
电池组 第1次 (mV) 第300次
(mV)
第500次
(mV)
A 7.3 15.6 18.6
B 32.1 27.4 41.3
C 32.2 28.0 41.6
D 61.3 65.2 80.2
E 6.2 8.3 7.1
 
表1是以上电池组充电到16.8V时的电压 差。容量差在20mAh以内,第1次充电电压 差在10mV以内,循环500次电压差在20mV 以内。容量差在50mAh左右的B组和C组, 第1次充电电压差在32mV,循环500次电压 差在41mVo容量差在80mAh左右的D组, 第1次充电电压差在61mV,循环500次电压 差在80mVo而带保护板的E组电池组的第1 次充电电压差为6mV,循环500次后电压差为 7mV,循环前后几乎没有变化。
由此可见,从延长电池使用寿命角度出发, 当电池组在配组时容量范围在50mAh以内, 最好配带均衡功能的保护板。
1.5荷电保持
锂离子电池的荷电保持可以从两方面进行 测试其性能,一是满电态荷电保持,二是半电 态荷电保持。
电动工具用三元锂离子电池具有较好的荷 电保持性能,搁置第一个月容量损失最大,第 二个月起开始减缓。从图6可以看岀,满电态 电池搁置12个月,荷电保持70%以上。半电 态搁置电池荷电保持性能更好,可以达到90% 以上。
 
2高镒锂离子电池的主要特征 4.5

由于车孟资源丰富,制备的材料价格低廉、 放电平台高、安全性高等特点受到大家高度关 注。但高镒锂离子电池如何确保循环寿命好、 高温性能好,需要在材料制备及电池制备工艺 等方面有所突破。近几年,江苏海四达电源股 份有限公司对此展开了研究。
纯镒酸锂正极材料由于其比容量偏低、压 实密度低、高温性能存在缺陷等原因较少单独 使用。为了提高电池的放电平台、改善低温性 能。我们用不同型号的高镒材料进行对比试验, 设定A为用进口高镐材料制备的电池,B为国 内某甲厂家生产的倍率型高镒材料制备的电池, H为国内某乙厂家生产的倍率型高镒材料制备 电池,T为普通三元材料制备电池。取这四种 电池进行性能测试比较。
2.1放电性能
常温下,高镒锂离子电池的10C放电的中 值电压为3.517V,普通三元电池10C放电的 中值电压为3.393V,高镒锂离子电池平台比普 通三元高(图7a),在电动工具使用中体现为 输出功率高。在-IOC条件下高镒锂离子电池 的10C放电的中值电压为3.291V,放电初期 的最低电压为3.048V,普通三元电池10C放 电的中值电压为3.154V,放电初期的最低电压 为2.63V,在低温条件下使用效果明显好于普 通三元电池(图7b)。在北方气温偏低的地区 或对电池使用高温要求不高的工具上使用具有
1000 1500
放电容量(mAh)
b) -IOC 10C放电曲线
图7高镒电池与普通三元电池10C放电比较曲线
较好的效果。
2.2荷电保持比较
将电池测试初始容量后再充满电,分别在 常温23'C和高温55C条件下搁置28天,再分 别测试容量,计算荷电保持(表2)。从表中可 以看出,常温下普通三元与进口高镒电池的荷 电保持略好于国产高镒电池,而在高温条件下 普通三元的荷电保持最好。高铳电池中,进口 高车孟相对最好。

高锭电池的高温循环明 显不如普通三元电池的高温性能。进口高镒电 池的高温性能好于国产高锭电池。
由于纯镒酸锂在55 °C以上会发生Jahn- teller效应,容量会衰减很快,虽然各厂家都在 对镐酸锂进行改性,其高温性能有所提高,但 纯镒酸锂材料制成的电池高温下倍率放电寿命 与三元比还有较大的差距。三种高镒材料从目 前做成电池测试的情况看,其高温性能均不如 三元。此类电池不适合配套长期在高温条件下 使用的电动工具中。

3存在问题及今后的发展方向

3.1存在问题
目前锂离子电池在电动工具使用中还存在 如下主要问题:

3.1.1安全问题
电池在经受热冲击、针刺、挤压、过充、 短路等情况时如果温度较高,会导致电池负极 表面的SEI膜发生分解间,高度嵌锂的负极材 料会与电解液发生放热反应,电池开始进入危 险期,如果电池散热速度慢,导致电池内部温 度进一步上升,隔膜熔化,电池内部发生短路, 温度急剧升高,引发正极材料参加反应,最后 发生爆炸等安全事故,这个过程一般称为“热 失控”叫锂离子电池的热失控是锂离子电池 发生恶性事故的最主要因素。
电动工具用锂离子电池经过多年的发展, 安全性能得到了很大的提高。已有多个标准对 锂离子电池的安全性进行检验和评价。但众多 的检测方法标准只规定了在150C以下的检测, 还没有对电池温度高于150C时的危害程度进 行评判。而电池内部发生热失控是造成电池高 温的主要原因。如能深入了解锂离子电池的热 失控机理,采取相应的防范措施就能有效地提 高锂离子电池的本质安全。

3.1.2低温下的高倍率性能
三元锂离子电池的高倍率性能通常指常温 下的高倍率性能,由于锂离子电池的电解液是 有机电解液,在考虑高倍率性能时低温性能会 受到影响。虽然经过优化电解液配方的改进, 低温性能有了较大的改善,仍达不到常温下的 使用效果。这就使得电动工具在特低温下(一 般指在-2(rc以下)使用受到一定的限制。

3.1.3配组工艺
虽然锂离子电池组在电动工具上使用时保 护板功能中大都考虑用均衡来弥补电池组失衡 导致的过充、过放。电动工具用锂离子电池在 配组时还要考虑容量、内阻、荷电保持的一致性。 这是静态的一致性,但仅仅这些条件还远远不 够,使用时必须是动态的一致性。也就是说同 组电池在不同倍率、不同温度等使用条件下充 电、放电、搁置及整个使用寿命周期都保持良 好的一致性。因此配组工艺的进一步优化是保 证电池组在使用寿命周期内具有良好一致性的 有效保障。

3.2今后的发展方向
近几年来,人们在电动工具用锂离子电池 的安全性能及电性能方面进行了大量的研究, 取得了很大的进步。电动工具用锂离子电池在 安全性能方面可完全满足IEC 62133-2002、 UL 1642—2007、UN 38.3等标准中的相关要 求,但需进一步提高电池本质安全性,避免电 池发生热失控时引发伤害事故。如何提高电池 的安全性涉及到材料、电池制造工艺、制造质 量控制水平等许多方面。随着人们对安全和环 保要求的不断提高,锂离子电池将在电动工具 领域得到广泛使用。锂离子电池在电动工具上 使用己从3串使用发展到8串及10串,由于电 动工具各家制造商对锂离子的特性在理解上有 所不同,所以对锂离子电池组的要求也有所不 同,对电池组内的单体电池间的一致性提出了 更高的要求。锂离子电池组配纸工艺的优化也 将成为未来新的研究热点。为了使电动工具更 能适用不同地区不同季节使用,对电池在高低 温下的性能要求更高,高镭锂离子电池能宽温 幅高倍率的使用将会引起人们的关注,高锭锂 离子电池将会在电动工具中得到广泛的应用。

 


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