锂电池定制16年-动力锂电池系统解决方案商

 

研究背景

电动汽车（EV）市场需要能量密度高、成本低的电池。在现有的可充电电池技术中，锂离子电池的能量密度最高，如高尔夫车锂电池、房车锂电池。在成本方面，商用锂离子电池的价格相对较低。然而，要实现大规模市场化，关键是BEV要达到500公里以上的续航里程，而且汽车的成本要低于4万美元。

不幸的是，基于石墨阳极和过渡金属锂氧化物阳极的锂离子电池几乎不可能达到如此高的能量密度。为了提高能量密度，需要开发新的阳极和阴极电极材料。由于锂金属电池的超高容量和最低的电化学电位，它被认为是最有希望取代石墨的阳极材料。

Li-LMO和Li-S等锂金属电池在能量密度和成本方面比LIB有压倒性的优势，这为未来的长途和低成本电动汽车行业带来了巨大的机会。

 

成果介绍

近日，ACS Energy Lett.上有一篇题为 “Opportunities and Challenges of High-Energy Lithium Metal Batteries for Electric Vehicle Applications “的文章。

在能量密度和成本方面，锂金属电池比现有的锂离子电池有巨大的优势，为长距离和低成本的电动汽车提供了巨大的机会。在本文中，研究人员讨论了高能量密度的锂金属电池在未来电动汽车电池组和系统应用中的要求和挑战，并强调了这些领域的最新进展。

为了使电动汽车成功取代传统的内燃机汽车，行驶距离和价格是最重要的考虑因素，另一个重要因素是电池寿命。随着锂金属电池能量密度的增加，在相同大小或重量的电池组中可以储存更多的能量。由于每次充电的驱动距离更长，锂金属电池的循环寿命要求可能会降低。对于电动车的应用，锂金属电池要求至少有500-1000次的循环寿命。

锂金属电池的长循环寿命是在石墨阳极上形成了一个稳定的固体电解质中间相（SEI）层，它可以防止电解质在循环过程中进一步分解和剥落。然而，与石墨不同的是，锂金属阳极在反复电镀或剥离过程中表现出较大的体积和形态变化。

 

 

操作温度范围

温度对锂金属电池有很大的影响，电化学反应动力学和离子导电性会随着温度的变化而变化。在极端条件下，会引起火灾、气体释放和爆炸等安全问题。

人们发现，电池的性能在0℃以下会迅速衰减。这种衰减被认为是由于较低的离子导电性，较高的电荷传输电阻，以及低温下较低的锂离子扩散。在低温下，阳极电极上会出现镀锂现象。

当在高温下工作时，锂离子电池迅速老化，反映在电池容量和性能的快速下降。阴极和电解液之间的副反应以及非活性电极组件的变化是高温下老化退化的关键。

 

快速放电和充电

电池的高倍率能力对电动汽车的性能至关重要。对于任何电动汽车，需要再生制动或 “加油 “的快速脉冲放电和连续充电储能系统。锂金属电池高速运行的一个挑战是产生热量，这增加了电池温度，从而加速了电池的老化。另一方面，锂阳极的形态和可回收性取决于剥离和电镀的电流密度。

电池体积的变化。首先，锂的无基质沉积和溶解导致锂阳极和整个电池在充电和放电过程中周期性地膨胀和收缩。锂阳极的变化会使整个电池的体积发生约15%的变化。随着阴极厚度的增加和锂的过剩，这种相对体积的变化会减少。为了将锂金属电池技术应用于电动汽车，需要对电池组进行适当设计，以适应电池体积的这种周期性变化。

 

 

软包电池在不同电解质中的膨胀。另一个问题是电池在长时间循环后出现不可逆的膨胀。其根本原因是由于SEI和被SEI绝缘的 “死 “锂颗粒的积累而形成的松散的粉末状锂结构的增长，这是锂和电解质不可逆的连续反应的结果。

 

 

安全问题

锂金属电池的防火安全是电动汽车的一个主要考虑因素。具有高能量密度和高可燃性的锂金属电池对各种条件都很敏感，包括振动、碰撞、过充或过放、外部短路、高温等等。

滥用条件会破坏结构的稳定性，造成内部短路，引发连锁反应，导致热失控，产生严重的安全问题，如烟雾、气体喷射、燃烧甚至爆炸。电池的自发故障和内部短路也会导致安全隐患。此外，反复循环后形成的松散SEI和粉碎的 “死 “锂也会造成安全问题。

 

用于电动汽车的高安全性能锂金属电池解决方案

锂金属电池的挑战主要来自于循环过程中锂的结构变化和不稳定的SEI。解决方案的策略主要集中在三个方向，包括电解质工程、锂界面工程和锂结构工程。

电解质工程。不同的电解质对锂的稳定性不同，极大地影响了SEI的性能和锂的沉积形态，导致循环库仑效率和锂金属阳极膨胀的显著差异。此外，电解质决定了LMB的工作温度范围、高倍率性能和电池的安全性。

 

 

某些卤化锂、Cs和Rb盐添加剂可以在不同的工作机制下实现无枝晶的锂沉积，提高安全性。此外，除常规溶剂外，还开发了一种用于金属锂阳极的液化电解质。

 

 

全固态电池(ASSBs)的制造成本可能比使用液体电解质的LMBs更高。因此，基于金属锂的ASSB的发展仍处于早期阶段。如果你想知道固态电池公司有什么，你可以点击链接来了解。

界面工程。理想情况下，锂上的SEI应该是薄而均匀致密的，高弹性，高离子性，但导电性差。它能承受巨大的体积变化，并允许Li+快速通过，同时防止电解质分解，使锂阳极的高效无枝晶循环。由电解质分解自然形成的SEI很难满足所有这些要求。因此，在锂电阳极上涂抹保护层或人工SEI是一种有效的方法。

锂结构工程。为了尽量减少锂金属负极的体积变化，一些三维集电体或预存锂的稳定主结构已经被引入。增加集电极和主体结构的活性锂表面，降低局部电流密度，从而提高放大性能，并通过离子通量均匀化抑制锂枝晶的产生。

 

 

电池组装策略

对于电动汽车的应用，锂金属电池总是以模块的形式组装，包括成百上千的大电池。因此，需要一个电池管理系统，这对电池的安全运行至关重要。对于锂金属电池，研究人员认为，电池管理系统至少应包括三个功能，包括高级预检测、压力管理和热管理。

先进的预检测

目前在电动汽车中使用的电池健康监测功能远不能检测到即将发生的电池故障。然而，对于由金属锂基电池制成的电池组，有必要采用非破坏性的在线监测技术来发现即将失效的电池。阻抗测量已被提议作为一种有效的方法，但仍然需要更多的系统研究。

压力管理

已经发现，最佳压力也取决于电解质。因此，设计带有压力管理系统的电池组结构，监测或控制压力在最佳范围内，不仅可以提高电池性能，而且有利于电池组的安全运行。

热管理

对单体电池和电池组的热失控进行管理，防止电池或电池组在储存或运行过程中出现安全隐患。研究开发的主要内容包括温度分布、传感器、热传导和电池管理系统控制等。

 

总结和展望
高能金属锂电池有望用于长距离和低成本的电动汽车，但在实现长寿命、低体积变化、高安全性和在极端温度下可靠运行方面面临严峻挑战。