鈦酸鋰電(dian)(dian)池具(ju)有體積小、重量(liang)輕、能量(liang)密度高、密封性(xing)能好、無(wu)泄(xie)露、無(wu)記憶效應(ying)、自放電(dian)(dian)率低、充放電(dian)(dian)迅速、循(xun)環(huan)壽命超(chao)長(chang)、工(gong)作(zuo)環(huan)境溫(wen)度范(fan)圍寬、安全(quan)穩定(ding)綠色(se)環(huan)保(bao)等特(te)點,所以在通信電(dian)(dian)源(yuan)領(ling)域具(ju)有非常(chang)廣泛的應(ying)用前景。

1 鈦酸鋰(li)電池(chi)的(de)基本(ben)結(jie)構(gou)

鈦酸鋰電池由正、負(fu)(fu)極(ji)(ji)板(ban)(正極(ji)(ji)活性物(wu)質(zhi)(zhi)為三元(yuan)鋰,負(fu)(fu)極(ji)(ji)為鈦酸鋰)、隔膜、電解質(zhi)(zhi)、極(ji)(ji)耳(er)、不銹鋼(gang)(鋁合金(jin))外殼等(deng)組成。正負(fu)(fu)極(ji)(ji)板(ban)是電化學(xue)反應的區域,隔膜、電解質(zhi)(zhi)提供(gong)Li+的傳輸通道,極(ji)(ji)耳(er)起(qi)到(dao)引導電流的作用。

三元鋰(li)正極和(he)(he)鈦酸(suan)(suan)鋰(li)負極與導電劑、粘結劑以(yi)一(yi)定的比例混合,涂覆(fu)在鋁箔上構成,正負極之間用聚乙(yi)烯隔(ge)(ge)膜(或者是(shi)(shi)聚丙(bing)烯和(he)(he)聚乙(yi)烯復合隔(ge)(ge)膜)隔(ge)(ge)開(kai),防止(zhi)電池(chi)短路。隔(ge)(ge)膜是(shi)(shi)一(yi)種多孔(kong)結構的薄膜,充放電過程中Li+可以(yi)通過其孔(kong)隙,而電子e-不能通過。電池(chi)的電解液是(shi)(shi)六(liu)氟磷酸(suan)(suan)鋰(li)有機(ji)溶液。

鈦(tai)(tai)酸(suan)鋰(li)(li)材(cai)料具有三(san)維(wei)擴(kuo)散通道(dao)，在Li+脫嵌過程中(zhong)，其晶(jing)(jing)格(ge)體積基本不發生形變，其結構為Li+提供了足夠(gou)暢通和快(kuai)速(su)的遷移，鈦(tai)(tai)酸(suan)鋰(li)(li)材(cai)料具有三(san)維(wei)擴(kuo)散通道(dao)，不存在因形變帶來(lai)的應(ying)力應(ying)變和結構塌(ta)陷，從而使(shi)鈦(tai)(tai)酸(suan)鋰(li)(li)材(cai)料具有更長的循環(huan)壽命。從化學反應(ying)特性(xing)來(lai)看，鈦(tai)(tai)酸(suan)鋰(li)(li)能夠(gou)在大倍率(lv)下(xia)進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)脫嵌鋰(li)(li)過程(既能快(kuai)充也能快(kuai)放)。圖1為鈦(tai)(tai)酸(suan)鋰(li)(li)材(cai)料結構圖。圖2為石墨與鈦(tai)(tai)酸(suan)鋰(li)(li)的晶(jing)(jing)體結構對比(bi)圖。

2  鈦(tai)酸鋰電池的(de)工作原理

電(dian)(dian)池充(chong)電(dian)(dian)時,Li+從(cong)三元鋰材料(liao)中(zhong)(zhong)遷(qian)移到(dao)晶體表(biao)面,從(cong)正(zheng)極(ji)(ji)板材料(liao)中(zhong)(zhong)脫出(chu),在電(dian)(dian)場力的(de)作用(yong)下,進(jin)入電(dian)(dian)解液,穿過(guo)(guo)隔(ge)膜,再(zai)經電(dian)(dian)解液遷(qian)移到(dao)負(fu)極(ji)(ji)鈦酸鋰晶體的(de)表(biao)面,然(ran)后嵌入負(fu)極(ji)(ji)鈦酸鋰尖晶石結構材料(liao)中(zhong)(zhong)。與此(ci)同時,電(dian)(dian)子流(liu)通過(guo)(guo)正(zheng)極(ji)(ji)的(de)鋁箔,經極(ji)(ji)耳、電(dian)(dian)池極(ji)(ji)柱(zhu)(zhu)、負(fu)載、負(fu)極(ji)(ji)極(ji)(ji)柱(zhu)(zhu)、負(fu)極(ji)(ji)耳流(liu)向(xiang)負(fu)極(ji)(ji)的(de)鋁箔電(dian)(dian)極(ji)(ji),再(zai)經導電(dian)(dian)體流(liu)到(dao)鈦酸鋰負(fu)極(ji)(ji),使電(dian)(dian)荷達(da)至平衡。

電池(chi)放電時,Li+從鈦酸鋰尖晶(jing)(jing)石結構材料中脫(tuo)嵌,進入(ru)電解(jie)液,穿過隔膜,再經電解(jie)質(zhi)遷(qian)移到(dao)三(san)元鋰晶(jing)(jing)體的(de)(de)表面(mian)，然(ran)后(hou)重(zhong)新(xin)嵌入(ru)到(dao)三(san)元鋰材料中。與此同(tong)時，電子經導(dao)電體流向負極的(de)(de)鋁箔電極，經極耳、電池(chi)負極柱、負載、正(zheng)(zheng)(zheng)極極柱、正(zheng)(zheng)(zheng)極極耳流向電池(chi)正(zheng)(zheng)(zheng)極的(de)(de)鋁箔電極，然(ran)后(hou)再經導(dao)電體流到(dao)三(san)元鋰正(zheng)(zheng)(zheng)極，使電荷達至(zhi)平衡。

由此可見,鈦(tai)酸鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)基本原理,就是在(zai)充(chong)、放電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)過程(cheng)中,對應(ying)的(de)(de)鋰離子在(zai)正負極之間來回的(de)(de)嵌脫,完成電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)充(chong)放電(dian)(dian)(dian)和向負載的(de)(de)供電(dian)(dian)(dian)。鈦(tai)酸鋰電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)充(chong)放電(dian)(dian)(dian)示(shi)意圖如圖3所示(shi)。

電(dian)池充電(dian)時(shi),正極失去電(dian)子(zi)(zi)(zi),鋰(li)(li)離子(zi)(zi)(zi)脫(tuo)出,嵌入(ru)(ru)到負極中(zhong);負極嵌入(ru)(ru)鋰(li)(li)離子(zi)(zi)(zi)的(de)同(tong)時(shi)得到電(dian)子(zi)(zi)(zi)成(cheng)為(wei)富鋰(li)(li)態。放電(dian)時(shi)的(de)過程(cheng)正好相反。在Li+嵌入(ru)(ru)或脫(tuo)嵌的(de)反應(ying)(ying)過程(cheng)中(zhong),鈦酸鋰(li)(li)(Li4Ti5O12)是(shi)一種理想(xiang)的(de)嵌入(ru)(ru)型電(dian)極材料(liao),Li+插入(ru)(ru)和(he)脫(tuo)嵌對材料(liao)結構幾乎沒有影響(xiang),因此被稱作 零(ling)應(ying)(ying)變 材料(liao),從而保證了其良好的(de)循環性能。

鈦酸鋰(li)存在兩種(zhong)不同(tong)相的(de)(de)(de)分(fen)子結(jie)(jie)(jie)構(gou) Li7Ti5O12與Li4Ti5O12。產生Li7Ti5O12的(de)(de)(de)晶體結(jie)(jie)(jie)構(gou)與Li4Ti5O12的(de)(de)(de)晶體結(jie)(jie)(jie)構(gou)均為尖晶石結(jie)(jie)(jie)構(gou),且晶格常數變化很小(xiao),同(tong)時(shi)體積(ji)變化也很小(xiao)。能(neng)夠避免充放(fang)電循(xun)環中電極材料(liao)的(de)(de)(de)來回伸縮(suo)而導致結(jie)(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)破壞,從而提高(gao)電極的(de)(de)(de)循(xun)環性能(neng)和使用壽命,減(jian)少了隨循(xun)環次數的(de)(de)(de)增加而帶來容量的(de)(de)(de)衰減(jian),使鈦酸鋰(li)具有優良的(de)(de)(de)循(xun)環性能(neng)。

鈦酸鋰電池的電化(hua)學反應方程式:

正極反應:LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2 Li1-xNi1/3Mn1/3Co1/3O2+xLi++xe-

負極反(fan)應(ying):Li4Ti5O2+xLi++xe- Li4+xTi5O12

總化學(xue)反應方程式:

LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2+Li4Ti5O12 Li1-xNi1/3Mn1/3Co1/3O2+Li4+xTi5O12

3 鈦酸鋰(li)電池組在基(ji)站(zhan)的工作方式

由于(yu)(yu)鈦酸(suan)(suan)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)液是有機(ji)液體,再加(jia)上鋰(li)(li)金屬(shu)是一(yi)種非常(chang)活潑的(de)(de)元素,所以該電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)必須密封,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)在正(zheng)常(chang)的(de)(de)充(chong)(chong)(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)條(tiao)件下是幾乎不產(chan)生氣體的(de)(de)。即使(shi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)長(chang)期(qi)處(chu)于(yu)(yu)間(jian)(jian)歇(xie)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)狀態下,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)內部也不會產(chan)生較高壓力,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)安全可靠。另外,通(tong)信基站電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源對電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組(zu)(zu)的(de)(de)供電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)方式(shi)是浮充(chong)(chong)(chong)加(jia)均充(chong)(chong)(chong)穩(wen)壓限流(liu)工作模(mo)式(shi),對于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組(zu)(zu)間(jian)(jian)歇(xie)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)而言,調整浮充(chong)(chong)(chong)和(he)均充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓,都(dou)(dou)設定(ding)為(wei)53.9V,對鈦酸(suan)(suan)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組(zu)(zu)進行(xing)充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian),這個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓對電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)極板和(he)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)解(jie)液都(dou)(dou)是比較穩(wen)定(ding)的(de)(de),電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)容(rong)量(liang)變化極小,不同的(de)(de)浮充(chong)(chong)(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓值對電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)容(rong)量(liang)影(ying)響不明顯,電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)可以長(chang)期(qi)處(chu)于(yu)(yu)間(jian)(jian)歇(xie)式(shi)充(chong)(chong)(chong)、放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)狀態,所以鈦酸(suan)(suan)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組(zu)(zu)用于(yu)(yu)通(tong)信基站是非常(chang)適合的(de)(de)。圖4為(wei)間(jian)(jian)歇(xie)式(shi)充(chong)(chong)(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)原理圖。

T1和T3為(wei)充電過(guo)程;T1為(wei)恒流-恒壓充電階(jie)段(duan);T3為(wei)間歇式(shi)補充電階(jie)段(duan);T2為(wei)電池組(zu)開(kai)路靜置階(jie)段(duan);T4為(wei)電池組(zu)放電過(guo)程。

4  圓柱型鈦酸(suan)鋰電池的工(gong)藝特點

(1) 全極耳卷繞(rao)式金(jin)屬外殼獨特結(jie)構(gou)

電池采(cai)用圓柱形不(bu)(bu)銹(xiu)鋼殼激光(guang)封口,結構具(ju)(ju)備不(bu)(bu)漏液(ye)、不(bu)(bu)氣脹、抗震(zhen)耐碰、環境(jing)適應性(xing)強,具(ju)(ju)有在(zai)高(gao)熱、高(gao)寒、高(gao)濕環境(jing)下應用的(de)優勢。

內(nei)部極(ji)耳(er)采用橫向引流(liu)技(ji)術,可(ke)現(xian)實(shi)正負極(ji)片多極(ji)耳(er)引出,解決了(le)圓柱型電(dian)池不能多極(ji)耳(er)引流(liu)的難題,降低(di)了(le)電(dian)池充放電(dian)過程(cheng)中極(ji)化內(nei)阻(zu),使電(dian)池具備高功率充放電(dian)性能。

正(zheng)負極耳在(zai)電(dian)池兩端引(yin)出,有利(li)于電(dian)池充放時熱量的發散,避免(mian)熱量只在(zai)一端聚集的情況。

電(dian)芯極(ji)(ji)(ji)卷采(cai)用全自動卷繞(rao)方式,極(ji)(ji)(ji)片在卷繞(rao)過程中,通(tong)過精確(que)的張力控制系(xi)統,使(shi)極(ji)(ji)(ji)片之間(jian)(jian)的間(jian)(jian)隙極(ji)(ji)(ji)小(xiao)。每(mei)圈(quan)電(dian)池均有(you)極(ji)(ji)(ji)耳引(yin)出,有(you)效降低電(dian)池的內阻(zu),改(gai)善電(dian)池的大電(dian)流放(fang)電(dian)性(xing)(xing)能,并提(ti)高電(dian)池均一性(xing)(xing)。

(2) 單體容量設計

卷繞式圓柱鈦酸鋰(li)電(dian)池(chi)實現了從低容量(liang)電(dian)池(chi)到(dao)高(gao)容量(liang)電(dian)池(chi)的(de)飛躍,解決了高(gao)容量(liang)電(dian)池(chi)產(chan)業化生產(chan)過程中的(de)關鍵(jian)技術問題及應(ying)用難(nan)題,用單體大容量(liang)動(dong)力鋰(li)電(dian)池(chi)作為(wei)動(dong)力模塊(kuai)替代成百上(shang)千個小(xiao)容量(liang)電(dian)池(chi)的(de)串并(bing)聯(lian),從而(er)降低了電(dian)池(chi)組裝的(de)安全隱患(huan),提高(gao)電(dian)池(chi)的(de)一致性(xing)。

卷繞式圓柱鈦酸鋰電(dian)池能(neng)夠適應的(de)(de)(de)溫度范圍(wei)為-40～60℃。采用合(he)理的(de)(de)(de)電(dian)解(jie)液配方,使電(dian)解(jie)液有(you)比較(jiao)寬(kuan)的(de)(de)(de)電(dian)化學(xue)工作窗口,特別是(shi)在高(gao)(gao)電(dian)壓以(yi)及(ji)高(gao)(gao)低溫時,仍有(you)比較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)耐(nai)受性(xing),電(dian)解(jie)液不易分解(jie)。電(dian)解(jie)液的(de)(de)(de)耐(nai)高(gao)(gao)壓性(xing)以(yi)及(ji)較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)鋰離子濃度,提高(gao)(gao)了鋰離子在電(dian)極表(biao)面的(de)(de)(de)擴散速(su)度。同時電(dian)解(jie)液中含有(you)的(de)(de)(de)高(gao)(gao)介電(dian)常數溶劑(ji),減少了鋰離子的(de)(de)(de)溶劑(ji)化,減小了電(dian)解(jie)液在低溫環(huan)境下的(de)(de)(de)運動(dong)阻力(li),提高(gao)(gao)了電(dian)池的(de)(de)(de)低溫性(xing)能(neng)及(ji)倍率性(xing)能(neng)。

卷(juan)繞式電(dian)池(chi)能實現(xian)連續(xu)化生(sheng)(sheng)產,減少生(sheng)(sheng)產工序,大幅度提高生(sheng)(sheng)產效率(lv),降低(di)(di)電(dian)池(chi)的(de)制(zhi)造成(cheng)本(ben)(ben);與(yu)此同(tong)時,在制(zhi)造成(cheng)本(ben)(ben)相同(tong)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia),規模化生(sheng)(sheng)產高容量電(dian)池(chi),實現(xian)核算單位制(zhi)造成(cheng)本(ben)(ben)的(de)降低(di)(di)。

卷繞(rao)式(shi)電池由(you)正極材(cai)料(liao)(包括(kuo)金屬箔(bo)材(cai))、負(fu)極材(cai)料(liao)(包括(kuo)金屬箔(bo)材(cai))、隔膜、電解液、外殼及(ji)組裝(zhuang)配件五大部分組成。在不改(gai)變外殼及(ji)組裝(zhuang)配件的(de)前(qian)提下,采(cai)用常規物(wu)料(liao),進(jin)行(xing)合理的(de)電池設計(ji),在提升電池能(neng)(neng)量密(mi)度的(de)同時,能(neng)(neng)大幅度降(jiang)低每安(an)時的(de)物(wu)料(liao)成本。

全(quan)自(zi)(zi)動封閉上料(liao)(liao)工藝有效控制原料(liao)(liao)純度,隔離雜(za)質*;全(quan)程(cheng)電(dian)腦(nao)自(zi)(zi)控上料(liao)(liao),使投放更精(jing)準穩定;混料(liao)(liao)設備按制藥級別配(pei)置(zhi),分散粉料(liao)(liao)標準高。

涂布采用 射線自動測厚技(ji)術,輸(shu)出極(ji)片(pian)涂層厚度(du)更穩定可(ke)靠;烘干過程分段溫度(du)控(kong)制,使極(ji)片(pian)成(cheng)品(pin)率(lv)更高。

輥壓環節輥壓動作應用熱壓工(gong)藝,使涂層(ceng)均勻度、附(fu)著力(li)遠高于(yu)冷壓工(gong)藝。

卷繞(rao)環節使用(yong)國內外(wai)著名廠家的全(quan)自(zi)動(dong)化連(lian)續卷繞(rao)機(ji),使產品卷芯質量更穩定。

端蓋焊接(jie)采用激光焊接(jie)設(she)備(bei)，在(zai)高精度作(zuo)業過程(cheng)中,可進行顯微鏡(jing)可視檢測，實現生產(chan)、質(zhi)檢同步。

化成(cheng)分容(rong)環節為保(bao)證測量數(shu)據精準性,化成(cheng)分容(rong)均實(shi)現恒(heng)溫控制(zhi),采用高(gao)精度分選(xuan)化成(cheng)容(rong)量設備(bei),用動(dong)(dong)態電壓曲線擬(ni)合的(de)方法,通過(guo)智能(neng)軟件(jian)控制(zhi)系統自動(dong)(dong)分選(xuan)。確保(bao)電池(chi)(chi)經過(guo)篩選(xuan)后電池(chi)(chi)的(de)準確性,提(ti)高(gao)電池(chi)(chi)配組的(de)一致性。

圖5給出了(le)圓柱型鈦酸鋰電池的(de)結構圖和實物(wu)照(zhao)片。

圖6和圖7以66260圓柱型鈦酸鋰電池(chi)(chi)為例(li),分別給出了電池(chi)(chi)充、放電倍率曲線圖。

圖(tu)(tu)8是(shi)30Ah電(dian)池在(zai)不同倍率(lv)(lv)下的充、放電(dian)倍率(lv)(lv)曲線圖(tu)(tu)。具體數據見表1和表2。

文章編輯：CobiNet(寧波)  
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