Explicación exhaustiva del conocimiento sobre baterías de iones de litio - Director de I+D de Tritek Battery
Con el desarrollo de la industria global de energías renovables, las baterías de litio se han convertido en un sector 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 baterías de litio.
¿Comprende usted completamente los aspectos técnicos de las baterías de iones de litio? Aquí tiene una guía completa que lo resume, elaborada por el Director de I+D de Tritek.
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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 V: cómo funciona
1.6 Baterías de litio: principio de funcionamiento y 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 la batería 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 velocidades 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 de duplicación del aumento de temperatura de carga y descarga.
1.21 Paquete de baterías de litio compatible
2 Conocimientos sobre el material celular
2.1 Conocimiento de los materiales principales de la batería: electrodo positivo
2.2 Conocimiento de los materiales principales de la batería: electrodo negativo
2.3 Conocimiento de los materiales principales de la batería: agente conductor
2.4 Conocimientos sobre materiales de baterías: carpetas
2.5 Conocimiento de los materiales principales de la batería: lámina
2.6 Conocimientos sobre el material principal de la batería: Terminal
2.7 Conocimientos sobre el material principal de la batería: separador
2.8 Conocimientos sobre los materiales de la batería: electrolito
2.9 Conocimiento de los materiales principales de la batería: carcasa de acero
2.10 Conocimientos sobre materiales de baterías——Capa
2.11 Conocimientos sobre el material principal de la batería: dispositivo de seguridad
3. Conocimientos sobre tecnología celular
3.1 Flujo del proceso de conocimiento celular
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 multi-orificio
4.6 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico simple con múltiples terminales
4.7 Conocimiento de la estructura del núcleo de la batería: bobinado cilíndrico completo con terminales.
4 8 Resumen del conocimiento sobre la estructura celular
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 mundo exterior mediante reacciones químicas que tienen lugar en su interior.
Categoría de batería
Las baterías se dividen principalmente en tres tipos: baterías químicas, baterías físicas y baterías biológicas. A continuación se muestra un mapa conceptual de la clasificación de las baterías.
La dirección del desarrollo de las baterías de potencia
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 prácticamente eliminados.
Batería de níquel-zinc:Su corta vida útil y su rendimiento no son adecuados para baterías de coche.
Batería de plomo-ácido:Se utilizó inicialmente como batería para vehículos y todavía se usa hoy en día. Tiene un bajo costo, pero una baja densidad energética, 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 vehículos eléctricos híbridos (HEV), ofrecen un mejor rendimiento pero son más caros y contienen níquel, un metal contaminante.
Batería de iones de litio:Actualmente, es un referente en la industria de las baterías para automóviles, gracias a su buen rendimiento y su 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 un buen rendimiento y es respetuoso con el medio ambiente, pero el 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 batería de iones de litio.
Batería de litio: cómo funciona
Durante el proceso de carga y descarga de las baterías de iones de litio, estos iones se mueven desde el electrodo positivo al negativo y viceversa. Es como 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 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 incrustado con 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 escaparán 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 incrustado 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 velocidad de descarga y la temperatura (por lo que, estrictamente hablando, la capacidad de la batería debería especificar las condiciones de carga y descarga).
La relación entre la capacidad y la temperatura de los gases 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
Voltaje 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 la pantalla de potencia se basa en este principio.
Tensión en 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 fluye corriente a través del circuito.
Etapa de carga (SOC)
Es el porcentaje de energía restante de la batería, que es igual a la energía restante dividida por la energía total de la batería. Un SOC del 0% significa que la batería está completamente descargada, y un SOC del 100% significa que la batería está completamente cargada.
El estado de carga (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 con 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 a la corriente que fluye a través de la batería durante su 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 mayor capacidad de descarga, mientras que las baterías con alta resistencia interna tienen menor capacidad de descarga. La alta 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 pasa corriente 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 hasta un voltaje determinado después de estar completamente cargada. La meseta de descarga es una característica de la curva de descarga de la batería. La unidad es 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 de corriente constante, mejor será el rendimiento de la batería. La unidad de la relación de corriente constante es porcentaje (%).
ciclo de vida
La vida útil de una batería se refiere al número de ciclos de carga y descarga que experimenta una batería bajo un sistema de carga y descarga determinado, cuando la capacidad de la batería disminuye a un valor específico.
Entendiendo la vida útil de las baterías de litio: ¿Cuántos ciclos de carga se pueden esperar?
Tasa de carga y descarga
La tasa de carga y descarga se refiere a la corriente que necesita la batería para descargar su capacidad nominal en un tiempo determinado. 1C equivale 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 voltaje 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. Esta capacidad se ve afectada principalmente por la tecnología de la batería, su composición, 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
Bajo ciertas condiciones de descarga, la relación entre la cantidad real de descarga de la batería y el voltaje final, así como 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. 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 energética)
La energía que proporciona 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 de energía volumétrica (Wh/L) o densidad de energía másica (Wh/kg). Si la batería de litio pesa 143 g, tiene un voltaje 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
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 de la DOD en la vida útil del ciclo
Baterías de litio: efecto de la temperatura en la vida útil del ciclo.
Batería de litio: tasa de descarga a temperatura normal, eficiencia de descarga, aumento de temperatura.
Descarga a velocidad de 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, voltaje límite inferior de 2,75 V;
4. Eficiencia de descarga = capacidad de descarga a cada tasa / capacidad de descarga a 0,5 A (0,2 C);
Batería de litio: velocidad de carga a temperatura normal, eficiencia de carga, aumento de temperatura.
tarifas de tasa de temperatura normal
1. Descarga: corriente de 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 más alto es de 4,2 V;
4. Eficiencia de carga = capacidad de carga de corriente constante a cada tasa / capacidad de descarga de 2,5 A (1 C);
Batería de litio: principio de duplicación del aumento de temperatura durante la carga y la 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 paquetes de baterías consistentes: capacidad consistente, resistencia interna consistente, relación de corriente constante consistente, tiempo de plataforma consistente, autodescarga consistente, voltaje consistente, carga consistente y ciclo consistente.
Conocimiento de la materia celular
Conocimientos sobre los materiales básicos 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.
Conocimientos sobre los materiales principales de la batería: electrodo negativo
Clasificación de materiales activos negativos: grafito artificial, grafito natural, perlas de carbono mesofásico, carbono blando, carbono duro y fibra de carbono.
Conocimientos sobre el material principal de la batería: agente conductor
El agente conductor garantiza que el electrodo tenga un buen rendimiento de carga y descarga. Al fabricar placas de electrodos, se suele añadir una cierta cantidad de material conductor para mejorar la eficiencia de carga y descarga del electrodo.
Conocimientos sobre materiales de baterías: adhesivos
Conocimientos sobre el material principal de la batería: lámina
El colector de corriente se refiere a la recogida 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 impide la oxidación del colector de corriente. La película de óxido de la lámina de cobre es relativamente suelta. Para evitar la oxidación, es mejor trabajar a un potencial bajo. A bajo potencial, el litio y el cobre no forman fácilmente aleaciones con litio incorporado.
Papel de cobreLa capa de óxido sobre la superficie del cobre es un semiconductor y conduce electrones. Si la capa de óxido es demasiado gruesa, la resistencia será alta; el aluminio se aleará con el litio en el electrodo negativo, es decir, el aluminio incorporará litio en el electrodo negativo.
Conocimientos sobre los materiales básicos de la batería—Tornillo
Los bornes son los conductores metálicos que conectan los polos positivo y negativo de la batería. Generalmente, las pestañas de los polos positivo y negativo de la batería son los puntos de contacto durante la carga y la descarga.
Conocimientos sobre el material principal de la batería: diafragma
Material: capa única de PE (polietileno) o compuesto de tres capas de PP (polipropileno) + PE + PP
Función:
1. Separe los terminales positivo y negativo de la batería para evitar un cortocircuito;
2. Adsorbe el electrolito de la batería para garantizar una alta conductividad iónica;
3. Algunos también impiden que las 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 actúa como conductor de iones entre los electrodos positivo y negativo de la batería, y sirve de puente entre los materiales de ambos electrodos. Úselo únicamente 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 principal 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 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 cierta capacidad de carga.
3. Niquelado: La batería tiene buena resistencia a la corrosión.
4. La parte inferior generalmente no se puede soldar por puntos con láser.
Conocimientos sobre materiales de baterías——Cap
La función principal de la tapa es proporcionar un sellado hermético a la batería, actuar como válvula de seguridad y servir como terminal conductor positivo.
Requisitos técnicos de la tapa de la 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 de 1,2±0,1Mpa y la presión de apertura es de 1,8±0,1Mpa;
4. La junta pequeña no se deformará ni se derretirá a 350 °C;
5. Los condensadores generalmente no se sueldan a altas temperaturas.
Conocimientos sobre los materiales básicos de la batería: dispositivo de seguridad
Algunas baterías cilíndricas de fosfato de hierro y litio de ciertos fabricantes incorporan válvulas de ventilación y de seguridad (CID) para mejorar sus funciones de protección. Esta doble protección resuelve eficazmente problemas como la sobrecarga, los cortocircuitos y las colisiones.
Dispositivo de ventilación: Cuando se produce una reacción química en la batería, el gas generado se acumula en el sistema de 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 del aire en las celdas de la batería y evita riesgos para la seguridad.
Válvula de seguridad (CID): Cuando la presión interna alcanza 1,2 ± 0,1 MPa, el terminal positivo y la tapa se desconectan, y la reacción química en la batería se suspende. Cuando la presión interna alcanza 1,8 ± 0,1 MPa, la válvula de seguridad se abre y el gas se descarga para evitar el riesgo de explosión.
Conocimiento del proceso celular
Flujo del proceso de conocimiento celular
A continuación se muestra el diagrama de flujo del proceso de la célula:
conocimiento de la estructura celular
A continuación se presenta un mapa mental del conocimiento estructural:
Conocimiento de la estructura central de la batería: pila cuadrada
Conocimiento de la estructura central 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 con múltiples terminales.
Conocimiento de la estructura básica de la batería: bobinado cilíndrico simple con múltiples terminales.
Conocimiento de la estructura central de la batería: bobinado cilíndrico de oreja completa
Resumen del conocimiento sobre la estructura celular
Resumen: La ventaja del enrollado 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 PACK es más conveniente.
resumen:
Los terminales múltiples tienen muchos inconvenientes, especialmente ciertos riesgos para la seguridad; pero cuando la capacidad es pequeña, tienen la ventaja de la densidad de energía.
El proyecto de terminales completos suele ser mejor, especialmente para la capacidad de la batería; el proyecto de terminales completos debería ser la primera opción.
Fecha de publicación: 14 de octubre de 2023