鈦酸鋰電池具有體積小、重量輕、能量密度高、密封性能好、無(wú)泄露、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電率低、充放電迅速、循環(huán)壽命超長(zhǎng)、工作環(huán)境溫度范圍寬、安全穩(wěn)定綠色環(huán)保等特點(diǎn),所以在通信電源領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

1 鈦酸鋰電池的基本結(jié)構(gòu)

鈦酸鋰電池由正、負(fù)極板(正極活性物質(zhì)為三元鋰,負(fù)極為鈦酸鋰)、隔膜、電解質(zhì)、極耳、不銹鋼(鋁合金)外殼等組成。正負(fù)極板是電化學(xué)反應(yīng)的區(qū)域,隔膜、電解質(zhì)提供Li+的傳輸通道,極耳起到引導(dǎo)電流的作用。

三元鋰正極和鈦酸鋰負(fù)極與導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑以一定的比例混合,涂覆在鋁箔上構(gòu)成,正負(fù)極之間用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯復(fù)合隔膜)隔開(kāi),防止電池短路。隔膜是一種多孔結(jié)構(gòu)的薄膜,充放電過(guò)程中Li+可以通過(guò)其孔隙,而電子e-不能通過(guò)。電池的電解液是六氟磷酸鋰有機(jī)溶液。

鈦酸鋰材料具有三維擴(kuò)散通道，在Li+脫嵌過(guò)程中，其晶格體積基本不發(fā)生形變，其結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)i+提供了足夠暢通和快速的遷移，鈦酸鋰材料具有三維擴(kuò)散通道，不存在因形變帶來(lái)的應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)構(gòu)塌陷，從而使鈦酸鋰材料具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。從化學(xué)反應(yīng)特性來(lái)看，鈦酸鋰能夠在大倍率下進(jìn)行快速脫嵌鋰過(guò)程(既能快充也能快放)。圖1為鈦酸鋰材料結(jié)構(gòu)圖。圖2為石墨與鈦酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)比圖。

　2  鈦酸鋰電池的工作原理

電池充電時(shí),Li+從三元鋰材料中遷移到晶體表面,從正極板材料中脫出,在電場(chǎng)力的作用下,進(jìn)入電解液,穿過(guò)隔膜,再經(jīng)電解液遷移到負(fù)極鈦酸鋰晶體的表面,然后嵌入負(fù)極鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中。與此同時(shí),電子流通過(guò)正極的鋁箔,經(jīng)極耳、電池極柱、負(fù)載、負(fù)極極柱、負(fù)極耳流向負(fù)極的鋁箔電極,再經(jīng)導(dǎo)電體流到鈦酸鋰負(fù)極,使電荷達(dá)至平衡。

電池放電時(shí),Li+從鈦酸鋰尖晶石結(jié)構(gòu)材料中脫嵌,進(jìn)入電解液,穿過(guò)隔膜,再經(jīng)電解質(zhì)遷移到三元鋰晶體的表面，然后重新嵌入到三元鋰材料中。與此同時(shí)，電子經(jīng)導(dǎo)電體流向負(fù)極的鋁箔電極，經(jīng)極耳、電池負(fù)極柱、負(fù)載、正極極柱、正極極耳流向電池正極的鋁箔電極，然后再經(jīng)導(dǎo)電體流到三元鋰正極，使電荷達(dá)至平衡。

由此可見(jiàn),鈦酸鋰電池基本原理,就是在充、放電的過(guò)程中,對(duì)應(yīng)的鋰離子在正負(fù)極之間來(lái)回的嵌脫,完成電池的充放電和向負(fù)載的供電。鈦酸鋰電池的充放電示意圖如圖3所示。

電池充電時(shí),正極失去電子,鋰離子脫出,嵌入到負(fù)極中;負(fù)極嵌入鋰離子的同時(shí)得到電子成為富鋰態(tài)。放電時(shí)的過(guò)程正好相反。在Li+嵌入或脫嵌的反應(yīng)過(guò)程中,鈦酸鋰(Li4Ti5O12)是一種理想的嵌入型電極材料,Li+插入和脫嵌對(duì)材料結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響,因此被稱作“零應(yīng)變”材料,從而保證了其良好的循環(huán)性能。

鈦酸鋰存在兩種不同相的分子結(jié)構(gòu)——Li7Ti5O12與Li4Ti5O12。產(chǎn)生Li7Ti5O12的晶體結(jié)構(gòu)與Li4Ti5O12的晶體結(jié)構(gòu)均為尖晶石結(jié)構(gòu),且晶格常數(shù)變化很小,同時(shí)體積變化也很小。能夠避免充放電循環(huán)中電極材料的來(lái)回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞,從而提高電極的循環(huán)性能和使用壽命,減少了隨循環(huán)次數(shù)的增加而帶來(lái)容量的衰減,使鈦酸鋰具有優(yōu)良的循環(huán)性能。

鈦酸鋰電池的電化學(xué)反應(yīng)方程式:

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

負(fù)極反應(yīng):Li4Ti5O2+xLi++xe-→Li4+xTi5O12

總化學(xué)反應(yīng)方程式:–––

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

3 鈦酸鋰電池組在基站的工作方式

由于鈦酸鋰電池的電解液是有機(jī)液體,再加上鋰金屬是一種非常活潑的元素,所以該電池必須密封,電池在正常的充放電條件下是幾乎不產(chǎn)生氣體的。即使電池長(zhǎng)期處于間歇充電狀態(tài)下,電池內(nèi)部也不會(huì)產(chǎn)生較高壓力,電池安全可靠。另外,通信基站電源對(duì)電池組的供電方式是浮充加均充穩(wěn)壓限流工作模式,對(duì)于電池組間歇充電而言,調(diào)整浮充和均充電壓,都設(shè)定為53.9V,對(duì)鈦酸鋰電池組進(jìn)行充電,這個(gè)電壓對(duì)電池極板和電解液都是比較穩(wěn)定的,電池容量變化極小,不同的浮充電壓值對(duì)電池的容量影響不明顯,電池可以長(zhǎng)期處于間歇式充、放電狀態(tài),所以鈦酸鋰電池組用于通信基站是非常適合的。圖4為間歇式充放電原理圖。

T1和T3為充電過(guò)程;T1為恒流-恒壓充電階段;T3為間歇式補(bǔ)充電階段;T2為電池組開(kāi)路靜置階段;T4為電池組放電過(guò)程。

4  圓柱型鈦酸鋰電池的工藝特點(diǎn)

(1) 全極耳卷繞式金屬外殼獨(dú)特結(jié)構(gòu)

電池采用圓柱形不銹鋼殼激光封口,結(jié)構(gòu)具備不漏液、不氣脹、抗震耐碰、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng),具有在高熱、高寒、高濕環(huán)境下應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)部極耳采用橫向引流技術(shù),可現(xiàn)實(shí)正負(fù)極片多極耳引出,解決了圓柱型電池不能多極耳引流的難題,降低了電池充放電過(guò)程中極化內(nèi)阻,使電池具備高功率充放電性能。

正負(fù)極耳在電池兩端引出,有利于電池充放時(shí)熱量的發(fā)散,避免熱量只在一端聚集的情況。

電芯極卷采用全自動(dòng)卷繞方式,極片在卷繞過(guò)程中,通過(guò)精確的張力控制系統(tǒng),使極片之間的間隙極小。每圈電池均有極耳引出,有效降低電池的內(nèi)阻,改善電池的大電流放電性能,并提高電池均一性。

(2) 單體容量設(shè)計(jì)

卷繞式圓柱鈦酸鋰電池實(shí)現(xiàn)了從低容量電池到高容量電池的飛躍,解決了高容量電池產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)用難題,用單體大容量動(dòng)力鋰電池作為動(dòng)力模塊替代成百上千個(gè)小容量電池的串并聯(lián),從而降低了電池組裝的安全隱患,提高電池的一致性。

卷繞式圓柱鈦酸鋰電池能夠適應(yīng)的溫度范圍為-40～60℃。采用合理的電解液配方,使電解液有比較寬的電化學(xué)工作窗口,特別是在高電壓以及高低溫時(shí),仍有比較高的耐受性,電解液不易分解。電解液的耐高壓性以及較高的鋰離子濃度,提高了鋰離子在電極表面的擴(kuò)散速度。同時(shí)電解液中含有的高介電常數(shù)溶劑,減少了鋰離子的溶劑化,減小了電解液在低溫環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)阻力,提高了電池的低溫性能及倍率性能。

卷繞式電池能實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),減少生產(chǎn)工序,大幅度提高生產(chǎn)效率,降低電池的制造成本;與此同時(shí),在制造成本相同的情況下,規(guī)模化生產(chǎn)高容量電池,實(shí)現(xiàn)核算單位制造成本的降低。

卷繞式電池由正極材料(包括金屬箔材)、負(fù)極材料(包括金屬箔材)、隔膜、電解液、外殼及組裝配件五大部分組成。在不改變外殼及組裝配件的前提下,采用常規(guī)物料,進(jìn)行合理的電池設(shè)計(jì),在提升電池能量密度的同時(shí),能大幅度降低每安時(shí)的物料成本。

全自動(dòng)封閉上料工藝有效控制原料純度,隔離雜質(zhì)*;全程電腦自控上料,使投放更精準(zhǔn)穩(wěn)定;混料設(shè)備按制藥級(jí)別配置,分散粉料標(biāo)準(zhǔn)高。

涂布采用β射線自動(dòng)測(cè)厚技術(shù),輸出極片涂層厚度更穩(wěn)定可靠;烘干過(guò)程分段溫度控制,使極片成品率更高。

輥壓環(huán)節(jié)輥壓動(dòng)作應(yīng)用熱壓工藝,使涂層均勻度、附著力遠(yuǎn)高于冷壓工藝。

卷繞環(huán)節(jié)使用國(guó)內(nèi)外著名廠家的全自動(dòng)化連續(xù)卷繞機(jī),使產(chǎn)品卷芯質(zhì)量更穩(wěn)定。

端蓋焊接采用激光焊接設(shè)備，在高精度作業(yè)過(guò)程中,可進(jìn)行顯微鏡可視檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、質(zhì)檢同步。

化成分容環(huán)節(jié)為保證測(cè)量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)性,化成分容均實(shí)現(xiàn)恒溫控制,采用高精度分選化成容量設(shè)備,用動(dòng)態(tài)電壓曲線擬合的方法,通過(guò)智能軟件控制系統(tǒng)自動(dòng)分選。確保電池經(jīng)過(guò)篩選后電池的準(zhǔn)確性,提高電池配組的一致性。

圖5給出了圓柱型鈦酸鋰電池的結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物照片。

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

圖8是30Ah電池在不同倍率下的充、放電倍率曲線圖。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2。

編輯：Harris

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