Explicação completa sobre o conhecimento de baterias de íon-lítio - Diretor de P&D de Baterias da Tritek
Com o desenvolvimento da indústria global de novas energias, as baterias de lítio tornaram-se um setor de alta demanda, e as baterias de lítio para aplicações de potência se consolidaram como uma área de crescimento expressivo para a indústria de baterias de lítio.
Você compreende totalmente os aspectos técnicos das baterias de íon-lítio? Aqui está um guia completo, resumido pelo Diretor de P&D da Tritek.
Também preparamos um glossário de termos de bicicletas elétricas (https://tritekbattery.com/zh-CN/ebike-glossary-of-terms/) para sua pesquisa rápida.
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1. Conhecimento básico sobre células
1.1 Histórico do desenvolvimento de baterias
1.2 Categoria de bateria
1.3 Direção de desenvolvimento de baterias de potência
1.4 Bateria de lítio – histórico de desenvolvimento
Bateria de lítio de 1,5 V – Como funciona
1.6 Baterias de lítio – princípio de funcionamento – processos de carga e descarga
1.7 Composição estrutural da bateria de lítio
1.8 Bateria de lítio – material do cátodo
1.9 Baterias de lítio – Classificação
1.10 Parâmetros de desempenho da bateria de lítio
1.11 1.4 Bateria de lítio – curva de carga e descarga
1.12 Bateria de lítio - desempenho em altas e baixas temperaturas
1.13 Bateria de lítio - desempenho em altas e baixas temperaturas
1.14 Bateria de lítio – desempenho de ciclo em diferentes taxas de carregamento
1.15 Bateria de lítio – desempenho de ciclo em diferentes taxas de descarga
1.16 Bateria de lítio – Efeito da profundidade de descarga (DOD) na vida útil em ciclos
1.17 Bateria de lítio – Efeito da temperatura na vida útil do ciclo
1.18 Bateria de lítio - taxa de descarga em temperatura normal, eficiência de descarga, aumento de temperatura
1.19 Bateria de lítio – taxa de carregamento em temperatura normal, eficiência de carregamento, aumento de temperatura
1.20 Bateria de lítio – princípio do aumento duplicado da temperatura de carga e descarga
1.21 Pacote de baterias de lítio compatíveis
2. Conhecimento sobre materiais celulares
2.1 Conhecimento dos materiais do núcleo da bateria – eletrodo positivo
2.2 Conhecimento dos materiais do núcleo da bateria – eletrodo negativo
2.3 Conhecimento dos materiais do núcleo da bateria – agente condutor
2.4 Conhecimento sobre materiais de baterias — aglutinantes
2.5 Conhecimento dos materiais do núcleo da bateria – folha metálica
2.6 Conhecimento sobre o material principal da bateria——Terminal
2.7 Conhecimento sobre o material do núcleo da bateria – separador
2.8 Conhecimento sobre materiais de baterias – eletrólito
2.9 Conhecimento dos materiais do núcleo da bateria – invólucro de aço
2.10 Conhecimento sobre materiais de baterias — Tampa
2.11 Conhecimento sobre o material do núcleo da bateria – dispositivo de segurança
Conhecimento em tecnologia de 3 células
3.1 Fluxo de conhecimento do processo celular
4. Conhecimento da estrutura celular
4.1 Conhecimento da estrutura celular
4.2 Conhecimento da estrutura central da bateria – pilha quadrada
4.3 Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – laminação quadrada em forma de Z
4.4 Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – laminação de filme quadrado
4.5 Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – enrolamento quadrado com múltiplos terminais
4.6 Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – enrolamento cilíndrico único com múltiplos terminais
4.7 Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – enrolamento cilíndrico com terminais completos
4.8 Resumo do Conhecimento sobre a Estrutura Celular
Noções básicas sobre células
desenvolvimento de baterias
Uma bateria é um dispositivo que converte energia química em energia elétrica. Ela fornece energia elétrica diretamente ao mundo exterior por meio de reações químicas que ocorrem dentro da bateria.
Categoria de bateria
As baterias são divididas principalmente em três tipos: baterias químicas, baterias físicas e baterias biológicas. Abaixo, segue um mapa mental da classificação de baterias.
A direção do desenvolvimento de baterias de energia
Bateria de níquel-cádmio → Bateria de níquel-zinco → Bateria de chumbo-ácido → Bateria de níquel-hidreto metálico → Bateria de íon-lítio → Célula de combustível
Baterias de níquel-cádmio:seriamente poluídos e foram praticamente eliminados.
Bateria de níquel-zinco:Vida útil curta, desempenho inadequado para baterias de carro.
Bateria de chumbo-ácido:Inicialmente utilizada como bateria para veículos, ainda é usada atualmente. Possui baixo custo, mas baixa energia específica, alta taxa de autodescarga, baixa vida útil e não é ecologicamente correta.
Baterias de níquel-hidreto metálico:Mais comumente usados em HEVs (Veículos Elétricos Híbridos), têm melhor desempenho, mas custam mais e contêm níquel, um metal poluente.
Bateria de íon-lítio:Atualmente, é um produto em alta na indústria de baterias automotivas, com bom desempenho e respeito ao meio ambiente.
Os produtos LEV da Triteks, como baterias para bicicletas elétricas, baterias personalizadas para bicicletas elétricas, baterias para motocicletas elétricas e baterias para bicicletas de carga, utilizam baterias de íon-lítio.
Célula de combustível:Ainda não industrializado, apresenta bom desempenho e é ecologicamente correto, mas o preço é elevado.
Bateria de lítio – histórico de desenvolvimento
O carbono é usado como eletrodo negativo e o composto de lítio como eletrodo positivo; durante o processo de carga e descarga, os íons de lítio transitam entre o eletrodo positivo e o negativo, daí o nome bateria de íon-lítio.
Bateria de lítio – Como funciona
Durante o processo de carga e descarga das baterias de íon-lítio, os íons de lítio estão em constante movimento, do eletrodo positivo para o negativo e de volta para o positivo. É como uma cadeira de balanço, com os íons de lítio se movendo para frente e para trás entre os dois polos da bateria. Esse sistema de armazenamento de energia eletroquímica é chamado de "bateria de cadeira de balanço".
Baterias de lítio – princípio de funcionamento – processos de carga e descarga
1.6.1 Os íons de lítio são incorporados na estrutura em camadas do material do cátodo antes do carregamento.
1.6.2 Após o início do carregamento, o material do eletrodo positivo perde elétrons e os íons de lítio escapam do material do eletrodo positivo.
1.6.3 Os íons de lítio chegam ao material de grafite do eletrodo negativo através do eletrólito e do separador.
1.6.4 Os íons de lítio ficam incorporados na camada de grafite, enquanto os elétrons chegam ao eletrodo negativo através do circuito externo, formando grafite com lítio incorporado relativamente estável.
1.6.5 À medida que o processo de carregamento continua, o material do eletrodo positivo continua a perder elétrons e os íons de lítio continuam a ser desintercalados até que o carregamento seja concluído.
1.6.6 Os elétrons deixam o material do eletrodo negativo e fluem para o eletrodo positivo através do circuito externo. Os íons de lítio que perderam elétrons também escaparão da camada de grafite.
1.6.7 Os íons de lítio extraídos do eletrodo negativo retornam ao material do eletrodo positivo através do eletrólito e do separador, e se combinam com os elétrons que chegam ao eletrodo positivo através do circuito externo para formar um material de eletrodo positivo com lítio incorporado relativamente estável.
Composição estrutural da bateria de lítio
Bateria de lítio – material do cátodo
Baterias de lítio – Classificação
As baterias de lítio podem ser classificadas por formato, invólucro e processo de fabricação.
TritekA estrutura utilizada é a de aço cilíndrico laminado, principalmente para baterias 18650 e 21700.
capacidade da bateria
1I capacidade de descarga da bateria à temperatura ambiente (Ah) 1 (A) corrente atinge a tensão final.
Fórmula: C=It, ou seja, capacidade da bateria (Ah) = corrente (A) x tempo de descarga (h).
A capacidade da bateria refere-se à quantidade de energia que uma bateria pode obter ou armazenar.
A capacidade é determinada pelo material ativo do eletrodo e é afetada principalmente pela taxa de descarga e pela temperatura (portanto, falando estritamente, a capacidade da bateria deveria especificar as condições de carga e descarga).
A relação entre capacidade e temperatura de exaustão:
Tensão
Refere-se à diferença de potencial (DP) entre os eletrodos positivo e negativo da bateria (a voltagem é afetada pela potência da bateria, temperatura e outras condições).
Como escolher a voltagem correta para a bateria da sua motocicleta elétrica
Tensão de circuito aberto (OCV)
A tensão de uma bateria quando ela não está conectada a um circuito externo ou carga externa. A tensão em circuito aberto está relacionada à energia restante da bateria, e o indicador de potência é baseado nesse princípio.
Tensão de circuito fechado (CCV)
Refere-se à diferença de potencial (DP) entre os eletrodos positivo e negativo da bateria em condições de funcionamento, ou seja, quando a corrente flui pelo circuito.
Estágio de carregamento (SOC)
É a porcentagem de carga restante da bateria, que é igual à carga restante dividida pela carga total da bateria. SOC=0% significa que a bateria está completamente descarregada e SOC=100% significa que a bateria está totalmente carregada.
O SOC (estado de carga) é calculado usando o sistema de gerenciamento de bateria (BMS).
Profundidade de descarga (DOD)
Refere-se à profundidade de descarga da bateria, ou seja, a porcentagem de descarga da bateria em relação à sua capacidade nominal. Ao contrário do SOC, DOD=100% significa que a bateria está descarregada e DOD=0% significa que a bateria está totalmente carregada. A relação entre DOD e SOC é a seguinte: DOD + SOC = 1.
resistência interna
Refere-se à resistência da corrente que flui através da bateria quando esta está em funcionamento. Geralmente, divide-se em resistência interna CA (corrente alternada) e resistência interna CC (corrente contínua). Normalmente, baterias com baixa resistência interna apresentam alta capacidade de descarga, enquanto baterias com alta resistência interna apresentam baixa capacidade de descarga. A resistência interna da bateria gera uma grande quantidade de calor Joule, o que aumenta a temperatura interna da bateria, causando a diminuição da tensão de operação de descarga e a redução do tempo de descarga, afetando o desempenho e a vida útil da bateria.
A temperatura sobe.
O calor gerado quando a corrente passa por um condutor é Q=I²Rt.
Tempo de platô de descarga
O tempo de platô de descarga refere-se ao tempo necessário para que a bateria descarregue até uma determinada voltagem após estar totalmente carregada. O platô de descarga é uma característica da curva de descarga da bateria. A unidade de medida é minutos.
relação de corrente constante de carregamento
A proporção da carga de corrente constante em relação à capacidade total de carga de corrente constante e tensão constante. Quanto maior a proporção de corrente constante, melhor o desempenho da bateria. A unidade da proporção de corrente constante é a porcentagem (%).
vida do ciclo
A vida útil da bateria refere-se ao número de ciclos de carga e descarga que uma bateria sofre sob um determinado sistema de carga e descarga, até que sua capacidade caia para um valor específico.
Entendendo a vida útil das baterias de lítio: quantos ciclos de carga você pode esperar?
Taxa de carga e descarga
A taxa de carga e descarga refere-se à corrente necessária para que a bateria descarregue sua capacidade nominal dentro de um período de tempo específico. 1C corresponde à capacidade nominal da bateria, geralmente representada pela letra C.
taxa de autoalta
A taxa de autodescarga, também conhecida como taxa de retenção de carga, refere-se à proporção entre a capacidade reduzida e a capacidade inicial de uma bateria em circuito aberto, após ser totalmente carregada sob certas condições e armazenada por um determinado período de tempo. A unidade da taxa de autodescarga é a porcentagem (%).
Quanto menor a autodescarga, melhor, e quanto maior a retenção de carga, melhor ainda. Baterias com alta autodescarga tendem a sofrer uma queda rápida de tensão após um período de armazenamento. Isso é influenciado principalmente pelo processo de fabricação, materiais, condições de armazenamento e outros fatores.
Eficiência de carregamento
A capacidade de uma bateria armazenar energia química é medida pela conversão da energia elétrica consumida durante o carregamento. Isso é influenciado principalmente pela tecnologia da bateria, sua composição, temperatura ambiente, taxa de carregamento e outros fatores. De modo geral, quanto maior a taxa de carregamento, menor a eficiência do carregamento. Quanto menor a temperatura, menor a eficiência do carregamento.
Eficiência de descarga
Em determinadas condições de descarga, a relação entre a quantidade real de descarga da bateria e a tensão final, bem como a capacidade nominal, é influenciada principalmente por fatores como taxa de descarga, temperatura ambiente e resistência interna. De modo geral, quanto maior a taxa de descarga, menor a eficiência de descarga. Quanto menor a temperatura, menor a eficiência de descarga.
nova energia
Fórmula: Energia (Wh) = Tensão de operação (V) × Corrente de operação (A) × Tempo de operação (h) = Tensão × Capacidade
Energia específica (densidade de energia)
A energia fornecida pela bateria por unidade de massa ou unidade de volume é chamada de energia específica de massa ou energia específica de volume, também conhecida como densidade de energia.
Geralmente expressa em densidade de energia volumétrica (Wh/L) ou densidade de energia mássica (Wh/kg). Se a bateria de lítio pesa 143g, tem uma tensão nominal de 3,2V, uma capacidade de 6500mAh e uma densidade de energia de 145Wh/kg (3,2*6500/143).
1.4 Curva de carga e descarga da bateria de lítio
Curva de carregamento
Curva de descarga
Bateria de lítio - desempenho em altas e baixas temperaturas
Bateria de lítio - desempenho em altas e baixas temperaturas
Baterias de lítio – desempenho de ciclo em diferentes taxas de carregamento
Bateria de lítio – desempenho de ciclo em diferentes taxas de descarga
Baterias de lítio – Impacto da profundidade de descarga (DOD) na vida útil do ciclo de vida.
Baterias de lítio – Efeito da temperatura na vida útil em ciclos
Bateria de lítio - taxa de descarga em temperatura normal, eficiência de descarga, aumento de temperatura
descarga de temperatura normal
1. Carregamento: corrente constante e tensão constante, corrente 1,25A (0,5C), tensão limite superior 4,2V, corrente de corte 0,05A (0,02C);
2. Deixe em repouso por 10 minutos;
3. Descarga: descarga de corrente constante com diferentes níveis de corrente, tensão limite inferior de 2,75V;
4. Eficiência de descarga = capacidade de descarga em cada taxa/capacidade de descarga de 0,5A (0,2C);
Bateria de lítio – taxa de carregamento em temperatura normal, eficiência de carregamento, aumento de temperatura
Tarifas de temperatura normal
1. Descarga: corrente 0,52A (0,2C), corrente constante até 2,75V;
2. Deixe em repouso por 10 minutos;
3. Carregamento: Utilize carregamento de corrente constante e tensão constante de diferentes tamanhos, a tensão máxima é de 4,2V;
4. Eficiência de carregamento = capacidade de carregamento de corrente constante em cada taxa/capacidade de descarga de 2,5A (1C);
Bateria de lítio – princípio da duplicação do aumento da temperatura de carga e descarga
O calor gerado durante o processo de carga e descarga das baterias de lítio consiste principalmente em três partes:
Forma: calor de polarização, calor ôhmico, calor de reação, calor de reação é uma reação endotérmica
responsável por;
Quanto maior a relação carga-descarga (corrente), maior a resistência interna de polarização e maior a geração de calor.
Bateria de lítio – conjunto de baterias compatível
Os oito princípios consistentes para o pareamento de baterias são: capacidade consistente, resistência interna consistente, taxa de corrente constante consistente, tempo de plataforma consistente, autodescarga consistente, tensão consistente, carga consistente e ciclo consistente.
Conhecimento de material celular
Conhecimento sobre os principais materiais da bateria – eletrodo positivo
Categoria do eletrodo positivo: fosfato de ferro-lítio, NCM/NCA ternário, manganato de lítio, óxido de lítio-cobalto, fosfato de ferro-manganês-lítio.
Conhecimento sobre os principais materiais da bateria – eletrodo negativo
Classificação de materiais ativos negativos: grafite artificial, grafite natural, esferas de carbono mesofásico, carbono macio, carbono duro e fibra de carbono.
Conhecimento sobre o material do núcleo da bateria – agente condutor
O agente condutor serve para garantir que o eletrodo tenha um bom desempenho de carga e descarga. Na fabricação de placas de eletrodo, geralmente adiciona-se uma certa quantidade de material condutor para melhorar a eficiência de carga e descarga do eletrodo.
Conhecimento sobre materiais de baterias – adesivos
Conhecimento sobre o material do núcleo da bateria – folha metálica
O coletor de corrente refere-se à coleta da corrente gerada pelo material ativo da bateria para formar uma saída de corrente maior, com contato total com o material ativo, baixa resistência interna e boa condutividade.
Folha de alumínio– O potencial do eletrodo positivo é alto e a película de óxido é muito densa, o que pode impedir a oxidação do coletor de corrente. A película de óxido da folha de cobre é relativamente frouxa. Para evitar a oxidação, um potencial baixo é melhor. Li e Cu não formam facilmente ligas com lítio incorporado em potenciais baixos.
Folha de cobre- A película de óxido na superfície do cobre é um semicondutor e conduz elétrons. Se a película de óxido for muito espessa, a resistência será alta; o alumínio (Al) formará uma liga com o lítio-alumínio (LiAl) no potencial baixo do eletrodo negativo, ou seja, o alumínio incorporará lítio no eletrodo negativo.
Conhecimento sobre o material principal da bateria——Terminal
Os terminais são os condutores metálicos que ligam os polos positivo e negativo da bateria. De modo geral, os terminais dos polos positivo e negativo da bateria são os pontos de contato durante o carregamento e a descarga.
Conhecimento sobre o material do núcleo da bateria – diafragma
Material: camada única de PE (polietileno) ou composto de três camadas de PP (polipropileno) + PE + PP
Função:
1. Separe os terminais positivo e negativo da bateria para evitar curto-circuito;
2. Adsorve o eletrólito da bateria para garantir alta condutividade iônica;
3. Alguns também impedem a transferência e a reação de substâncias nocivas entre os eletrodos;
4. Isso garante que a bateria pare de responder quando ocorrer uma anormalidade e melhora o desempenho de segurança da bateria.
Conhecimento sobre materiais de baterias – eletrólito
O eletrólito desempenha um papel na condução de íons entre os eletrodos positivo e negativo da bateria, servindo como uma ponte que conecta os materiais desses eletrodos. Utilize somente em ambiente seco (como uma câmara de luvas com umidade inferior a 20 ppm).
1. Sal de lítio: LiPF6
2. Solvente: EC, DMC, EMC
3. Aditivos: agente formador de película, agente anti-sobrecarga, retardador de chama, estabilizador, etc.
Conhecimento sobre o material do núcleo da bateria – invólucro de aço
A principal função da carcaça de aço da bateria é proporcionar um bom ambiente eletroquímico.
Características de desempenho da caixa de aço da bateria:
1. O material apresenta bom desempenho de processamento, alta precisão e alta resistência;
2. A superfície da bateria possui alta dureza e certa capacidade de suportar carga.
3. Revestimento de níquel: A bateria possui boa resistência à corrosão.
4. A parte inferior geralmente não pode ser soldada a laser por pontos.
Conhecimento sobre materiais de baterias — Tampa
A principal função da tampa é vedar a bateria, servir como válvula de segurança e como terminal condutor positivo.
Requisitos técnicos da tampa da garrafa:
1. O anel de vedação é feito de polietileno propileno e não se deforma a 135°C;
2. A superfície é lisa, a espessura da parede é uniforme e a aparência não está danificada;
3. A pressão de abertura da tampa da garrafa é de 1,2±0,1Mpa e a pressão de abertura é de 1,8±0,1Mpa;
4. A pequena junta não se deformará nem derreterá a 350°C;
5. Os capacitores geralmente não são soldados em altas temperaturas.
Conhecimento sobre os materiais do núcleo da bateria – dispositivo de segurança
Algumas baterias cilíndricas de fosfato de ferro-lítio de diferentes fabricantes possuem aberturas de ventilação e válvulas de segurança integradas (CID) para melhorar suas funções de proteção. Essa "dupla proteção" resolve com eficácia problemas como sobrecarga, curto-circuito, colisão, etc.
Dispositivo de ventilação: Quando ocorre uma reação química na bateria, o gás gerado se acumula no dispositivo de ventilação através do orifício de ventilação e das aberturas superior e inferior, o que ajuda na dissipação do gás, garante o equilíbrio da pressão do ar nas células da bateria e evita riscos à segurança.
Válvula de segurança (CID): Quando a pressão interna atinge 1,2 ± 0,1 MPa, o terminal positivo e a tampa são desconectados, interrompendo a reação química na bateria. Quando a pressão interna atinge 1,8 ± 0,1 MPa, a válvula de segurança se abre e o gás é liberado para evitar o risco de explosão.
Conhecimento de processos celulares
fluxo de conhecimento do processo celular
A seguir, apresenta-se o fluxograma do processo na célula:
Conhecimento da estrutura celular
Segue abaixo um mapa mental do conhecimento estrutural:
Conhecimento da estrutura central da bateria – pilha quadrada
Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – lâminas quadradas em forma de Z
Conhecimento da estrutura central da bateria – laminação de filme quadrado
Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – enrolamento quadrado com múltiplos terminais
Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – enrolamento cilíndrico único com múltiplos terminais
Conhecimento da estrutura do núcleo da bateria – enrolamento cilíndrico completo
Conhecimento sobre a estrutura celular – resumo
Resumo: A vantagem da laminação é a facilidade de controle do processo, enquanto a vantagem da compactação é a densidade de energia da bateria ligeiramente maior e a praticidade na montagem do pacote (PACK).
resumo:
Conectores com múltiplas terminações apresentam muitas desvantagens, especialmente certos riscos de segurança; porém, quando a capacidade é pequena, têm a vantagem da alta densidade energética.
O projeto com todos os componentes instalados é geralmente melhor, especialmente para baterias de alta capacidade; nesse caso, o projeto com todos os componentes instalados deve ser a primeira opção.
Data da publicação: 14 de outubro de 2023