锂电池lmo 买电动卡车之前,锂电池的参数先了解一下

小编 2024-10-17 电池定制 23 0

买电动卡车之前,锂电池的参数先了解一下

在环保及政策多重影响下,新能源汽车,特别是电动车销量节节攀升,增速飞快。

但在快速发展的背后,关于电动车的评论始终伴随着褒贬不一的声音,例如节能但购置成本太高,环保但续航不行等,其实这些矛盾体的决定因素是电动车的核心部件“三电”——电池,电机、电控。

而在“三电”中,电池又扮演着最重要的角色,正所谓“巧妇难为无米之炊”,即使电控、电机技术再先进,作为动力源头的电池性能不行,整车性能必将大打折扣。本文将简单探讨下电池主要基础参数。

一、电池简史

电池的最早发展可追溯到1800年,意大利科学家伏打(Volta)研制成功了伏打电池,这个是世界上第一个能够实际应用的电池。1859年法国科学家普兰特(Plante)发明了铅酸蓄电池,这是世界上第一个可充电的电池。

其后科学技术水平不断提高,推动着各种电池的产生,20世纪50年代碱性锌-锰干电池问世,60年代燃料电池研制成功,70年代各种锂电池开发成功,80年代氢-镍电池问世以及90年代出现锂离子电池,电池技术迎来“井喷”式发展。

而本文探讨的电动车所采用的锂离子电池(下文简称锂电池)也正是源于这段发展期。锂电池的发展也经历过一段“坎坷”摸索时期,大致发展分一下三个阶段:

第1阶段, 因负极材料是锂金属及其合金,且不可充电,因此该阶段锂电池,更确切的表达是锂金属一次电池;

第2阶段, 负极材料仍是锂金属及其合金,但正极材料由MoS2等嵌入化合物代替过渡氧化物,实现了锂离子在电池正负极往复迁移运动,即可重复充放电,因此该阶段锂电池实质是锂金属二次电池;

第3阶段, 负极材料是石墨、焦炭等导电电极,正极材料是含锂化合物,例如嵌锂过渡金属氧化物、嵌锂金属硫化物、含锂盐类化合物。该阶段锂电池,本质上是现在我们所称作的锂离子电池。

二、锂电池结构

锂电池主要结构分为,正极、负极、电解液、隔膜及外壳。

(1)正极

特点:稳定电化学能、不易分解结构、越高越好的比容量。

分类(商用):磷酸铁锂(LFP)、钴酸锂(LCO)、锰酸锂(LMO)

三元材料:镍锰钴酸锂(NCM)、镍锰铝酸锂(NCA)

正极材料占锂电池成本30~40%,直接影响电池性能,甚至现在市场上锂电池分类就是按照正极材料分的,可见正极材料对锂电池的重要性。

(2)负极

特点:高比容量、较好充放电可逆性、较锂电极电势更低。

分类(商用):目前以碳材料石墨类为主(比容量有限)

未来硅-碳复合材料是趋势(比容量大,是普通石墨材料2~3倍)

(3)电解液

特点: 高离子电导率、宽电化学稳定窗口、不与电极发生反应、安全、无毒、无污染。

组成: 溶剂(30%):碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯等

溶质(50%):锂盐(LiPF6、LiBF4等)添加剂(10%)、其他(10%)。

三、锂电池参数

(一)电池容量C: 在一定条件下,电池放出的电荷量,单位:mAh或Ah。

根据使用条件电池容量可分为:

理论容量: 假设活性物质完全被利用,电池可释放的电量。

额定容量: 实验室条件下,满充电池可释放的电量。

实际容量: 实际使用环境(但符合电池规定使用条件),满充电池可释放的电量,小于额定容量

(二)电池能量: 衡量电池存储能量多少指标,单位:Wh。

计算公式:能量=额定电压×工作电流×工作时间= UIt=额定电压×电池容量;

例如小米手机电池,电池能量7.3Wh= 3.7V×1960mAh/1000

电池能量是衡量电池带动设备做功的重要指标。如果将电池容量理解为蓄水池可蓄水体积,那么电池能量可形象理解为蓄水池从一定高度发出可做的功。

相同电压下,电池容量越大,电池能量也越大,例如生活中给手机换更大容量的电池,目的就是增加电池能量,在工作电压不变情况下,手机的续航能得到提升。那么这种操作是否在电动车也奏效呢?

答案是不一定,因为电动车的续航跟手机的续航所消耗电能用来做功方式不一样,电池重量会随着电池容量增加而增加,车辆自重也会增加,因此存在两个变量,这时候就涉及到电池另外一个重要性能参数——能量密度。

(三)能量密度: 指单位体积或单位质量所释放的能量,表示为体积能量密度(Wh/L)或质量能量密度(Wh/kg),是电动车续航能力的直接影响因素。

能量密度主要分为单体能量密度及系统能量密度。单体能量密度是最小单元能量密度,例如一节锂电池重325g,额定电压为3.7V,容量为10Ah,则其能量密度为113Wh/kg。系统能量密度是指整车的电池组或者电池板的能量密度。

电池组或者电池板主要由若干个单节电池、电池组框架、护板及其他电子元器件等封装而成,因此系统能量密度受单体能量密度及封装技术影响,且小于单一能量密度。下图是中国未来锂电池性能规划。

能量密度也是新能源车辆补贴核心指标要求之一,历年新能源车辆补贴标准中系统能量密度门槛值如下。

从工信部每月发布的车型配置中可以发现,历年系统能量密度门槛值能比较真实地反应目前电池应用市场情况——与国家规划要求仍存在一定差距,电动车发展任重道远。

(四)电压

电池电压分为三种:

1、开路电压: 电池在没有连接外电路或者外负载时的电压,开路电压与电池的剩余能量成正比,是电动车剩余电量显示原理的主要依据。

2、工作电压: 电池在工作状态下,电池正负极之间的电势差,又称负载电压。工作电压<开路电压,因为电池放电工作状态下,必须克服内阻。

3、放电截止电压 :电池充满电后进行放电,放完电时达到的电压。若继续放电则为过度放电,对电池的寿命和性能有损伤。

单一电池电压值中,锂电池最高,这也是锂电池作为动力电池主要原因之一。

(五)充放电倍率(C)

表示充放电电流大小,数值上等于额定容量的倍数。充放电倍率=充放电电流÷额定容量,用“C”表示。

(六)其他参数

1、循环寿命: 经历一次充放电称为一个周期或一次循环,电池在反复充放电后,容量会逐渐下降,在一定的放电条件下,电池容量降至80%时,电池所经受的循环次数就是循环寿命。

2、自放电: 电池在储存过程中,容量会逐渐下降,其减少的容量与电池容量的比例,称为自放电率。用“%/月”表示。自放电率越低,贮存性能越好。

3、内阻: 指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力。

内阻大,内耗大,加速衰减,限制大倍率充放电;内阻小,寿命和倍率都会更好。

本文特约作者:一叶知秋

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不同类型锂电池性能不同在哪里,汇总常见六种锂电池特性及参数

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我们常常会说到三元锂电池或者铁锂电池,这些都是按照正极活性材料来给锂电池命名的。本文汇总六种常见锂电池类型以及它们的主要性能参数。大家都知道,相同技术路线的电芯,其具体参数并不完全相同,本文所显示的是当前参数的一般水平。六种锂电池具体包括:钴酸锂(LiCoO2),锰酸锂(LiMn2O4),镍钴锰酸锂(LiNiMnCoO2或NMC),镍钴铝酸锂(LiNiCoAlO2或称NCA),磷酸铁锂(LiFePO4),钛酸锂(Li4Ti5O12)。

钴酸锂(LiCoO 2)

其高比能量使钴酸锂成为手机,笔记本电脑和数码相机的热门选择。电池由氧化钴阴极和石墨碳阳极组成。阴极具有分层结构,在放电期间,锂离子从阳极移动到阴极,充电过程则流动方向相反。 结构形式如图1所示。

图1: 钴酸锂结构

阴极具有分层结构。在放电期间,锂离子从阳极移动到阴极; 充电时流量从阴极流向阳极。

钴酸锂的缺点是寿命相对较短,热稳定性低和负载能力有限(比功率)。像其他钴混合锂离子电池一样,钴酸锂采用石墨阳极,其循环寿命主要受到固体电解质界面(SEI)的限制,主要表现在SEI膜的逐渐增厚,和快速充电或者低温充电过程的阳极镀锂问题。较新的材料体系增加了镍,锰和/或铝以提高寿命,负载能力和降低成本。

钴酸锂不应以高于容量的电流进行充电和放电。这意味着具有2,400mAh的18650电池只能以小于等于2,400mA充电和放电。强制快速充电或施加高于2400mA的负载会导致过热和超负荷的应力。为获得最佳快速充电,制造商建议充电倍率为0.8C或约2,000mA。电池保护电路将能量单元的充电和放电速率限制在约1C的安全水平。

六角蜘蛛图(图2)总结了与运行相关的具体能量或容量方面的钴酸锂性能;具体功率或提供大电流的能力; 安全; 在高低温环境下的性能表现; 寿命包括日历寿命和循环寿命; 成本特性。蜘蛛图中没有显示的其他重要特征还包括毒性,快速充电能力,自放电和保质期。

由于钴的高成本以及通过与其他活性阴极材料混合材料带来的明显性能改善,钴酸锂正在逐步被锰酸锂替代,尤其是NMC和NCA。(请参阅下面对NMC和NCA的描述。)

图2: 平均钴酸锂电池的蜘蛛图。

钴酸锂在高比能量方面表现出色,但在功率特性、安全性和循环寿命方面只能提供一般的性能表现

汇总表

钴酸锂氧化物: LiCoO 2阴极(约60%Co),石墨阳极 短型:LCO或Li-钴。始于1991年以来

电压

标称值为3.60V; 典型工作范围3.0-4.2V /电池

比能(容量)

150-200Wh /公斤。特种电池提供高达240Wh / kg。

充电(C率)

0.7-1C,充电至4.20V(大部分电池);典型充电时长 3小时;1C以上的充电电流会缩短电池寿命。

放电(C率)

1C;放电截止电压2.50V。1C以上的放电电流会缩短电池寿命。

循环寿命

500-1000,与放电深度,负荷,温度有关

热失控

150°C(302°F)。满充状态容易带来热失控

应用

手机,平板电脑,笔记本电脑,相机

注释

非常高的比能量,有限的比功率。钴很昂贵。被用作能量型电池。市场份额稳定。

表3:钴酸锂的特性

锰酸锂(LiMn2O4)

尖晶石锰酸锂电池首次发表于1983年的材料研究报告中。1996年,Moli能源公司将锰酸锂为阴极材料的锂离子电池商业化。该架构形成三维尖晶石结构,可改善电极上的离子流动,从而降低内部电阻并改善电流承载能力。尖晶石的另一个优点是热稳定性高,安全性提高,但循环和日历寿命有限。

低电池内阻可实现快速充电和大电流放电。18650型电芯,锰酸锂电池可以在20-30A的电流下放电,并具有适度的热量积累。也可以施加高达50A1秒负载脉冲。在此电流下持续的高负荷会导致热量积聚,电池温度不能超过80°C(176°F)。锰酸锂用于电动工具,医疗器械,以及混合动力和纯电动汽车。

图4说明在锰酸锂电池的阴极上形成三维晶体骨架。该尖晶石结构通常由连接成晶格的菱形形状组成,一般在电池化成后出现。

图4:锰酸锂结构。

锰酸锂阴极结晶形成具有在化成后成型的三维骨架结构。尖晶石提供低电阻,但比能量低于钴酸锂。

锰酸锂的容量大约比钴酸锂低三分之一。设计灵活性使工程师能够选择最大限度地延长电池的使用寿命,或者提高最大负载电流(比功率)或容量(比能)。例如,18650电池的长寿命版本只有1,100mAh的适中容量; 高容量版本则达到1,500mAh。

图5显示了典型锰酸锂电池的蜘蛛图。这些特性参数似乎不太理想,但新设计在功率,安全性和寿命方面有所改进。纯锰酸锂电池今天不再普遍; 它们只在特殊情况下应用。

图5:纯锰酸锂电池的蜘蛛图。尽管整体性能一般,但新型锰酸锂设计可以提高功率,安全性和寿命。

大多数锰酸锂与锂镍锰钴氧化物(NMC)混合,以提高比能量并延长寿命。这种组合带来了每个系统的最佳性能,而大多数电动汽车,如日产Leaf,雪佛兰Volt和宝马i3都选用了LMO(NMC)。电池的LMO部分可以达到30%左右,可以在加速时提供较高的电流; NMC部分提供了很长的续航里程。

锂离子电池研究倾向于将锰酸锂与钴,镍,锰和/或铝组合作为活性阴极材料。在一些架构中,少量硅被添加到阳极。这提供了25%的容量提升; 然而,硅随着充放电膨胀和收缩,从而引起机械应力,容量提升通常与短的循环寿命紧密联系。

可以方便地选择这三种活性金属以及硅增强来提高比能(容量),比功率(负载能力)或寿命。消费电池需要大容量,而工业应用需要电池系统,具有良好的负载能力,寿命长,并提供安全可靠的服务。

汇总表

锰酸锂氧化物: LiMn2O4阴极,石墨阳极 ; 简称:LMO或Li-Mn(尖晶石结构)始于1996年以来

电压

3.70V(3.80V)标称值; 典型工作范围3.0-4.2V /每只电池

比能(容量)

100-150Wh / kg的

充电(C率)

典型值为0.7-1C,最大值为3C,充电至4.20V(大部分电池)

放电(C率)

1C; 一些电池可以达到10C,30C脉冲(5s),2.50V截止

循环寿命

300-700(与放电深度,温度有关)

热失控

典型值为250°C(482°F)。高电荷促进热失控

应用

电动工具,医疗设备,电动动力传动系统

注释

功率大但容量少; 比钴酸锂更安全; 通常与NMC混合以提高性能。

表6:锰酸锂氧化物的特性

镍钴锰酸锂(LiNiMnCoO 2或NMC)

最成功的锂离子体系之一是镍锰钴(NMC)的阴极组合。与锰酸锂类似,这个体系可以定制用作能量电池或功率电池。例如,中等负载条件下的18650电池中的NMC具有约2,800mAh的容量并且可以提供4A至5A放电电流; 同一类型的NMC在针对特定功率进行优化时,容量仅为2,000mAh,但可提供20A的连续放电电流。硅基阳极将达到4000mAh以上,但负载能力降低,循环寿命缩短。添加到石墨中的硅具有缺陷,即阳极随着充电和放电而膨胀和收缩,使得电池机械应力大结构不稳定。

NMC的秘密在于镍和锰的结合。与此类似的是食盐,其中主要成分钠和氯化物本身是有毒的,但将它们混合起来作为调味盐和食品保存剂。镍以其高比能量而闻名,但稳定性差;锰尖晶石结构可以实现低内阻但比能量低。两种活性金属优势互补。

NMC是电动工具,电动自行车和其他电动动力系统的首选电池。阴极组合通常是三分之一镍,三分之一锰和三分之一钴,也被称为1-1-1。这提供了一种独特的混合物,由于钴含量降低,也降低了原材料成本。另一个成功的组合是NCM,其中含有5份镍,3份钴和2份锰(5-3-2)。也可以使用其他不同量的阴极材料组合。

由于钴的高成本,电池制造商从钴系转向镍阴极。镍基系统比钴基电池具有更高的能量密度,更低的成本和更长的循环寿命,但是它们的电压略低。

新型电解质和添加剂可以使单只电池充电至4.4V以上,从而提高电量。图7展示了NMC的特性。

图7:NMC的蜘蛛图。NMC具有良好的整体性能,并且在比能量方面表现出色。这种电池是电动车的首选,具有最低的自热率。

由于该体系经济性和综合性能表现均比较好,因此NMC混合锂离子电池越来越受到重视。镍,锰和钴三种活性材料可轻松混合,以适应需要频繁循环的汽车和能源存储系统(EES)的广泛应用。NMC家族的多样性正在增长。

汇总表

锂镍锰钴氧化物: LiNiMnCoO2阴极,石墨阳极简称:NMC(NCM,CMN,CNM,MNC,MCN类似于不同金属组合)始于2008年

电压

3.60V,标称3.70V; 电池典型工作范围3.0-4.2V或更高

比能(容量)

150-220Wh/kg

充电(C率)

0.7-1C,充电至4.20V,一些至4.30V; 3小时典型充电。1C以上的充电电流会缩短电池寿命。

放电(C率)

1C; 2C可能在某些电芯上可行;2.50V截止

循环寿命

1000-2000(与放电深度,温度有关)

热失控

典型的210°C(410°F)。高电荷促进热失控

应用

电动自行车,医疗设备,电动车,工业

注释

提供高容量和高功率。混合电芯。受到多种用途的欢迎,市场份额不断增加。

表8: 锂镍锰钴氧化物(NMC)的特性。

磷酸铁锂(LiFePO 4)

1996年,德克萨斯大学发现磷酸盐可作为再充电锂电池的阴极材料。磷酸锂具有良好的电化学性能和低电阻。这是通过纳米级磷酸盐阴极材料实现的。主要优点是高额定电流和长循环寿命;良好的热稳定性,增强了安全性和对滥用的容忍度。

如果长时间保持在高电压下,磷酸锂对全部充电条件的耐受性更强,并且比其他锂离子系统的应力更小。缺点是,较低的3.2V电池标称电压使得比能量低于钴掺杂锂离子电池。对于大多数电池来说,低温会降低性能,升高储存温度会缩短使用寿命,磷酸锂也不例外。磷酸锂具有比其他锂离子电池更高的自放电,这可能会引起老化进而带来均衡问题,虽然可以通过选用高质量的电池或使用先进的电池管理系统来弥补,但这两种方式都增加了电池组的成本。电池寿命对制造过程中的杂质非常敏感,不能承受水分的掺杂,由于水分杂质的存在有些电池最短寿命只有50个循环。图9总结了磷酸锂的属性。

常用磷酸锂代替铅酸起动蓄电池。四个串联电池产生12.80V,与六个2V铅酸电池串联的电压相似。车辆将铅酸充电至14.40V(2.40V/电池)并保持浮充状态。浮充的用意在于保持完全充电水平并防止铅酸电池硫酸化。

通过串联四个磷酸锂电池,每个电池的电压均为3.60V,这是正确的满充电电压。此时,应该断开充电,但驾驶时继续充电。磷酸锂容忍一些过度充电; 然而,由于大多数车辆在长途旅行中长时间保持电压在14.40V,可能会增加磷酸锂电池的机械应力。时间会告诉我们磷酸锂作为铅酸电池的替代品能够承受多长时间的过充电。低温也会降低锂离子的性能,可能会影响极端情况下的起动能力。

图9:典型磷酸锂电池的蜘蛛图。

磷酸锂具有良好的安全性和长寿命,比能量适中,自放电能力增强。

由Cadex提供

汇总表

磷酸铁锂: LiFePO4阴极,石墨阳极 简称:LFP或磷酸锂,始于1996年

电压

3.20,标称值3.30V; 典型工作范围2.5-3.65V

比能(容量)

90-120Wh/kg

充电(C率)

1C典型,充电至3.65V;典型的3小时充电时间

放电(C率)

1C,25C在一些电芯上可行; 40A脉冲(2s); 2.50V截止(低于2V导致损坏)

循环寿命

1000-2000(与放电深度,温度有关)

热失控

270°C(518°F)即使充满电,电池也非常安全

应用

便携式和固定式,需要高负载电流和耐久性的应用场景

注释

非常平坦的电压放电曲线但容量低。最安全的锂离子之一。用于特殊市场。高自放电。

表10:磷酸铁锂的特性

镍钴铝酸锂(LiNiCoAlO2或称NCA)

镍钴铝酸锂电池或NCA自1999年以后被应用。它具有较高的比能量,相当好的比功率和长的使用寿命与NMC有相似之处。不太讨人喜欢的是安全性和成本。图11总结了六个关键特征。NCA是锂镍氧化物的进一步发展;加入铝赋予电池更好的化学稳定性。

图11:NCA的蜘蛛图。高能量和功率密度以及良好的使用寿命使NCA成为EV动力系统的候选者。高成本和边际安全性却有负面的影响。

汇总表

镍钴铝酸锂: LiNiCoAlO2阴极(〜9 %Co),石墨阳极 简称:NCA或锂铝。始于1999年

电压

标称值为3.60V;典型工作范围3.0-4.2V

比能(容量)

200-260Wh/公斤; 预测可以达到300Wh/kg

充电(C率)

0.7C,充电至4.20V(大多数电池),典型的3小时充电,一些电池可以快速充电

放电(C率)

1C典型;截止3.00V;高放电速率会缩短电池寿命

循环寿命

500(与放电深度,温度有关)

热失控

典型值为150°C(302°F),高电荷会导致热失控

应用

医疗设备,工业,电动动力总成(特斯拉)

注释

与钴酸锂有相似之处。能量型电池。

表12:镍钴铝酸锂的特性

钛酸锂(Li4Ti5O12)

自二十世纪八十年代以来,钛酸锂阳极的电池已为人所知。钛酸锂代替典型锂离子电池阳极中的石墨,并且材料形成尖晶石结构。阴极可以是锰酸锂或NMC。钛酸锂的标称电池电压为2.40V,可以快速充电,并提供10C的高放电电流。据说循环次数高于常规锂离子电池的循环次数。钛酸锂是安全的,具有出色的低温放电特性,在-30°C(-22°F)时可获得80%的容量。

LTO(通常是Li4Ti5 O12)零应变,没有SEI膜形成和在快速充电和低温充电时无锂电镀现象,因而具有优于传统的钴掺混的Li-离子与石墨阳极的充放电性能。高温下的热稳定性也比其他锂离子体系好; 然而,电池价格昂贵。比能量低,只有65Wh/kg,与NiCd相当。钛酸锂充电至2.80V,放电结束时为1.80V。图13显示了钛酸锂电池的特性。典型用途是电动动力传动系统,UPS和太阳能路灯。

图13:钛酸锂蜘蛛图。钛酸锂在安全性,低温性能和寿命方面表现出色。正在努力提高比能量和降低成本。

汇总表

钛酸锂:可以是锰酸锂氧化物或NMC;Li4Ti 5O12(钛酸盐)阳极简称:LTO或Li-钛酸盐,2008年左右开始销售。

电压

2.40V标称值; 典型工作范围1.8-2.85V;

比能(容量)

50-80Wh/kg

充电(C率)

1C典型; 最大5C,充电至2.85V

放电(C率)

10C可能,30C 5s脉冲; LCO/LTO截止电压1.80V

循环寿命

3,000-7,000

热失控

一种最安全的锂离子电池

应用

UPS,电动动力总成(三菱i-MiEV,本田飞度EV),太阳能路灯

注释

寿命长,充电快,温度范围宽,比能量低,价格昂贵。最安全的锂离子电池。

表14:钛酸锂的特性

图15比较了基于铅,镍和锂体系的比能。虽然锂铝(NCA)通过比其他系统储存更多容量而成为明显的赢家,但它仅适用于特定场景的电源使用。就比功率和热稳定性而言,锰酸锂(LMO)和磷酸锂(LFP)优异。钛酸锂(LTO)的容量可能较低,但它的寿命超过了其他大多数电池,并且具有最佳的低温性能。

图15:铅,镍和锂基电池的典型比能量

NCA享有最高的比能量; 然而,锰酸锂和磷酸铁锂在比功率和热稳定性方面优越。钛酸锂具有最好的使用寿命。

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