Een uitgebreide analyse van lithiumbatterijen: van de basisprincipes tot productie, structuur, processen, toepassingen en trends in de sector

Lithiumbatterijen zijn lange tijd de 'energiekern' geweest in sectoren zoals consumentenelektronica, nieuwe energievoertuigen, energieopslagsystemen en zelfs de economie op lage- hoogten. Variërend van kleine apparaten zoals mobiele telefoons en laptops tot grootschalige apparatuur- zoals elektrische voertuigen en energieopslagcentrales: hun prestaties bepalen rechtstreeks het uithoudingsvermogen, het veiligheidsniveau en de levensduur van de apparatuur. In dit artikel wordt deze cruciale energiecomponent uitvoerig gedemonteerd, waarbij de kernsamenstelling, de vergelijking van de voor- en nadelen, het classificatiesysteem, de professionele terminologie, de naamgevingsregels, evenals het hele productieproces en de industriële praktijken worden behandeld, en worden de technische mysteries van lithiumbatterijen voor u onthuld.

I. Kernsamenstelling van lithiumbatterijen: synergie tussen ‘hart’ en ‘brein’

De stabiele werking van een lithiumbatterij is afhankelijk van de synergie van twee belangrijke systemen: "energievoorziening" en "veiligheidscontrole". Concreet kan het in twee delen worden verdeeld: de batterijcel en de beveiligingsplaat (of BMS), die elk een onvervangbare functie hebben.

1. Batterijcel: het ‘energiehart’ van lithiumbatterijen

De batterijcel is de kern voor het opslaan en vrijgeven van elektrische energie, vergelijkbaar met het ‘hart’ van een lithiumbatterij. De prestaties ervan bepalen direct de energiedichtheid, levensduur en veiligheid van de batterij. De batterijcel bestaat hoofdzakelijk uit 5 belangrijke componenten:

Kathode materiaal: De "bron" van de energieproductie, waarbij tijdens de ontlading lithiumionen vrijkomen. Veel voorkomende materialen zijn onder meer lithiumkobaltoxide (LiCoO₂, gebruikt in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons en laptops, met hoogspanningsplatform maar zwakke veiligheid), lithiumijzerfosfaat (LiFePO₄, gebruikt in energieopslag en elektrische voertuigen, met hoge veiligheid en lange levensduur), ternair lithium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂, gebruikt in hoogwaardige elektrische voertuigen, met hoge energiedichtheid) en lithiummanganaat (LiMn₂O₄, gebruikt in elektrisch gereedschap, met lage kosten maar slechte hoge- temperatuurstabiliteit).

Anodemateriaal: Het "magazijn" voor energieopslag, dat lithiumionen adsorbeert tijdens het opladen en deze tijdens het ontladen terugstuurt naar de kathode. Momenteel is grafiet de mainstream (met lage kosten en goede stabiliteit, goed voor meer dan 90% van de markt voor anodemateriaal). De nieuwe generatie anodes op basis van silicium- (met een theoretische capaciteit die meer dan tien keer zo groot is als die van grafiet) wordt geleidelijk op de markt gebracht, terwijl anodes van lithiummetaal zich vanwege dendrietproblemen nog steeds in de R&D-fase bevinden.

Elektrolyt: Het "kanaal" voor migratie van lithiumionen, meestal samengesteld uit lithiumzout (bijv. LiPF₆, dat lithiumionen levert), organische oplosmiddelen (bijv. carbonaten, oplossende lithiumzouten) en additieven (die de levensduur en veiligheid van de cyclus verbeteren). De zuiverheid en stabiliteit ervan zijn rechtstreeks van invloed op de prestaties bij hoge en lage- temperaturen en het veiligheidsniveau van de batterij. Overmatig vocht reageert bijvoorbeeld met lithiumzouten en genereert schadelijke gassen, wat potentiële veiligheidsrisico's met zich meebrengt.

Scheidingsteken: De "veiligheidsbarrière" tussen de kathode en anode, een poreuze polymeerfilm (meestal polyethyleen PE en polypropyleen PP). Het kan niet alleen direct contact en kortsluiting tussen de kathode en anode voorkomen, maar ook lithiumionen doorlaten. Afscheiders van hoge-kwaliteit moeten een uniforme poriegrootte, voldoende mechanische sterkte en chemische stabiliteit hebben. Bij hoge temperaturen kunnen ze ook de ionentransmissie blokkeren via het "shutdown-effect" om thermische runaway te voorkomen.

Schelp: De "beschermende afdekking" van de batterijcel, verdeeld in aluminium omhulsel (prismatische batterijen, zoals batterijen van mobiele telefoons), stalen omhulsel (cilindrische batterijen, zoals 18650) en aluminium-kunststofcomposietfilm (zakbatterijen, zoals dunne mobiele telefoons en draagbare apparaten), afhankelijk van de vorm. De behuizing moet explosie-veilige, hoge-temperatuur- en corrosie-bestendige eigenschappen hebben, en tegelijkertijd zo licht mogelijk zijn om de energiedichtheid van de batterij te verbeteren.

2. Protection Board: het ‘veiligheidsbrein’ van lithiumbatterijen

Als de batterijcel het 'energiehart' is, is de beveiligingsplaat het 'veiligheidsbrein', verantwoordelijk voor het bewaken van de laad- en ontlaadstatus van de batterij om risico's zoals overladen, over-ontladen en kortsluiting te voorkomen. Het beschermingsbord van stroombatterijen wordt gewoonlijk het Battery Management System (BMS) genoemd, met een complexere structuur, terwijl het beschermingsbord van consumentenbatterijen (zoals batterijen van mobiele telefoons) relatief vereenvoudigd is. De kerncomponenten omvatten:

Beschermingschip/beheerchip: De kerncontrole-eenheid, die realtime-de spanning, stroom en temperatuur van de batterij bewaakt. Wanneer er afwijkingen worden gedetecteerd (bijvoorbeeld overladen met een spanning hoger dan 4,2 V, over-ontladen met een spanning onder 3,0 V), wordt het beveiligingsmechanisme geactiveerd.

MOSFET: De "schakelaar" van stroom, die het laad- en ontlaadcircuit onderbreekt of geleidt in opdracht van de chip. Tijdens overladen verbreekt de MOSFET bijvoorbeeld het laadpad om schade aan de batterijcellen te voorkomen.

Weerstanden en condensatoren: Hulpcomponenten, gebruikt voor stroombemonstering en spanningsfiltering om de nauwkeurigheid van detectiegegevens te garanderen.

Printplaat: De "drager" van componenten, waarbij chips, MOSFET's en andere onderdelen worden geïntegreerd om een ​​stabiel circuitsysteem te vormen.

PTC/NTC: Componenten voor temperatuurbescherming. PTC (Positive Temperature Coefficient thermistor) heeft een sterke toename van de weerstand bij hoge temperaturen om de stroom te beperken; NTC (Negative Temperature Coefficient thermistor) meet de temperatuur in realtime en levert temperatuurgegevens voor de chip.

II. Voor- en nadelen van lithiumbatterijen: waarom kunnen ze de reguliere energiebron worden?

Lithiumbatterijen kunnen lood-zuur-, nikkel-cadmium- en nikkel-metaalhydridebatterijen vervangen en worden de eerste keuze op het gebied van consumentenelektronica en nieuwe energievelden, dankzij hun uitstekende prestatievoordelen, maar ze hebben ook onmiskenbare tekortkomingen. We kunnen de positionering van lithiumbatterijen intuïtiever begrijpen door een horizontale vergelijking van vier reguliere batterijtypen:

1. Kernvoordelen: waarom zijn lithiumbatterijen onvervangbaar?

Hoge energiedichtheid: De gravimetrische energiedichtheid is 4-8 keer die van lood-zuurbatterijen, en de volumetrische energiedichtheid is 4-5 keer die van loodzuurbatterijen. Dit betekent dat lithiumbatterijen bij hetzelfde gewicht/volume meer elektrische energie kunnen opslaan. Een lithiumbatterij voor mobiele telefoons met een capaciteit van 1900 mAh weegt bijvoorbeeld slechts ongeveer 20 g, terwijl een loodzuurbatterij met dezelfde capaciteit meer dan 1 kg weegt, wat volkomen ongeschikt is voor draagbare apparaten.

Lange levensduur: Lithiumbatterijen van hoge-kwaliteit kunnen meer dan 1500 cycli halen, en lithium-ijzerfosfaatbatterijen kunnen zelfs meer dan 6000 cycli halen, terwijl lood-zuuraccu's slechts 200-300 cycli hebben. Als we elektrische voertuigen als voorbeeld nemen: modellen die zijn uitgerust met lithiumbatterijen hebben een batterijlevensduur van 5 tot 8 jaar, wat veel langer is dan de 1 tot 2 jaar van loodzuurbatterijen.

Milieuvriendelijk en vervuiling-Gratis: Vrij van giftige zware metalen zoals lood, kwik en cadmium en milieuvriendelijk gedurende de gehele levenscyclus van productie, gebruik en sloop, in lijn met de mondiale trend van "dual carbon". Daarentegen is de loodvervuiling door lood-zuurbatterijen en de cadmiumvervuiling door nikkel-cadmiumbatterijen in veel landen aan banden gelegd.

Laag zelfontladingspercentage-: Het maandelijkse zelfontladingspercentage- bedraagt ​​slechts 2%-9%, veel lager dan de 20%-30% van nikkel-metaalhydridebatterijen. Een volledig opgeladen lithiumbatterij voor mobiele telefoons kan na een maand inactiviteit nog steeds meer dan 80% van zijn vermogen behouden, terwijl een nikkel-metaalhydridebatterij mogelijk nog maar 50% over heeft.

Hoogspanningsplatform: De nominale spanning van een enkele cel is 3,2-3,7 V, wat overeenkomt met de seriespanning van 3 nikkel-cadmium/nikkel-metaalhydride-batterijen. Het kan aan de apparatuurvereisten voldoen zonder meerdere serieverbindingen, waardoor het ontwerp van het batterijpakket wordt vereenvoudigd.

2. Belangrijkste tekortkomingen: welke problemen moeten nog worden opgelost?

Hoge kosten: De batterijkosten bedragen ongeveer 2,0-3,5 CNY per Wh, 2-5 keer zoveel als die van loodzuurbatterijen. Hoewel het bij grootschalige productie geleidelijk afneemt, is het nog steeds de belangrijkste kostenpost van nieuwe energievoertuigen en energieopslagsystemen.

Slecht temperatuuraanpassingsvermogen: De optimale bedrijfstemperatuur is 0-45 graden. Wanneer de temperatuur lager is dan 0 graden, neemt de capaciteit aanzienlijk af (bijvoorbeeld bij -20 graden kan de capaciteit nog maar 50% over zijn); wanneer de temperatuur boven de 60 graden komt, zijn er veiligheidsrisico's. Er moeten aanvullende verwarmings-/koelingssystemen worden geconfigureerd, waardoor de kosten en de complexiteit toenemen.

Veiligheidsgevaren: Vloeibare elektrolyten zijn ontvlambaar. Als het beveiligingssysteem faalt (door bijvoorbeeld overbelasting, lekrijden, extrusie), kan dit een thermische overstroming veroorzaken, wat kan leiden tot brand en explosies. Daarom moeten lithiumbatterijen zijn uitgerust met BMS- of beveiligingsplaten en kunnen ze niet "naakt" worden gebruikt, zoals lood-zuurbatterijen.

Hoge eisen aan opladers: Opladers met constante stroom en constante spanning zijn vereist om een ​​stabiel laadproces te garanderen en overladen te voorkomen, terwijl lood{0}}zuuraccu's slechts een eenvoudige spanningsregelaar nodig hebben en de kosten van de oplader lager zijn.

III. Classificatiesysteem van lithiumbatterijen: hoe kiest u voor verschillende scenario's?

Er zijn veel soorten lithiumbatterijen, die op basis van verschillende afmetingen in meerdere categorieën kunnen worden onderverdeeld. Batterijen van verschillende categorieën hebben aanzienlijke prestatieverschillen en zijn geschikt voor verschillende scenario's. Door de classificatielogica onder de knie te krijgen, kunt u beter begrijpen "waarom kobaltlithiumbatterijen worden gebruikt in mobiele telefoons en lithiumijzerfosfaat/ternaire lithiumbatterijen in elektrische voertuigen".

1. Door kenmerken van opladen en ontladen: primaire batterijen versus secundaire batterijen

Primaire (niet-oplaadbare) batterijen: Ook bekend als primaire lithiumbatterijen, zoals lithiummangaandioxidebatterijen (CR2032-knoopcelbatterijen, gebruikt in afstandsbedieningen en horloges) en lithium-thionylchloridebatterijen (gebruikt in Internet of Things-apparaten en medische implanteerbare instrumenten). Ze worden gekenmerkt door een hoge capaciteit en een lange houdbaarheid (tot 10 jaar), maar kunnen niet worden opgeladen en worden na gebruik weggegooid.

Secundaire (oplaadbare) batterijen: Ook bekend als accu's, zijn ze het meest gebruikte type in het dagelijks leven, zoals batterijen voor mobiele telefoons en batterijen voor elektrische voertuigen. Ze kunnen 500-1500 keer herhaaldelijk worden opgeladen en ontladen. De kern is de omkeerbare reactie van "lithiumionenmigratie tussen de kathode en anode", waarop ook dit artikel zich richt.

2. Per kathodemateriaal: bepaling van de kernprestaties van batterijen

Dit is de belangrijkste classificatiemethode en het kathodemateriaal bepaalt rechtstreeks de energiedichtheid, veiligheid en kosten van de batterij:

Lithiumkobaltoxide (LiCoO₂): Hoge energiedichtheid (200-250Wh/kg), hoogspanningsplatform (3,7V), maar slechte veiligheid en korte levensduur (500-800 cycli), voornamelijk gebruikt in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons en laptops.

Lithium-ijzerfosfaat (LiFePO₄): Extreem hoge veiligheid (thermische op hol geslagen temperatuur overschrijdt 200 graden), lange levensduur (1500-6000 cycli), lage kosten, maar lage energiedichtheid (120-180 Wh/kg), voornamelijk gebruikt in energieopslagsystemen, elektrische bussen en goedkope elektrische voertuigen.

Ternair lithium (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): Hoge energiedichtheid (200-300 Wh/kg), goede prestaties bij lage- temperaturen, maar gemiddelde veiligheid en hoge kosten. Het is onderverdeeld in NCM523, NCM622 en NCM811 op basis van het nikkelgehalte (hoe hoger het nikkelgehalte, hoe hoger de energiedichtheid), voornamelijk gebruikt in hoogwaardige elektrische voertuigen en drones.

Lithiummanganaat (LiMn₂O₄): Lage kosten, goede hoge-temperatuurstabiliteit, maar lage energiedichtheid (100-150Wh/kg) en korte levensduur (300-500 cycli), voornamelijk gebruikt in elektrisch gereedschap en elektrische voertuigen met lage snelheid.

3. Op vorm: aanpassing aan verschillende apparatuurruimtes

Cilindrische batterijen: Zoals 18650 (18 mm in diameter, 65 mm hoog) en 21700 (21 mm in diameter, 70 mm hoog), met stabiele structuur en hoge massaproductie-efficiëntie, voornamelijk gebruikt in laptops en elektrische voertuigen (bijvoorbeeld Tesla's vroege modellen gebruikten 18650 en schakelden later over op 21700).

Prismatische batterijen: Zoals batterijen voor mobiele telefoons (3-5 mm dik, 40-60 mm breed) en accu's voor elektrische voertuigen (10-20 mm dik, 100-200 mm breed), met een hoge benuttingsgraad van de ruimte en kunnen worden aangepast aan de grootte van de apparatuur, wat momenteel de reguliere vorm van elektrische voertuigen is.

Zakbatterijen: ingekapseld met aluminium-kunststofcomposietfilm, kunnen ze ultra-dun (0,5-2 mm dik) en flexibel worden gemaakt, voornamelijk gebruikt in dunne mobiele telefoons, draagbare apparaten (zoals smartwatches) en opvouwbare mobiele telefoons.

4. Op elektrolyttoestand: vloeistof versus polymeer

Lithium-ionbatterijen (LIB): Gebruik van vloeibare elektrolyten, met een hoge energiedichtheid en lage kosten, maar er bestaat een risico op lekkage. De meeste cilindrische en prismatische harde-batterijen behoren tot deze categorie.

Polymeer-lithiumbatterijen (PLB): Gebruik van gel of vaste elektrolyten, zonder lekkagerisico en flexibel vervormbaar. De meeste buidelbatterijen behoren tot deze categorie en worden voornamelijk gebruikt in consumentenelektronica.

5. Per toepassing: gewone batterijen versus krachtige batterijen

Normale batterijen: Gebruikt in consumentenelektronica zoals mobiele telefoons en laptops, met een kleine capaciteit (1000mAh-10Ah) en een lage ontladingssnelheid (0,5-2C), waardoor een hoge energiedichtheid vereist is.

Voeding Batterijen: Gebruikt in elektrische voertuigen en drones, met een grote capaciteit (50Ah-500Ah) en een hoge ontladingssnelheid (5-30C), die grote stroomontladingen moeten weerstaan ​​(bijvoorbeeld wanneer de auto accelereert), wat een hogere veiligheid en levensduur vereist.

IV. Essentiële terminologie van lithiumbatterijen: onderscheidende concepten van capaciteit tot SOC

Bij de aanschaf of het gebruik van lithiumbatterijen kom je vaak termen tegen als 'capaciteit', 'C-rate' en 'SOC'. Als u deze concepten begrijpt, kunt u de prestaties van de batterij nauwkeurig beoordelen en voorkomen dat u wordt misleid door "vals gemarkeerde parameters".

1. Capaciteit: hoeveel elektriciteit kan een batterij opslaan?

Definitie: De hoeveelheid elektriciteit die een batterij kan afgeven onder bepaalde ontladingsomstandigheden, berekend met de formule Q=I×t (I is stroom, t is tijd), met eenheden van Ah (ampère-uur) of mAh (milliampère-uur).

Duidelijke uitleg: 1Ah betekent dat de batterij gedurende 1 uur kan ontladen bij een stroomsterkte van 1A, en 1mAh betekent dat de batterij gedurende 1 uur kan ontladen bij een stroomsterkte van 1mA. Een batterij van een mobiele telefoon met 1900mAh betekent bijvoorbeeld dat deze gedurende 10 uur kan ontladen bij een stroomsterkte van 190mA.

Veelvoorkomende scenario's: Batterijen voor mobiele telefoons: 800-1900mAh; elektrische fietsen: 10-20Ah; elektrische voertuigen: 20-200Ah; energieopslagbatterijen: 100-1000Ah.

2. Laad-/ontlaadsnelheid (C--snelheid): hoe snel wordt opgeladen/ontladen?

Definitie: De laad-/ontlaadstroom, uitgedrukt als een veelvoud van de nominale capaciteit van de batterij.. 1C is de stroom voor "volledig opladen/ontladen in 1 uur".

Berekeningsmethode: Als de batterijcapaciteit 1500mAh, 1C=1500mA, 2C=3000mA (volledig ontladen in 0,5 uur), 0,1C=150mA (volledig ontladen in 10 uur) is.

Opmerkingen: Hoe hoger de ontladingssnelheid, hoe lager de werkelijke capaciteit van de batterij (de capaciteit bij een ontlading van 2C kan bijvoorbeeld slechts 80% zijn van die bij een ontlading van 1C), en hoe ernstiger de warmteontwikkeling. Daarom moeten accu's een hoog ontladingsvermogen- hebben (elektrische voertuigen hebben bijvoorbeeld meer dan 5C nodig).

3. Spanning (OCV): het "spanningsplatform" van batterijen

Nominale spanning: De nominale spanning van de batterij. Normale lithiumbatterijen zijn 3,2-3,7 V (lithiumkobaltoxide: 3,7 V; lithiumijzerfosfaat: 3,2 V), wat een belangrijke indicator is voor de prestaties van de batterij.

Open circuitspanning (OCV): De spanning van de batterij wanneer er geen belasting is aangesloten, die kan worden gebruikt om de batterijstatus te beoordelen (de OCV van een volledig opgeladen lithiumkobaltoxidebatterij is bijvoorbeeld ongeveer 4,2 V, en ongeveer 3,0 V als deze leeg is).

Spanningsplatform: Het spanningsstabiele bereik tijdens het opladen en ontladen van de batterij (meestal 20% -80% van de capaciteit), waarbij de spanning weinig verandert. Het spanningsplatform van lithiumkobaltoxidebatterijen is bijvoorbeeld 3,6-3,9 V, wat ook het normale werkspanningsbereik van de apparatuur is.

4. Energie en kracht: hoe lang kan het worden gebruikt? Hoeveel stroom kan het produceren?

Energie: de totale elektrische energie die de batterij kan opslaan, berekend met de formule E=U×Q (U is spanning, Q is capaciteit), met eenheden van Wh (watt-uur) of kWh (kilowatt-uur, 1kWh=1 mate van elektriciteit). Een batterij van een mobiele telefoon met 1900 mAh en 3,7 V heeft bijvoorbeeld een energie van 3,7 V×1,9 Ah=7.03Wh.

Stroom: De energie die de batterij per tijdseenheid kan leveren, berekend met de formule P=U×I, met eenheden van W (watt). Vermogen bepaalt het "burstvermogen" van de apparatuur. Elektrische voertuigen hebben bijvoorbeeld batterijen met een hoog-vermogen nodig bij het accelereren, terwijl mobiele telefoons alleen batterijen met een laag-vermogen nodig hebben.

5. Levensduur: hoe vaak kan een batterij worden opgeladen en ontladen?

Definitie: Eén keer opladen en ontladen van de batterij is één cyclus. Wanneer de capaciteit afneemt tot 60%-70% van de initiële capaciteit, wordt dit als het einde van de levensduur beschouwd.

Standaardtest: De IEC-norm bepaalt dat lithiumbatterijen voor mobiele telefoons, ontladen tot 3,0 V bij 0,2 C en opgeladen tot 4,2 V bij 1 C, na 500 cycli een capaciteit moeten hebben van groter dan of gelijk aan 60%; de nationale norm bepaalt dat de capaciteit na 300 cycli groter dan of gelijk aan 70% moet zijn.

Gebruikssuggestie: Vermijd diep opladen en ontladen (bijvoorbeeld niet elke keer opladen tot 100% of ontladen tot 0%), wat de levensduur van de batterij kan verlengen. Als u de batterij van de mobiele telefoon bijvoorbeeld op 20% -80% van het vermogen houdt, kan de levensduur worden verlengd tot meer dan 1000 cycli.

6. Diepte van ontlading (DOD) en laadstatus (SOC): hoeveel stroom zit er nog in de batterij?

DOD: Het percentage van de afgevoerde capaciteit ten opzichte van de nominale capaciteit. Als de ontladen capaciteit bijvoorbeeld 500 mAh is en de nominale capaciteit 1000 mAh, DOD=50%. Hoe dieper de DOD, hoe korter de levensduur van de batterij.

SOC: Het percentage van de resterende capaciteit ten opzichte van de nominale capaciteit. 0% betekent geen stroom, en 100% betekent volledig opgeladen. BMS beoordeelt het resterende vermogen van de batterij via SOC, en de weergave van het vermogen van de mobiele telefoon wordt berekend op basis van SOC.

7. Spanning afsnijden-: de 'rode lijn' van opladen/ontladen

Laadonderbreking-Uitschakelspanning: De spanning waarbij de accu niet verder kan worden opgeladen. Voor lithiumkobaltoxidebatterijen is dit 4,2 V; voor lithium-ijzerfosfaatbatterijen is dit 3,65 V. Het overschrijden van deze spanning zal schade aan de batterijcellen en thermische overstroming veroorzaken.

Ontladingsafsnijding-Uitschakelspanning: De spanning waarbij de accu niet verder kan worden ontladen. Voor lithiumkobaltoxidebatterijen is dit 3,0 V; voor lithium-ijzerfosfaatbatterijen is dit 2,5 V. Beneden deze spanning zal onomkeerbare schade aan de anode veroorzaken en de capaciteit kan niet worden hersteld.

8. Interne weerstand: het ‘onzichtbare verlies’ van batterijen

Definitie: De weerstand in de batterij die de stroom belemmert, met eenheden van mΩ (milliohm), verdeeld in ohmse interne weerstand (veroorzaakt door materialen en structuur) en interne polarisatieweerstand (veroorzaakt door elektrochemische reacties).

Invloed: Hoe kleiner de interne weerstand, hoe hoger de laad- en ontlaadefficiëntie van de batterij en hoe minder warmteontwikkeling. De interne weerstand van stroombatterijen moet bijvoorbeeld onder de 50 mΩ worden gehouden, anders zal er ernstige warmteontwikkeling optreden tijdens ontlading met hoge -stroom.

V. Naamgevingsregels voor lithiumbatterijen: afmetingen van modellen begrijpen

De naamgeving van lithiumbatterijen varieert per fabrikant, maar algemene batterijen volgen de IEC61960-norm. Het type en de grootte van de batterij kunnen aan de hand van het model worden beoordeeld om te voorkomen dat u het verkeerde model koopt.

1. Cilindrische batterijen: 3 letters + 5 cijfers

Brief betekenis: De eerste letter geeft het anodemateriaal aan (I=gebouwd-in lithiumion, L=lithiummetaal); de tweede letter geeft het kathodemateriaal aan (C=kobalt, N=nikkel, M=mangaan, V=vanadium); de derde letter=R (cilindrisch).

Nummer Betekenis: De eerste 2 cijfers=diameter (mm), de laatste 3 cijfers=hoogte (mm).

Voorbeelden: ICR18650 - I (lithiumionanode), C (lithiumkobaltoxidekathode), R (cilindrisch), 18 mm in diameter, 65 mm hoog, de meest voorkomende batterij voor laptops en elektrische voertuigen; INR21700 - I (lithiumionanode), N (nikkel-gebaseerde kathode, ternair lithium), R (cilindrisch), 21 mm in diameter, 70 mm hoog, met 50% hogere capaciteit dan 18650, gebruikt in Tesla Model 3.

2. Prismatische batterijen: 3 letters + 6 cijfers

Brief betekenis: De eerste twee letters zijn dezelfde als die van cilindrische batterijen, de derde letter=P (prismatisch).

Nummer Betekenis: De eerste 2 cijfers=dikte (mm), de middelste 2 cijfers=breedte (mm), de laatste 2 cijfers=hoogte (mm).

Voorbeelden: ICP053353 - I (lithiumionanode), C (lithiumkobaltoxidekathode), P (prismatisch), 5 mm dik, 33 mm breed, 53 mm hoog, een typische batterij voor mobiele telefoons; IFP101520 - I (lithiumionanode), F (op ijzer-gebaseerde kathode, lithiumijzerfosfaat), P (prismatisch), 10 mm dik, 15 mm breed, 20 mm hoog, gebruikt in slimme horloges.

VI. Volledige productieproces van lithiumbatterijen: streven naar uitmuntendheid in elke stap, van materialen tot cellen

De productie van lithiumbatterijen is een complex en sterk geautomatiseerd proces, waarbij drie belangrijke schakels betrokken zijn: front-end, middle-end en back-processen. De precisiecontrole van elke schakel heeft rechtstreeks invloed op de prestaties en veiligheid van de batterij, ook wel bekend als de "combinatie van fijne chemische industrie en precisieproductie".

1. Front-End-proces: productie van elektrodenplaten (sleutel tot het bepalen van de batterijcapaciteit)

Drijfmest mengen: Meng kathode-actieve materialen (bijv. LiCoO₂), geleidende middelen (carbon black), bindmiddelen (PVDF) en oplosmiddelen (NMP) in een vacuümmenger om een ​​uniforme slurry te vormen; hetzelfde geldt voor de anode, met grafiet als actief materiaal, CMC/SBR als bindmiddel en water als oplosmiddel. Kernvereiste: De mest moet uniform zijn zonder deeltjes, anders leidt dit tot een ongelijkmatige capaciteit.

Coating: Breng de kathode/anode-slurry gelijkmatig aan op de stroomcollector (aluminiumfolie voor de kathode, koperfolie voor de anode), waarbij u de laagdikte (±1 μm) en de oppervlaktedichtheid (gewicht van het actieve materiaal per oppervlakte-eenheid) regelt. Kernvereiste: De coating moet uniform zijn, anders zal dit lokale verwarming en capaciteitsvermindering van de batterij veroorzaken.

Drogen: Verdamp het oplosmiddel (NMP of water) in een oven, waarbij de temperatuur op 80-120 graden wordt gehouden. De windsnelheid en -snelheid moeten nauwkeurig zijn om barsten en krullen van de coating te voorkomen.

Kalanderen: Koud-pers de gedroogde elektrodevellen met een precisiekalander om de coatingdichtheid te verhogen (de porositeit te verminderen), de energiedichtheid te verbeteren en een uniforme dikte te garanderen (±0,5 μm).

Snijden: Snijd de brede elektrodeplaten in de lengterichting in smalle stroken van de gewenste breedte, waarbij bramen worden vermeden (bramen veroorzaken kortsluiting).

Tabblad Lassen: Las metalen lipjes (aluminium lipjes voor de kathode, nikkel lipjes voor de anode) op gespecificeerde posities op de elektrodeplaten als stroomafnamepunten. De laskwaliteit moet ervoor zorgen dat er geen koude soldeerverbindingen of valse lasverbindingen optreden.

2. Midden-eindproces: celassemblage (sleutel tot het bepalen van de batterijveiligheid)

Wikkelen/stapelen: Stapel de kathode, separator en anode in de volgorde van "separator - anode - separator - kathode", en wikkel ze in cilindrische/prismatische cellen met een wikkelmachine (gewikkeld type), of stapel ze in prismatische cellen met een stapelmachine (gestapeld type). Het gestapelde type heeft een hogere benuttingsgraad van de ruimte en een lagere interne weerstand, maar een laag rendement; het wondtype heeft een hoog rendement en is geschikt voor massaproductie.

Behuizing/inkapseling: plaats cilindrische/prismatische harde- cellen in metalen omhulsels (stalen/aluminium omhulsels); plaats de zakjes in aluminium-kunststofcomposietfilmomhulsels.

Bakken: Plaats de ingekapselde cellen in een vacuümoven en bak 4-8 ​​uur op 80-120 graden om het vocht volledig uit de cellen te verwijderen (het vochtgehalte moet onder de 50 ppm worden gehouden), anders zal het reageren met de elektrolyt om schadelijke gassen te genereren.

Elektrolyt injectie: Injecteer een nauwkeurig afgemeten hoeveelheid elektrolyt in de cellen in een droge ruimte met een dauwpunt onder de -40 graden. Het elektrolyt moet volledig in de elektrodeplaten en scheiders infiltreren. De fout van de injectiehoeveelheid moet binnen ± 0,1 g worden gecontroleerd, anders heeft dit invloed op de batterijcapaciteit.

Afdichting: Vacuümwarmte- sluit de elektrolytinjectiepoort van buidelcellen af; sluit het elektrolytinjectiegat van harde- cellen af ​​met stalen kogels (cilindrisch) of afdichtspijkers (prismatisch) en zorg voor luchtdichtheid door laserlassen (luchtlekkage veroorzaakt elektrolytvervluchtiging en capaciteitsvermindering).

3. Terug-Eindeproces: vorming en testen (screening van gekwalificeerde producten)

Vorming: Laad de cellen voor de eerste keer op om een ​​stabiele Solid Electrolyte Interface (SEI)-film op het anodeoppervlak te vormen, die lithiumionen doorlaat maar elektronen blokkeert, wat de sleutel is tot de levensduur en veiligheid van de batterijcyclus. De laadstroom is klein (0,1-0,2C) en de tijd is lang (8-12 uur).

Veroudering: Laat de gevormde cellen gedurende 3-7 dagen bij kamertemperatuur of hoge temperatuur (45 graden) staan ​​om de SEI-film te stabiliseren en defecte cellen met overmatige zelfontlading uit te sluiten (bijvoorbeeld cellen met een spanningsval van meer dan 50 mV).

Capaciteitsindeling: Voer standaard oplaad-ontlaadtests uit op de verouderde cellen (opladen tot de bovengrensspanning, ontladen tot de ondergrensspanning), meet de werkelijke capaciteit en rangschik op basis van de capaciteit (bijvoorbeeld klasse A: 4950-5050 mAh, klasse B: 4850-4950 mAh) om een ​​consistente capaciteit van cellen in dezelfde groep te garanderen.

Sorteren: Classificeer de cellen op basis van parameters zoals capaciteit, nullastspanning en interne weerstand, en elimineer defecte producten (bijvoorbeeld cellen met overmatige interne weerstand en onvoldoende capaciteit).

Uiterlijk- en prestatietests: Controleer het uiterlijk van de cellen (geen krassen, lekkage of vervorming), voer isolatieweerstands-, AC-interne weerstands- en kortsluittests uit om er zeker van te zijn dat de veiligheidsprestaties aan de normen voldoen.

VII. Industrietrends en bedrijfspraktijken: waar is de toekomst van lithiumbatterijen?

Met de snelle ontwikkeling van de nieuwe energie-industrie blijft de lithiumbatterijtechnologie doorbreken, en er zijn een aantal ondernemingen ontstaan ​​die zich richten op gesegmenteerde gebieden, die de uitbreiding van lithiumbatterijen bevorderen van het veld van de ‘consumentenelektronica’ naar het ‘industriële en energieveld’.

1. Technologietrends: van vloeibaar tot vast, van hoge capaciteit tot hoge veiligheid

Vaste-batterijen: Vervang vloeibare elektrolyten en afscheiders door vaste elektrolyten, waardoor de veiligheid aanzienlijk wordt verbeterd (geen lekkage of risico op thermische overstroming), met een energiedichtheid tot 400-600 Wh/kg (twee keer zoveel als bestaande lithiumbatterijen), die elektrische voertuigen met een rijbereik van meer dan 1000 km kunnen ondersteunen. Op dit moment zijn semi{9}}vaste-stofbatterijen (met een elektrolytgehalte van 5%-10%) de fase van massaproductie ingegaan (bijvoorbeeld de NIO ET7 semi-vaste batterijversie), en naar verwachting zullen alle-vastestofbatterijen rond 2030 in massa worden geproduceerd.

Snelle oplaadtechnologie: Bereik "80% opladen in 10 minuten" door middel van materiaaloptimalisatie (zoals anodes op basis van silicium-, snel-ladende elektrolyten) en structureel ontwerp. De S4 super-batterij die is uitgerust met de Xpeng G9 kan bijvoorbeeld in 10 minuten 400 km opladen.

Kostenreductie: Door productie op grote- schaal (de mondiale productiecapaciteit van lithiumbatterijen is groter dan 2 TWh), materiaalinnovatie (zoals lithium-mangaan-ijzerfosfaat dat ternair lithium vervangt) en procesoptimalisatie (zoals CTP/CTC-technologie, waardoor de modulecomponenten worden verminderd), zijn de batterijkosten gedaald van 5 CNY/Wh in 2015 naar minder dan 1,5 CNY/Wh in 2025, en zullen naar verwachting in de toekomst verder dalen tot 1 CNY/Wh.

2. Bedrijfspraktijk: Zhongchuang Feiyue - Focus op de 'batterijwisselrevolutie' van twee- elektrische voertuigen op wielen

Op het gebied van elektrische voertuigen op twee-wielen is de toepassing van lithiumbatterijen aan het evolueren van "opladen" naar "batterijen verwisselen". Zhongchuang Feiyue (aangesloten bij Zhongchuang New Energy Technology Group) is een representatieve onderneming van deze trend. De kernpraktijken omvatten:

Scenario-gebaseerde oplossingen: Bied lithiumbatterijen met hoge-veiligheid en een lange- levensduur voor scenario's zoals gedeelde elektrische fietsen, directe bezorging (afhalen, expresbezorging) en persoonlijk reizen. De batterij van bestelwagens heeft bijvoorbeeld een levensduur van meer dan 2000 keer, waarmee wordt voldaan aan de dagelijkse actieradius van 100 km.

Innovatief batterijwisselmodel: Breng het concept naar voren van "batterijen verwisselen in plaats van opladen is veiliger", en plaats batterijwisselstations in meer dan 100 steden in het hele land. Gebruikers kunnen het verwisselen van de batterij in slechts 30 seconden voltooien, waardoor de problemen van "langzaam opladen en veiligheidsrisico's voor het opladen" van twee-voertuigen op wielen worden opgelost, waarmee meer dan 400 miljoen twee- reisgebruikers op twee wielen worden bediend.

Productiecapaciteit en mondialisering: Met een jaarlijkse productiecapaciteit van meer dan 5 GWh worden de producten naar meer dan 10 landen geëxporteerd, waarbij ze zich aanpassen aan de spanningsnormen en klimatologische omstandigheden van verschillende landen (bijv. batterijen met hoge-temperatuurversie voor Zuidoost-Azië, die stabiel kunnen werken in een omgeving van 60 graden).

Conclusie: lithiumbatterijen - De kernmotor van de energierevolutie

Van mobiele telefoons tot elektrische voertuigen, van energieopslag tot economie op lage- hoogte: lithiumbatterijen zijn de belangrijkste motor geworden die de energierevolutie aandrijft. Hun technologische evolutie houdt niet alleen verband met de verbetering van de prestaties van apparatuur, maar ook met de verwezenlijking van het ‘dual carbon’-doel en de transformatie van de energiestructuur. In de toekomst, met de doorbraak van solid{3}}batterijen en snellaadtechnologie, evenals de voortdurende verlaging van de kosten, zullen lithiumbatterijen een rol spelen op meer terreinen (zoals de lucht- en ruimtevaart en de- diepzee-exploratie), en een solide ondersteuning bieden voor de toekomst van menselijke groene energie.

Voor gewone gebruikers kan het begrijpen van de basisprincipes en prestatieparameters van lithiumbatterijen ons helpen batterijen op een meer wetenschappelijke manier te gebruiken (zoals het voorkomen van overladen en over{0}}ontladen); voor praktijkmensen uit de sector is het begrijpen van technische trends en scenariobehoeften de sleutel tot het vinden van kansen in het 'honderd- miljard- niveautraject' van lithiumbatterijen. Of u nu een consument of een beoefenaar bent, het verhaal van lithiumbatterijen gaat nog steeds door.