Explicación exhaustiva del conocimiento sobre baterías de iones de litio - Director de I+D de baterías de Tritek
Con el desarrollo de la industria global de las nuevas energías, las baterías de litio se han convertido en una industria de alta demanda, y las baterías de litio de alta potencia se han convertido en un área concentrada de crecimiento de la demanda para la industria de las baterías de litio.
¿Comprendes completamente los aspectos técnicos de 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 que pueda realizar una búsqueda rápida.
Contenido [ocultar]
1. Conocimientos básicos sobre las células
1.1 Historia del desarrollo de las baterías
1.2 Categoría de batería
1.3 Dirección de desarrollo de las baterías de potencia
1.4 Batería de litio: historia de su desarrollo
Batería de litio de 1,5 galones: 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 Rendimiento de la batería de litio a altas y bajas temperaturas
1.13 Rendimiento de las baterías de litio 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 tasas de descarga
1.16 Batería de litio: efecto de la profundidad de descarga (DOD) en la vida útil del ciclo
1.17 Batería de litio: efecto de la temperatura en la vida útil del ciclo
1.18 Batería de litio: tasa de descarga a temperatura normal, eficiencia de descarga, aumento de temperatura
1.19 Batería de litio: velocidad de carga a temperatura normal, eficiencia de carga, aumento de temperatura
1.20 Batería de litio: principio del aumento de temperatura duplicado durante la carga y descarga
1.21 Paquete de baterías de litio compatibles
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 de los materiales de las baterías: aglutinantes
2.5 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: lámina
2.6 Conocimiento del material central de la batería——Tornillo
2.7 Conocimiento del material central de la batería: separador
2.8 Conocimiento de los materiales de las baterías – electrolito
2.9 Conocimiento de los materiales del núcleo de la batería: carcasa de acero
2.10 Conocimientos sobre materiales de baterías: Tapa
2.11 Conocimiento del material base de la batería: dispositivo de seguridad
3. Conocimientos sobre tecnología celular
3.1 Proceso celular: flujo del proceso de conocimiento
4. Conocimiento de la estructura celular
4.1 Conocimiento de la estructura celular
4.2 Conocimiento de la estructura central 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 cuadrado de múltiples terminales
4.6 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico simple de múltiples terminales
4.7 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico con terminales completos
4.8 Conocimientos sobre la estructura celular - Resumen
Conceptos básicos 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 que tienen lugar en su interior.
Categoría de baterías
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 de desarrollo de las baterías de potencia
Batería de níquel-cadmio → Batería de níquel-zinc → Batería de plomo-ácido → Batería de níquel-metal hidruro → Batería de iones de litio → Pila de combustible
Baterías de níquel-cadmio:gravemente contaminados y prácticamente eliminados.
Batería de níquel-zinc:Su corta vida útil y rendimiento no son adecuados para baterías de automóviles.
Batería de plomo-ácido:Se utilizó por primera vez como batería para vehículos y todavía se usa hoy en día. Tiene un bajo coste, pero una baja energía específica, una alta tasa de autodescarga, una vida útil corta y no es respetuosa con el medio ambiente.
Baterías de níquel-metal hidruro:Se utilizan con mayor frecuencia en los HEV (vehículos eléctricos híbridos), ofrecen un mejor rendimiento pero son más caros y contienen níquel, un metal contaminante.
Batería de iones de litio:Actualmente, es el sector más demandado en la industria de las baterías para automóviles, gracias a su buen rendimiento y respeto por el medio ambiente.
Los productos LEV de Triteks, como las baterías para bicicletas eléctricas, las baterías personalizadas para bicicletas eléctricas, las baterías para motocicletas eléctricas y las baterías para bicicletas de carga, utilizan baterías de iones de litio.
Pila de combustible:Aún no está industrializado, tiene buen rendimiento y es respetuoso con el medio ambiente, pero su precio es elevado.
Batería de litio: historia de su desarrollo
El carbono se utiliza como electrodo negativo y el compuesto de litio como electrodo positivo; durante el proceso de carga y descarga, los iones de litio se desplazan de un lado a otro entre el electrodo positivo y el negativo, de ahí el nombre de la batería de iones de litio.
Batería de litio: cómo funciona
Durante la carga y descarga de las baterías de iones de litio, los iones de litio se mueven constantemente entre el electrodo positivo y el negativo, de regreso al positivo. Este movimiento se asemeja al de una mecedora, donde los iones de litio oscilan entre los dos extremos de la batería. Este sistema de almacenamiento de energía electroquímica se denomina «batería de mecedora».
Baterías de litio: principio de funcionamiento, procesos de carga y descarga.
1.6.1 Los iones de litio están incrustados en la estructura en capas del material del cátodo antes de la carga.
1.6.2 Después de 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 con litio incrustado 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 con litio incorporado 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 su forma, carcasa y proceso de fabricación.
TritekSe utiliza una estructura de carcasa cilíndrica de acero laminado, principalmente para baterías 18650 y 21700.
capacidad de la batería
1I capacidad de descarga de la batería 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 tasa de descarga y la temperatura (por lo que, estrictamente hablando, la capacidad de la batería debería especificar las condiciones de carga y descarga).
Relación entre capacidad y temperatura de escape:
Voltaje
Se refiere a la diferencia de potencial (DP) entre los electrodos positivo y negativo de la batería (el voltaje se ve afectado por la potencia de la batería, la temperatura y otras condiciones).
Cómo elegir el voltaje adecuado para la batería de tu motocicleta eléctrica
Tensión de circuito abierto (OCV)
El voltaje de una batería cuando no está conectada a un circuito o carga externa. El voltaje en circuito abierto está relacionado con la energía restante de la batería, y el indicador de potencia se basa en este principio.
Tensión de circuito cerrado (CCV)
Se refiere a la diferencia de potencial (DP) entre los electrodos positivo y negativo de la batería en condiciones de funcionamiento, es decir, cuando la corriente fluye a través del circuito.
Etapa de carga (SOC)
Es el porcentaje de carga restante de la batería, que se calcula dividiendo la carga restante entre la carga total. Un SOC del 0% significa que la batería está completamente descargada, y un SOC del 100% significa que está completamente cargada.
El SOC se calcula utilizando el sistema de gestión de baterías (BMS).
Profundidad de descarga (DOD)
Se refiere a la profundidad de descarga de la batería, es decir, el porcentaje de descarga respecto a su capacidad nominal. A diferencia del SOC, un DOD del 100 % significa que la batería está descargada, y un DOD del 0 % significa que está completamente cargada. La relación entre DOD y SOC es la siguiente: DOD + SOC = 1.
resistencia interna
Se refiere a la resistencia al flujo de corriente 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 baja capacidad de descarga. La resistencia interna de la batería genera una gran cantidad de calor Joule, lo que aumenta su temperatura interna, provocando una disminución del voltaje de descarga y una reducción del tiempo de descarga, afectando gravemente su rendimiento y vida útil.
La temperatura sube
El calor generado cuando la corriente pasa a través de un conductor es Q=I²Rt
Tiempo de meseta de descarga
El tiempo de meseta de descarga se refiere al tiempo que tarda la batería en descargarse hasta un voltaje determinado después de estar completamente cargada. La meseta de descarga es una característica de la curva de descarga de la batería. Su unidad de medida es minutos.
relación de corriente constante de carga
La relación entre la capacidad de carga a corriente constante y la capacidad total de carga a corriente y tensión constantes. Cuanto mayor sea esta relación, mejor será el rendimiento de la batería. La unidad de la relación de corriente constante es el porcentaje (%).
vida útil del ciclo
La vida útil de una batería se refiere al número de cargas y descargas que experimenta bajo un determinado sistema de carga y descarga cuando su capacidad disminuye hasta un valor específico.
Comprender la vida útil de las baterías de litio: ¿Cuántos ciclos de carga se pueden 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 determinado. 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 después de haber sido cargada completamente bajo ciertas condiciones y almacenada durante un período 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 debe principalmente al 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. Esta capacidad se ve afectada principalmente por la tecnología y la composición de la batería, la temperatura ambiente, la velocidad de carga y otros factores. En general, a mayor velocidad de carga, menor eficiencia de carga. Asimismo, a menor temperatura, menor eficiencia de carga.
Eficiencia de descarga
En determinadas condiciones de descarga, la relación entre la cantidad real de energía descargada de la batería y su voltaje final, y su capacidad nominal, se ve afectada principalmente por factores como la tasa de descarga, la temperatura ambiente y la resistencia interna. En general, a mayor tasa de descarga, menor eficiencia de descarga; y a menor temperatura, menor eficiencia de descarga.
nueva energía
Fórmula: Energía (Wh) = Tensión de trabajo (V) × Corriente de trabajo (A) × Tiempo de trabajo (h) = Tensión × Capacidad
Energía específica (densidad de energía)
La energía que proporciona la batería por unidad de masa o por unidad de volumen se denomina energía específica de masa o energía específica de volumen, también conocida como densidad energética.
Suele expresarse en densidad de energía volumétrica (Wh/L) o densidad de energía 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 de energía de 145 Wh/kg (3,2 × 6500 / 143).
1.4 Curva de carga y descarga de la batería de litio
Curva de carga
Curva de descarga
Rendimiento de las baterías de litio a altas y bajas temperaturas
Rendimiento de las baterías de litio a altas y bajas temperaturas
Baterías de litio: rendimiento de ciclo a diferentes velocidades de carga
Batería de litio: rendimiento de ciclo a diferentes tasas de descarga
Baterías de litio: impacto de la profundidad de descarga en la vida útil
Baterías de litio: efecto de la temperatura en la vida útil
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: 10 minutos;
3. Descarga: descarga de corriente constante con diferentes tamaños de corriente, tensión límite inferior 2,75 V;
4. Eficiencia de descarga = capacidad de descarga a cada tasa/capacidad de descarga 0,5A (0,2C);
Batería de litio: velocidad de 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 hasta 2,75 V;
2. Dejar reposar: 10 minutos;
3. Carga: Utilice carga de corriente constante y voltaje constante de diferentes tamaños, el voltaje máximo es de 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 del aumento de temperatura de carga y 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 de 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 compatibilidad de baterías: capacidad constante, resistencia interna constante, relación de corriente constante, tiempo de plataforma constante, autodescarga constante, voltaje constante, carga constante y ciclo constante.
Conocimiento del material celular
Conocimientos sobre los materiales básicos de las baterías: electrodo positivo
Categoría de electrodo positivo: fosfato de hierro y litio, NCM/NCA ternario, manganato de litio, óxido de cobalto y litio, fosfato de manganeso y hierro de litio.
Conocimientos sobre los materiales básicos de las baterías: 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 principal de las baterías: agente conductor
El agente conductor garantiza un buen rendimiento de carga y descarga del electrodo. Al fabricar placas de electrodo, se suele añadir cierta cantidad de material conductor para mejorar su eficiencia de carga y descarga.
Conocimientos sobre materiales para baterías – adhesivos
Conocimientos sobre el material base de las baterías: 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, baja 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 porosa. Para prevenir la oxidación, es preferible un potencial bajo. A bajo potencial, el litio y el cobre no forman fácilmente aleaciones con litio incorporado.
Lámina de cobreLa película de óxido en la superficie del cobre es un semiconductor y conduce electrones. Si esta película es demasiado gruesa y su resistencia es alta, el aluminio (Al) se alea con el litio-aluminio (LiAl) a bajo potencial en el electrodo negativo, es decir, el aluminio incorpora litio en dicho electrodo.
Conocimiento del material central de la batería——Lug
Las terminales son los conductores metálicos que conectan los bornes positivo y negativo de la batería. Generalmente, las lengüetas de los polos positivo y negativo de la batería son los puntos de contacto durante la carga y descarga.
Conocimiento del material central de la batería: diafragma
Material: una sola capa de PE (polietileno) o tres capas de PP (polipropileno) + PE + PP compuesto.
Función:
1. Separe los terminales positivo y negativo de la batería para evitar cortocircuitos;
2. Adsorbe el electrolito de la batería para garantizar una alta conductividad iónica;
3. Algunos también impiden que sustancias nocivas se transfieran y reaccionen entre los electrodos;
4. Garantiza que la batería deje de responder cuando se produce una anomalía y mejora el rendimiento de seguridad de la batería.
Conocimientos sobre materiales de baterías – electrolito
El electrolito conduce los iones entre los electrodos positivo y negativo de la batería y actúa como puente entre los materiales de dichos electrodos. Solo debe utilizarse en un ambiente seco (como una caja de guantes 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.
Conocimientos sobre el material base 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 carcasa de acero para baterías:
1. El material tiene buen rendimiento de procesamiento, alta precisión y alta resistencia;
2. La superficie de la batería tiene una alta dureza y posee cierta capacidad de carga.
3. Niquelado: La batería tiene buena resistencia a la corrosión.
4. Generalmente, la parte inferior no se puede soldar por puntos con láser.
Conocimientos sobre materiales de baterías——Cap
La función principal de la tapa es proporcionar sellado a la batería, una válvula de seguridad y servir como terminal conductor positivo.
Requisitos técnicos de los tapones de botella:
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 1,2±0,1Mpa, y la presión de apertura es 1,8±0,1Mpa;
4.La junta pequeña no se deformará ni se fundirá a 350 °C;
5. Generalmente, los condensadores no se sueldan a altas temperaturas.
Conocimientos sobre el material base de la batería: dispositivo de seguridad
Algunas baterías cilíndricas de fosfato de hierro y litio de algunos fabricantes incorporan válvulas de seguridad y respiraderos (CID) para mejorar sus funciones de protección. Esta «doble protección» resuelve eficazmente problemas como sobrecargas, cortocircuitos y colisiones.
Dispositivo de ventilación: Cuando se produce una reacción química en la batería, el gas generado se acumula en la ventilación a través del orificio de ventilación y las aberturas superior e inferior, lo que ayuda a disipar el gas, garantiza el equilibrio de la presión de aire de las celdas 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, y se interrumpe la reacción química en la batería. Cuando la presión interna alcanza 1,8 ± 0,1 MPa, la válvula de seguridad se abre y se descarga el gas para evitar el riesgo de explosión.
Conocimiento del proceso celular
Conocimiento del proceso celular - flujo del proceso
El siguiente es el diagrama de flujo del proceso de la celda:
Conocimiento de la estructura celular
El siguiente es un mapa mental del conocimiento estructural:
Conocimiento de la estructura central 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 cuadrado de múltiples terminales
Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico simple de múltiples terminales
Conocimiento de la estructura central de la batería: bobinado cilíndrico de oreja completa
Conocimientos sobre la estructura celular: resumen
Resumen: La ventaja del laminado radica en que el proceso es fácil de controlar, mientras que la ventaja de la laminación reside en que la densidad energética de la batería es ligeramente superior y el empaquetado es más sencillo.
resumen:
Las conexiones múltiples presentan muchos inconvenientes, especialmente ciertos riesgos para la seguridad; pero cuando la capacidad es pequeña, tienen la ventaja de la densidad energética.
En general, el proyecto de abrazadera completa es mejor, especialmente para baterías de gran capacidad; el proyecto de abrazadera completa debería ser la primera opción.
Fecha de publicación: 14 de octubre de 2023