Explicación completa del conocimiento sobre las baterías de iones de litio - Director de I+D de baterías de Tritek

Explicación completa del conocimiento sobre las baterías de iones de litio - Director de I+D de baterías de Tritek

Con el desarrollo de la nueva industria energética global, las baterías de litio se han convertido en una industria de alta demanda, y las baterías de litio de energía se han convertido en un área concentrada de crecimiento de la demanda para la industria de las baterías de litio.
¿Entiendes completamente los conocimientos técnicos sobre las baterías de iones de litio? Aquí tienes una guía completa que los resume, elaborada por el director de I+D de Tritek.
También hemos preparado un glosario de términos de bicicletas eléctricas (https://tritekbattery.com/zh-CN/ebike-glossary-of-terms/) para su búsqueda rápida.

Contenido [ocultar]
1 Conocimientos básicos de las células
1.1 Historia del desarrollo de las baterías
1.2 Categoría de batería
1.3 Dirección de desarrollo de las baterías de energía
1.4 Batería de litio: historia del desarrollo
Batería de litio de 1,5 V: cómo funciona
1.6 Baterías de litio: principio de funcionamiento, procesos de carga y descarga
1.7 Composición estructural de la batería de litio
1.8 Batería de litio – material del cátodo
1.9 Baterías de litio – Clasificación
1.10 Parámetros de rendimiento de la batería de litio
1.11 1.4 Batería de litio: curva de carga y descarga
1.12 Batería de litio: rendimiento a altas y bajas temperaturas
1.13 Batería de litio: rendimiento a altas y bajas temperaturas
1.14 Batería de litio: rendimiento del ciclo a diferentes velocidades de carga
1.15 Batería de litio: rendimiento del ciclo a diferentes velocidades de descarga
1.16 Batería de litio: efecto de la DOD en el ciclo de vida
1.17 Batería de litio: efecto de la temperatura en el ciclo de vida
1.18 Batería de litio: tasa de descarga a temperatura normal, eficiencia de descarga, aumento de temperatura
1.19 Batería de litio: carga a temperatura normal, eficiencia de carga, aumento de temperatura
1.20 Batería de litio: principio de aumento de temperatura de carga y descarga duplicada
1.21 Paquete de baterías de litio a juego
2 Conocimiento del material celular
2.1 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: electrodo positivo
2.2 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: electrodo negativo
2.3 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: agente conductor
2.4 Conocimiento del material de la batería: aglutinantes
2.5 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: lámina
2.6 Conocimiento del material del núcleo de la batería——Lug
2.7 Conocimiento del material del núcleo de la batería: separador
2.8 Conocimiento del material de la batería: electrolito
2.9 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: carcasa de acero
2.10 Conocimiento del material de la batería——Cap
2.11 Conocimiento del material del núcleo de la batería: dispositivo de seguridad
3 Conocimientos de tecnología celular
3.1 Flujo de conocimiento del proceso celular
4. Conocimiento de la estructura celular
4.1 Conocimiento de la estructura celular
4.2 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: pila cuadrada
4.3 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: laminación cuadrada en forma de Z
4.4 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: laminación de película cuadrada
4.5 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado de terminales múltiples cuadrados
4.6 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: devanado cilíndrico de una sola terminal con múltiples terminales
4.7 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico de terminal completo
4 8 Resumen de conocimientos sobre la estructura celular

Fundamentos de la célula
desarrollo de baterías

Una batería es un dispositivo que convierte la energía química en energía eléctrica. Proporciona energía eléctrica directamente al exterior mediante reacciones químicas dentro de la batería.

Categoría de batería

Las baterías se dividen principalmente en tres tipos: químicas, físicas y biológicas. A continuación se muestra un mapa conceptual de la clasificación de las baterías.

La dirección del desarrollo de las baterías de energía

Batería de níquel-cadmio → Batería de níquel-zinc → Batería de plomo-ácido → Batería de Ni-MH → Batería de iones de litio → Pila de combustible

Baterías de níquel-cadmio:gravemente contaminados y han sido básicamente eliminados.

Batería de níquel-zinc:Corta vida útil y rendimiento no adecuado para baterías de automóviles.

Batería de plomo-ácido:Se utilizó inicialmente como batería de vehículo y aún se utiliza. Tiene un bajo costo, pero baja energía específica, alta tasa de autodescarga, baja vida útil y es perjudicial para el medio ambiente.

Baterías de níquel-hidruro metálico:Se utilizan con mayor frecuencia en vehículos eléctricos híbridos (HEV), tienen mejor rendimiento pero son más costosos y contienen níquel, un metal contaminante.

Batería de iones de litio:El punto caliente actual en la industria de baterías para automóviles, con buen rendimiento y protección del medio ambiente.

Los productos LEV de Triteks, como baterías para bicicletas eléctricas, baterías para bicicletas eléctricas personalizadas, baterías para motocicletas eléctricas y baterías para bicicletas de carga, utilizan baterías de iones de litio.

Pila de combustible:Aún no está industrializado, tiene buen rendimiento y es ecológico, pero el precio es elevado.

Batería de litio: historia del desarrollo

El carbono se utiliza como electrodo negativo y el compuesto de litio se utiliza como electrodo positivo; durante el proceso de carga y descarga, los iones de litio se desplazan entre el electrodo positivo y el electrodo negativo, de ahí el nombre de batería de iones de litio.

Batería de litio: cómo funciona

Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio, los iones de litio se mueven del electrodo positivo al negativo y luego al positivo. Es como una mecedora, con los iones de litio moviéndose entre los dos extremos de la batería. Este sistema de almacenamiento de energía electroquímica se denomina "batería mecedora".

Baterías de litio: principio de funcionamiento, procesos de carga y descarga

1.6.1 Los iones de litio se incrustan en la estructura en capas del material del cátodo antes de la carga.

1.6.2 Una vez que comienza la carga, el material del electrodo positivo pierde electrones y los iones de litio escapan del material del electrodo positivo.

1.6.3 Los iones de litio llegan al material de grafito del electrodo negativo a través del electrolito y el separador.

1.6.4 Los iones de litio están incrustados en la capa de grafito, mientras que los electrones llegan al electrodo negativo a través del circuito externo, formando un grafito incrustado en litio relativamente estable.

1.6.5 A medida que continúa el proceso de carga, el material del electrodo positivo continúa perdiendo electrones y los iones de litio continúan desintercalándose hasta que se completa la carga.

1.6.6 Los electrones abandonan el material del electrodo negativo y fluyen hacia el electrodo positivo a través del circuito externo. Los iones de litio que han perdido electrones también escapan de la capa de grafito.

1.6.7 Los iones de litio extraídos del electrodo negativo regresan al material del electrodo positivo a través del electrolito y el separador, y se combinan con los electrones que llegan al electrodo positivo a través del circuito externo para formar un material de electrodo positivo incrustado con litio relativamente estable.

Composición estructural de la batería de litio

Batería de litio: material del cátodo

Baterías de litio – Clasificación

Las baterías de litio se pueden clasificar por forma, carcasa y proceso.

TritekSe utiliza una estructura de carcasa de acero cilíndrica laminada, principalmente baterías 18650 y 21700.

capacidad de la batería
Capacidad de descarga de batería 1I a temperatura ambiente (Ah) 1 (A) la corriente alcanza el voltaje final.

Fórmula: C=It, es decir, capacidad de la batería (Ah) = corriente (A) x tiempo de descarga (h).

La capacidad de la batería se refiere a la cantidad de energía que una batería puede obtener o almacenar.

La capacidad está determinada por el material activo del electrodo y se ve afectada principalmente por la velocidad de descarga y la temperatura (por lo que, estrictamente hablando, la capacidad de la batería debe especificar las condiciones de carga y descarga).

Relación entre la capacidad y la temperatura de escape:

Voltaje
Se refiere a la diferencia de potencial (PD) entre los electrodos positivo y negativo de la batería (el voltaje se ve afectado por la energía de la batería, la temperatura y otras condiciones).

Cómo elegir el voltaje adecuado para la batería de tu moto eléctrica

Voltaje de circuito abierto (OCV)
El voltaje de una batería cuando no está conectada a un circuito externo ni a una carga externa. El voltaje de circuito abierto está relacionado con la energía restante de la batería, y la visualización de la energía se basa en este principio.

Voltaje de circuito cerrado (CCV)
Se refiere a la diferencia de potencial (PD) entre los electrodos positivo y negativo de la batería en condiciones de trabajo, es decir, cuando la corriente fluye a través del circuito.

Etapa de carga (SOC)
Es la relación entre la carga restante de la batería y la carga total de la batería. Un SOC = 0 % significa que la batería está completamente agotada, y un SOC = 100 % significa que la batería está completamente cargada.

El SOC se calcula utilizando el sistema de gestión de la batería (BMS).

Profundidad de descarga (DOD)
Se refiere a la profundidad de descarga de la batería, es decir, el porcentaje de descarga de la batería respecto a su capacidad nominal. A diferencia del estado de carga (SOC), una DOD = 100 % significa que la batería está descargada y una DOD = 0 % significa que está completamente cargada. La relación entre la DOD y el estado de carga es la siguiente: DOD + SOC = 1.

resistencia interna
Se refiere a la resistencia de la corriente que fluye a través de la batería cuando está en funcionamiento. Generalmente se divide en resistencia interna de CA (corriente alterna) y resistencia interna de CC (corriente continua). Normalmente, las baterías con baja resistencia interna tienen una alta capacidad de descarga, mientras que las baterías con alta resistencia interna tienen una capacidad de descarga débil. La resistencia interna de la batería generará una gran cantidad de calor Joule, lo que aumentará su temperatura interna, provocando una disminución de la tensión de descarga y un menor tiempo de descarga, lo que afecta su rendimiento y vida útil.

La temperatura sube
El calor generado cuando la corriente pasa a través de un conductor Q=I2Rt

Tiempo de meseta de descarga
El tiempo de meseta de descarga se refiere al tiempo que tarda la batería en descargarse a un voltaje determinado tras su carga completa. La meseta de descarga es una característica de la curva de descarga de la batería. Se mide en minutos.

Relación de corriente constante de carga
Relación entre la carga a corriente constante y la capacidad total de carga a corriente y voltaje constantes. Cuanto mayor sea la relación a corriente constante, mejor será el rendimiento de la batería. La unidad de la relación a corriente constante es el porcentaje (%).

ciclo de vida
El ciclo de vida de la batería se refiere a la cantidad de cargas y descargas que experimenta una batería bajo un determinado sistema de carga y descarga cuando la capacidad de la batería cae a un valor específico.

Entendiendo la vida útil de la batería de litio: ¿Cuántos ciclos de carga puedes esperar?

Tasa de carga y descarga
La tasa de carga-descarga se refiere a la corriente que necesita la batería para descargar su capacidad nominal en un tiempo específico. 1C es igual a la capacidad nominal de la batería, generalmente representada por la letra C.

tasa de autodescarga
La tasa de autodescarga, también conocida como tasa de retención de carga, se refiere a la relación entre la capacidad reducida y la capacidad inicial de una batería en circuito abierto tras cargarse completamente en determinadas condiciones y almacenarse durante un tiempo determinado. La unidad de la tasa de autodescarga es el porcentaje (%).

Cuanto menor sea la autodescarga, mejor, y cuanto mayor sea la retención de carga, mejor. Las baterías con una alta autodescarga tienden a experimentar una rápida caída de tensión tras un periodo de almacenamiento. Esto se ve afectado principalmente por el proceso de fabricación, los materiales, las condiciones de almacenamiento y otros factores.

Eficiencia de carga
La capacidad de una batería para almacenar energía química se mide mediante la conversión de la energía eléctrica consumida durante la carga. Esto se ve afectado principalmente por la tecnología de la batería, su fórmula, la temperatura ambiente, la velocidad de carga y otros factores. En general, a mayor velocidad de carga, menor eficiencia de carga. A menor temperatura, menor eficiencia de carga.

Eficiencia de descarga
En ciertas condiciones de descarga, la relación entre la descarga real de la batería, desde la descarga hasta el voltaje final, y la capacidad nominal se ve afectada principalmente por factores como la velocidad de descarga, la temperatura ambiente y la resistencia interna. En general, a mayor velocidad de descarga, menor eficiencia de descarga. A menor temperatura, menor eficiencia de descarga.

nueva energía
Fórmula: Energía (Wh) = Voltaje de trabajo (V) × Corriente de trabajo (A) × Tiempo de trabajo (h) = Voltaje × Capacidad

Energía específica (densidad de energía)
La energía proporcionada por la batería por unidad de masa o unidad de volumen se denomina energía específica de masa o energía específica de volumen, también conocida como densidad de energía.

Generalmente se expresa en densidad energética volumétrica (Wh/L) o densidad energética másica (Wh/kg). Si la batería de litio pesa 143 g, tiene una tensión nominal de 3,2 V, una capacidad de 6500 mAh y una densidad energética de 145 Wh/kg (3,2 x 6500/143).

1.4 Curva de carga y descarga de la batería de litio

Curva de carga

Curva de descarga

Batería de litio: rendimiento a altas y bajas temperaturas

Batería de litio: rendimiento a altas y bajas temperaturas

Baterías de litio: rendimiento del ciclo a diferentes velocidades de carga

Batería de litio: rendimiento del ciclo a diferentes velocidades de descarga

Baterías de litio: impacto del Departamento de Defensa en su ciclo de vida

Baterías de litio: efecto de la temperatura en el ciclo de vida

Batería de litio: tasa de descarga a temperatura normal, eficiencia de descarga, aumento de temperatura
Descarga a temperatura normal

1. Carga: corriente constante y voltaje constante, corriente 1,25 A (0,5 C), voltaje límite superior 4,2 V, corriente de corte 0,05 A (0,02 C);

2. Dejar reposar: 10min;

3. Descarga: descarga de corriente constante con diferentes tamaños de corriente, voltaje límite inferior 2,75 V;

4. Eficiencia de descarga = capacidad de descarga a cada velocidad/capacidad de descarga de 0,5 A (0,2 C);

Batería de litio: carga a temperatura normal, eficiencia de carga, aumento de temperatura
Cargos por tarifa de temperatura normal

1. Descarga: corriente 0,52 A (0,2 C), corriente constante a 2,75 V;

2. Dejar reposar: 10min;

3. Carga: utilice carga de corriente constante y voltaje constante de diferentes tamaños, el voltaje más alto es 4,2 V;

4. Eficiencia de carga = capacidad de carga de corriente constante a cada velocidad/capacidad de descarga de 2,5 A (1 C);

Batería de litio: principio de duplicación de carga y aumento de temperatura de descarga

El calor generado durante el proceso de carga y descarga de las baterías de litio se compone principalmente de tres partes:

Forma: calor de polarización, calor óhmico, calor de reacción, el calor de reacción es una reacción endotérmica.

responsable de;

Cuanto mayor sea la relación carga-descarga (corriente), mayor será la resistencia interna de polarización y mayor la generación de calor.

Batería de litio – paquete de baterías compatible

Ocho principios de combinación de baterías consistentes: capacidad consistente, resistencia interna consistente, relación de corriente constante consistente, tiempo de plataforma consistente, autodescarga consistente, voltaje consistente, carga cargada consistente y ciclo consistente.

Conocimiento del material celular

Conocimiento del material del núcleo de la batería: electrodo positivo
Categoría de electrodo positivo: fosfato de hierro y litio, NCM/NCA ternario, manganato de litio, óxido de cobalto y litio, fosfato de hierro y manganeso y litio.

Conocimiento del material del núcleo de la batería: electrodo negativo
Clasificación de materiales activos negativos: grafito artificial, grafito natural, perlas de carbono de mesofase, carbono blando, carbono duro y fibra de carbono.

Conocimiento del material del núcleo de la batería: agente conductor
El agente conductor garantiza un buen rendimiento de carga y descarga del electrodo. Al fabricar placas de electrodos, se suele añadir cierta cantidad de material conductor para mejorar la eficiencia de carga y descarga del electrodo.

Conocimiento del material de las baterías: adhesivos

Conocimiento del material del núcleo de la batería: lámina

El colector de corriente se refiere a la recolección de la corriente generada por el material activo de la batería para formar una salida de corriente mayor, con contacto total con el material activo, pequeña resistencia interna y buena conductividad.

Lámina de aluminioEl potencial del electrodo positivo es alto y la película de óxido es muy densa, lo que evita la oxidación del colector de corriente. La película de óxido de la lámina de cobre es relativamente suelta. Para prevenir la oxidación, es preferible un potencial bajo. El litio y el cobre no son fáciles de alear con litio incorporado a bajo potencial.

Lámina de cobreLa película de óxido sobre la superficie del cobre es un semiconductor y conduce electrones. Si la película de óxido es demasiado gruesa y la resistencia es alta, el AL se alea con LiAl al bajo potencial del electrodo negativo, es decir, el Al incrustará litio en dicho electrodo.

Conocimiento del material del núcleo de la batería——Lug

Las lengüetas son los conductores metálicos que conectan los terminales positivo y negativo de la batería. En general, las lengüetas de los polos positivo y negativo de la batería son los puntos de contacto durante la carga y la descarga.

Conocimiento del material del núcleo de la batería: diafragma

Material: una sola capa de PE (polietileno) o tres capas de compuesto de PP (polipropileno) + PE + PP

Función:

1.Separe los terminales positivo y negativo de la batería para evitar cortocircuitos;
2. Absorbe el electrolito de la batería para garantizar una alta conductividad iónica;
3. Algunos también evitan que sustancias nocivas se transfieran y reaccionen entre los electrodos;
4. Asegura que la batería deje de responder cuando ocurre alguna anomalía y mejora el rendimiento de seguridad de la batería.

Conocimiento del material de la batería: electrolito

El electrolito contribuye a la conducción de iones entre los electrodos positivo y negativo de la batería, y actúa como puente que conecta los materiales de ambos electrodos. Opere únicamente en un entorno seco (como una guantera con una humedad inferior a 20 ppm).

1. Sal de litio: LiPF6
2.Disolvente: EC, DMC, EMC
3. Aditivos: agente formador de película, agente anti-sobrecarga, retardante de llama, estabilizador, etc.

Conocimiento del material del núcleo de la batería: carcasa de acero

La función principal de la carcasa de acero de la batería es proporcionar un buen entorno electroquímico.

Características de rendimiento de la caja de acero de la batería:

1. El material tiene un buen rendimiento de procesamiento, alta precisión y alta resistencia;
2. La superficie de la batería tiene una alta dureza y tiene cierto rendimiento de soporte de carga.
3. Niquelado: la batería tiene buena resistencia a la corrosión.
4.La parte inferior generalmente no se puede soldar con puntos láser.

Conocimiento del material de la batería——Cap

La función principal de la tapa es proporcionar una función de sellado de la batería, proporcionar una válvula de seguridad y servir como terminal conductor positivo.

Requisitos técnicos de las tapas de botellas:

1. El anillo de sellado está hecho de polietileno propileno y no se deformará a 135 °C;
2. La superficie es lisa, el espesor de la pared es uniforme y la apariencia no está dañada;
3. La presión de apertura de la tapa de la botella es de 1,2 ± 0,1 Mpa y la presión de apertura es de 1,8 ± 0,1 Mpa;
4.La junta pequeña no se deformará ni se derretirá a 350 °C;
5. Generalmente las tapas no se sueldan a altas temperaturas.

Conocimiento del material del núcleo de la batería: dispositivo de seguridad

Las baterías cilíndricas de fosfato de hierro y litio de algunos fabricantes incorporan respiraderos y válvulas de seguridad (CID) para mejorar su protección. La "doble protección" soluciona eficazmente sobrecargas, cortocircuitos, colisiones, etc.

Dispositivo de ventilación: cuando ocurre una reacción química en la batería, el gas generado en la batería se acumula en el respiradero a través del orificio de ventilación y las aberturas superior e inferior, lo que ayuda a que el gas en la batería se disipe, asegura el equilibrio de la presión del aire de las celdas de la batería y evita riesgos de seguridad.

Válvula de seguridad (CID): Cuando la presión interna alcanza 1,2 ± 0,1 MPa, se desconectan el terminal positivo y la tapa, suspendiendo así la reacción química en la batería. Cuando la presión interna alcanza 1,8 ± 0,1 MPa, se abre la válvula de seguridad y se descarga el gas para evitar el riesgo de explosión.

Conocimiento de los procesos celulares

Conocimiento del proceso celular - flujo del proceso

El siguiente es el flujo del proceso de la celda:

Conocimiento de la estructura celular
El siguiente es un mapa mental del conocimiento estructural:

Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: pila cuadrada

Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: laminaciones cuadradas en forma de Z

Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: laminación de película cuadrada

Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado multiterminal cuadrado

Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico de una sola terminal con múltiples terminales

Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico de oreja completa

Conocimiento de la estructura celular – resumen

Resumen: La ventaja del laminado es que el proceso es fácil de controlar, y la ventaja de la laminación es que la densidad de energía de la batería es ligeramente mayor y el PAQUETE es conveniente.

resumen:

Los terminales múltiples tienen muchas deficiencias, especialmente ciertos riesgos de seguridad; pero cuando la capacidad es pequeña, tienen la ventaja de la densidad de energía.

El proyecto de orejeta completa es generalmente mejor, especialmente para la batería de capacidad, el proyecto de orejeta completa debería ser la primera opción.