锂電池是一類由锂金屬或锂合金為負極資料，由于锂金屬的化學特性十分活潑，使得锂金屬的加工、保存、運用，對環境要求十分高。锂離子電池負極是石墨等插層結構資料，電池中是锂離子在正負極移動，因而比锂電池安全許多。锂離子電池和锂聚合物電池，锂離子電池電解液是液态，聚合物電池的電解質是凝膠或者固态，更安全一些。下面賢集網小編為我們介紹锂離子電池的結構、作業原理、資料分類、充電辦法、爆破原因、規劃規範等知識介紹。

锂離子電池結構

從锂離子電池結構來說，主要分為以下五個部分組成，如圖所示：

圓柱形锂離子電池結構示意圖

(1)正極資料：電極電勢較高、結構安穩的具有嵌锂才能的層狀或尖晶石結構的過渡金屬氧化物或聚陰離子型化合物，如钴酸锂、錳酸锂、磷酸鐵锂、三元資料等。

(2)負極資料：電位挨近锂電位、結構安穩的并可許多儲锂的層狀石墨、金屬單質及金屬氧化物，如石墨、中心相碳微球、钛酸锂等。

(3)電解液：溶有電解質锂鹽的有機溶劑，供給锂離子，電解質锂鹽有LiPF6、LiClO4、LiBF4等，有機溶劑主要由碳酸二乙酯(DEC)、碳酸丙烯酯(PC)、碳酸乙烯酯(EC)、二甲酯(DMC)等其中的一種或幾種混合組成。

(4)隔閡：置于正負極之間，避免正負極直接接觸，且答應Li 離子經過的聚烯微多孔膜，如聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)，或它們複合膜，PP/PE/PP三層隔閡。

(5)外殼：電池封裝，主要有鋁殼、蓋闆、極耳、絕緣片等。

锂離子電池作業原理

所謂锂離子電池是由兩個可嵌入與可脫嵌锂離子的資料作為電池的正極與負極，實現可屢次充放電功用的二次電池。锂離子電池是依靠锂離子在正負極之間的轉移來完成電池充放電作業。

1.當電池充電時，锂離子脫離正極嵌入到負極中，放電時方向正好相反。這樣就需求正極在制作前就處于嵌锂狀況，常規會選用相對锂而言電位大于3V且在空氣中安穩的锂化合物，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4、LiNi4Co4Mn2等化合物。

2.負極資料常規會挑選電位盡或許挨近锂電位的可嵌入锂離子的物質，如石墨、碳纖維、石墨烯、钛酸锂等。

3.電解質常規選用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂調配的混合溶劑體系。

4.隔閡選用聚烯微多孔膜如PE、PP或它們複合膜，尤其是PP/PE/PP三層隔閡不僅熔點較低，并且具有較高的抗穿刺強度，起到了熱保險作用。

5.外殼選用鋼或鋁資料，正極蓋體組件具有防爆斷電的安全維護功用。

對于其他類型的電池産品，锂電池具有重量輕、容量大、無回憶效應等長處，在數碼設備、小型電動工具及大型儲能設備及新能源動力電池都選用锂離子電池作儲能設備，锂離子電池的能量密度高，容量是同重量的鎳氫電池的1.5~2倍，并且具有很低的自放電率；此外，锂離子電池簡直沒有“回憶效應”及不含有毒物質。

锂離子電池按資料體系分類及特色

現在主流的锂離子動力電池，主要按正極資料來分類，可分為以下幾種類别

1.磷酸鐵锂

2.錳酸锂

3.鎳酸锂

4.三元資料主要有鎳钴錳與鎳钴鋁

5.磷酸錳锂

負極資料主要有石墨及钛酸锂。

以上正極資料體系的特色主要表現在以下幾個方面：

一、錳酸锂體系，電池負極資料主要為石墨。

其克容量低，但壓實密度高，總體能量密度與磷酸鐵裡相當；最大問題是較高溫度作業時易溶解。需求經過參雜和外表處理來改善其溫度耐受性，其安穩性、安全性不如磷酸鐵锂。

二、磷酸錳鐵锂體系，負極為石墨。

資料成熟度低，電子電阻高，現在壽數較短，由于有鐵锂和錳锂混合，所以平台電壓有兩段，做成組策略時要考慮SOC不一緻的影響。

三、磷酸鐵锂電池，負極為石墨

電壓平台很平穩，能量發揮好，原資料儲量大，經濟功用較好。

同時簡直無沒有熱失控問題（熱失控溫度在800℃以上），資料體系十分安全。也由于電池資料特性安全性高，磷酸鐵裡電池能夠做大容量單體電芯（高達幾百安時），有利于體系的成組效率（按重量能量比核算，客車運用硬殼電池能夠到達78%的成組效率）。

磷酸鐵裡現已廣泛用于混合動力、純電動客車以及電網和家庭儲能體系，是現在新能源客車市場上用量最多的锂離子動力電池。

四、三元資料電池，多數運用鎳钴錳混合作為正極資料，也有用鎳钴鋁作為正極資料的（如特斯拉所用松下電池），負極為石墨

能量密度高（現在NCM電功用做到200WH/kg以上，NCA則更高）、壽數特性優秀，但熱失控溫度200℃以上，需求在體系集成中多方面考慮如何操控熱擴散，以滿足其體系安全性需求。也是由于安全性考慮，三元系資料一般不會做大容量單體電芯，三原資料電池多用于純電動乘用車和非載客的商用車，現在是新能源乘用車用量增加最快的電池。

五、钛酸锂電池是在锂離子電池中，用钛酸锂代替石墨作為負極資料，隻正極資料能夠是以上任何正極資料。

钛酸锂電池有四大長處：低溫特性好（尤其是低溫-30℃還能夠充電）、高功率（可大功率充放電，尤其是充電倍率能夠很高）、長壽數循環（能夠輕松到達萬次以上）、安全性高（簡直沒有熱失控風險）；

钛酸锂也有三大缺點：平台電壓低（僅有2.2V，體系成組需連接許多電芯，效率很低）、還存在高溫脹氣問題（盡管現在有所改善但并沒有底子處理）、本錢高（約為石墨體系電池的兩倍多），钛酸锂電池多用于混合動力和單詞續航路程要求不高但需求屢次充電的運用場景中;

锂電池規劃時所采取的基本安全措施

依據锂電池資料體系的不同，锂電池充電時電壓高于锂電池的極限電壓後，便開端發作副作用，過充電壓越高，危險性也跟着越高。锂電芯電壓高于極限電壓後，正極資料内剩下的锂離子數量不到一半，此時儲存格會垮掉，讓電池容量發作永久性的下降。假如持續充電，由于負極的儲存格現已裝滿了锂離子，後續的锂離子會堆積于負極資料外表長出枝狀結晶，這些锂結晶會刺穿隔閡，使正負極短路。有時在短路發作前電池就或許現已爆破，這是由于在過充進程，電解液等資料會裂解發作氣體，使電池外殼或壓力閥鼓漲破裂，空氣中的氧氣與堆積在負極外表的锂原子發作反響爆破。因而，锂電池充電時，一定要設定電壓上限，才能夠同時兼顧到電池的壽數、容量和安全性。

锂電芯放電時也要有電壓下限，當電芯電壓低于極限電壓時，部分資料會開端被損壞。同時由于锂電池本身會自放電，放置時刻越久電壓會越低。因而在規劃锂電池時，放電到電壓的設定會充分考慮這些要素，锂電池從截止放電電壓到安全電壓這段期間，所釋放的能量隻占電池容量的3%-5%左右。

充放電時，除了電壓的限制，電流的限制也十分必要。電流過大時，锂離子來不及進入儲存格，會聚集于資料外表。這些锂離子獲得電子後，會在資料外表發作锂原子結晶，這與過充相同，會形成危險性。

因而，對锂離子電池的維護，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般锂電池組内，除了锂電芯外，都會有一片維護闆或者功用豐厚的BMS電池辦理體系。

锂離子電池充電辦法

锂離子電池常用的充電辦法補充闡明锂電池技術 6天前恒流/恒壓充電法充電的進程分為三個階段。

（1）預充階段。接通直流電源以後，在檢測到電池時，發動充電芯片進入預充進程，在此期間充電操控器以比較小的電流給電池充電，使電池電壓和溫度恢複到正常狀況。

（2）恒流充電階段。在充電初期充電電路以恒定的電流對锂離子電池充電，通常锂電池大多會選用規範充電速率。在恒流充電時，電池的電壓将會緩慢上升，隻要電池電壓到達所設定的終止電壓，恒流充電就會終止，然後進入恒壓充電進程。

（3）恒壓充電階段。在恒壓充電的進程中，充電的電流會逐漸衰減，當監測到充電電流降至設置值以下或滿充時刻超時轉入頂端截止充電，此時充電操控器會以極小的充電電流為電池補充能量，一般狀況下該進程能夠延長電池5%~10%的運用時刻。

這種充電辦法中，為避免電流過大，電池溫度過高，在恒流階段，通常選用較小的充電電流進行充電，充電效率仍然不高。為提高充電效率，可選用變流充電法。

變流充電法

锂離子電池可接受的充電電流随充電時刻呈指數規則下降，若充電電流曲線在電池可接受充電電流曲線以上會導緻電池電解液發作析氣反響，影響電池壽數。

電池或許的爆破原因剖析

锂電芯爆破的原因或許是外部短路、内部短路及過充，包括電池組内部絕緣規劃不良等所引起的短路。

因而，對锂離子電池的維護，至少要包括：充電電壓上限、放電電壓下限、及電流上限三項。一般锂電池組内，除了锂電芯外，都會有一片維護闆或者功用豐厚的BMS電池辦理體系。

内部短路主要是由于分切不良的銅箔與鋁箔的毛刺刺穿隔閡，或是由于過充原因形成的锂枝狀結晶刺穿膈膜所形成。細微極片毛刺會形成微短路，由于毛刺很細有一定的電阻值，因而，電流不見得會很大。

銅、鋁箔毛刺是在出産進程中由于分切不良形成，可檢測到的現象是電芯自放電太快，大多數狀況下能夠在後端挑選時檢測出來。并且由于毛刺細微，有時會被燒斷，使得電池又恢複正常。因而，因毛刺微短路引發爆破的機率并不高。

過在線檢測設備“二次元印象觀測儀“（如上圖）可有用檢測極片毛刺狀況，二次元印象儀能将圖畫放大500倍，能明晰判别毛刺狀況。

内部短路引發的爆破，主要仍是由于過充原因形成。由于，過充後極片上到處都是锂枝結晶，刺穿點到處都是，到處都發作微短路。因而，電池溫度會逐漸升高，最後高溫将電解液氣化。這種景象，不論是溫度過高使資料焚燒爆破，仍是外殼先被撐破，使空氣進去與锂金屬發作劇烈氧化，都會爆破。

歸納以上爆破的類型，我們能夠将防爆要點放在過充的避免、外部短路的避免及提升電芯安全性三方面。其中過充避免及外部短路避免歸于電子防護，歸于電池組體系規劃及電池拼裝有較大聯系；電芯安全性的提升要點是化學與結構規劃防護，與電池芯的規劃與制作進程質量操控有較大聯系。

規劃規範涉及的幾個方面

電池維護闆或BMS電池辦理體系硬件冗餘規劃，預防電子元器件失效而引起的整個維護體系失效。電池辦理體系如能對過充、過放、過流都分别供給兩道安全防護，此外為了提升BMS體系的可靠性，BMS産品須經過高溫老化處理，供給ESD、浪湧防護及防潮防塵這些基本功用。

在電動汽車電池體系中，BMS電池辦理體系不擔要提過過充、過放、過流維護功用，還要對巨大的電池體系的運行狀況進行監控與辦理。為了确保電池作業在相同的溫度環境下，BMS還要監控所有電芯的作業溫度，具備熱平衡功用，高效水冷電池模組可将電池作業溫度有用操控在25±2℃。此外為了提升車輛電池安全性，BMS集成落水監測、煙霧監測、磕碰監測、翻車監測、長途報警及自動滅火等安全功用。

锂電芯在出産制作時會嚴格操控正極、負極、隔閡、電解液等主要原資料的質量，從電芯結構規劃到電芯出産制作整個進程，都須經過嚴格的質量操控與在線檢測監控程序，來确保锂電芯的高質量，經過嚴格的後端挑選與批次的損壞性查驗，來确保每一顆出廠電芯的質量都契合質量要求，确保在過充、過放、過流、振動、機械沖擊、跌落、擠壓、翻轉、磕碰、刺穿等狀況下契合質量規範要求。

總之，電池體系規劃時，必須對過充、過放與過流分别供給兩道電子防護。其中維護闆或BMS電池辦理體系是第二道防護,假如沒有外部維護的狀況，電池發作爆破就代表規劃不良。

锂電芯的質量成為關鍵

假如外部維護失利，對锂電芯質量提出更高的要求。電池假如在爆破前，内部有锂原子堆積在資料外表，焚燒爆破的威力會更大。所以锂電芯抗過充才能比抗外部短路的才能顯得更為重要。

電芯抗外部短路的辦法，通常包括運用高質量的隔閡紙和選用壓力閥兩種措施。其中高質量的隔閡效果最好，外部短路時超過百分之九十九的電池不會發作爆破。出産的锂電芯，每批次須經過過充、過放、過流等檢測實驗，備有先進的規劃理念及高度自動化的出産制作才能，質量檢測合格率才能到達100%。

锂離子電池的毛病機理與影響剖析總結

毛病模式機理與影響剖析(FMMEA)衍生于失效模式與影響剖析(FMEA)，在FMEA剖析的基礎上，FMMEA愈加具體的界說和指出了導緻毛病發作的機理。因而，锂離子電池的FMMEA的開展依據多年來對電池可靠性的實驗、結構拆解及失效剖析研究。本文從锂離子電池結構的視點動身總結了锂離子電池的毛病機理與影響剖析，如表1所示：

锂離子電池的毛病模式機理與影響剖析

以上表格是依據長期可靠性實驗與剖析積累所得。在锂離子電池失效剖析中，還應該依據實際狀況全面考察電池的資料、工藝、作業環境、運用狀況及宿主設備等信息。電池雖小，但它所涉及到的方面卻極其複雜，因而，研究者還需依據背景信息進行詳盡考察并得出合理的定論。

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