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德國未來三年將加緊推進車用電池安全研究

分類:行業資訊   來源:鋰電池    發布人:admin    查看:    

  隨著電動車市場的不斷打開,作為電動車核心部件的動力電池的品質及安全性問題變得越來越重要。為鞏固和發展作為世界工業和科技中心的領先地位,德國計劃在未來三年加緊推進電動汽車動力電池安全技術研究項目";Sa 隨著電動車市場的不斷打開,作為電動車核心部件的動力電池的品質及安全性問題變得越來越重要。為鞏固和發展作為世界工業和科技中心的領先地位,德國計劃在未來三年加緊推進電動汽車動力電池安全技術研究項目“SafeBatt”的進行。該項目由德國聯邦教育與研究部出資,由來自德國科學界,汽車和零部件供應商的16位合作伙伴共同實施執行。

  據了解,參與該項目研究的單位包括寶馬股份公司、戴姆勒股份公司、英飛凌科技股份公司、大眾汽車股份公司以及弗勞恩霍夫協會化學技術研究所、明斯特大學電池研究中心等共16個德國企業及機構。其中,研究的一個重要部分是將電池新材料、新測試方法和半導體傳感器用于鋰離子電池,使電池的性能和安全性都得到有效提高。

  項目的另一個目標則是建立起“數字電池通行證”。即在電池壽命期內,對其工作狀況進行詳盡的記錄。包括電池的電量、電壓等電池安全的相關參數。SafeBatt團隊還希望通過對電池運行中相關數據的分析來建立一個全新的電池安全模型,以確保電池能夠更安全地工作。并利用該模型避免電池在超高溫等極端情況中發生的危險。

  SafeBatt團隊的專家還希望進一步規范和優化電池審批、測試流程,從而進一步加強電池的安全性。此外,專家們還將通過對新材料的研究和應用來進一步提高鋰電池自身的安全性。據悉,SafeBatt項目總投資將達360萬歐元,已經在今年七月啟動,將于2015年6月30日結束。

  隨著鋰電池的使用,電池性能不斷衰減,主要表現為容量衰減、內阻增加、功率下降等,電池內阻的變化受溫度、放電深度等多種使用條件的影響。影響鋰電池內阻的因素有哪些?

  一.結構設計影響

  在電池結構設計中,除了電池結構件本身的鉚接及焊接之外,電池內阻大小受到電池極耳的數量、尺寸、位置等直接影響。在一定程度增加極耳數量能有用減低電池內阻。極耳位置也能影響電池的內阻,極耳位置在正負極極片頭部的卷繞電池內阻最大,且相較于卷繞式電池,疊片式電池相當于幾十片小電池并聯,其內阻更小。

  二.原材料性能影響

  1 正負極活性材料

  鋰電池中正極材料是儲Li一方,更多的決定了鋰電池的性能,正極材料主要通過包覆與摻雜來改善顆粒之間的電子傳導能力。如摻雜Ni后增強了P-O鍵的強度,穩定了LiFePO4/C的結構,優化了晶胞體積,可有效降低正極材料的電荷轉移阻抗。

  而通過電化學熱耦合模型仿真分析得知在高倍率放電條件下,活化極化特別是負極活化極化的大幅增加是極化嚴重的主要原因。減小負極顆粒粒徑可以有效減小負極活化極化,當負極固相粒徑減小一半時,活化極化可降低45%。因此,就電池設計而言,正負極材料本身的改善研究也是必不可少的。

  2 導電劑

  石墨和炭黑因其良好性能,在鋰電池領域應用廣泛。相對于石墨類導電劑,正極添加炭黑類導電劑的電池倍率性能更優,因為石墨類導電劑具有片狀顆粒形貌,大倍率下引起孔隙曲折系數較大增長,易出現Li液相擴散過程限制放電容量的現象。而添加了CNTs的電池其內阻更小,因為相對石墨/炭黑與活性材料的點接觸,纖維狀的碳納米管與活性材料屬于線接觸,可以降低電池的界面阻抗。

  3 集流體

  降低集流體與活性物質間的界面電阻,提高兩者之間的粘結強度是提升鋰電池性能的重要手段。在鋁箔表面涂覆導電碳涂層和對鋁箔進行電暈處理可有效降低電池的界面阻抗。相較普通鋁箔,使用涂碳鋁箔可以使電池的內阻降低65%左右,且可降低電池在使用過程中內阻的增幅。

  經電暈處理的鋁箔交流內阻可降低20%左右,在常使用的20%~90%SOC區間內,直流內阻整體偏小且隨放電深度的增加,其增幅逐漸較小。

  4 隔膜

  電池內部的離子傳導需依賴電解液中Li離子通過隔膜多孔的擴散,隔膜的吸液潤濕能力是形成良好離子流動通道的關鍵,當隔膜具有更高的吸液率和多孔結構時,能提升導電性減小電池阻抗,提高電池的倍率性能。相較普通基膜,陶瓷隔膜和涂膠隔膜不但能大幅提高隔膜的高溫耐收縮性,而且可增強隔膜的吸液潤濕能力,在PP隔膜上增加SiO2陶瓷涂層,可使隔膜的吸液量增加17%。在PP/PE復合隔膜上涂覆1μm的PVDF-HFP,隔膜吸液率由70%增加到82%,電芯內阻下降20%以上。

  三.制程因素影響

  1 合漿

  合漿時漿料分散的均勻性影響著導電劑是否能夠均勻的分散在活性物質中與其緊密接觸,與電池內阻相關。通過增加高速分散,可提高漿料分散的均勻性,電池內阻越小。通過添加表面活性劑可改善提高電極中導電劑的分布均勻性,可減小電化學極化提高放電中值電壓。

  2 涂布

  面密度是電池設計的關鍵參數之一,在電池容量一定時,增加極片面密度勢必會減小集流體和隔膜的總長度,電池的歐姆內阻會隨之減小,因此在一定范圍內,電池的內阻隨著面密度的增加而減小。涂布烘干時溶劑分子的遷移與脫離與烘箱的溫度密切相關,直接影響著極片內粘結劑和導電劑的分布,進而影響極片內部導電網格的形成,因此涂布烘干的溫度也是優化電池性能的重要工藝過程。

  3 輥壓

  在一定程度內,電池內阻隨著壓實密度的增大而減小,因為壓實密度增大,原材料粒子間的距離減小,粒子間的接觸越多,導電橋梁和通道越多,電池阻抗降低。而控制壓實密度主要是通過輥壓厚度來實現的。不同輥壓厚度對電池內阻具有較大程度的影響,輥壓厚度較大時,由于活性物質未能輥壓緊密致使活性物質與集流體之間的接觸電阻增大,電池內阻增大。且電池循環后輥壓厚度較大的電池正極表面產生裂紋,會進一步增大極片表面活性物質與集流體之間的接觸電阻。

  4 極片周轉時間

  正極片不同擱置時間對其電池內阻具有較大程度的影響,擱置時間較短時,受磷酸鐵鋰表面碳包覆層與磷酸鐵鋰作用力影響,電池的內阻增大較為緩慢;當擱置時間較長時(大于23h),受磷酸鐵鋰與水反應以及粘合劑的粘合作用共同影響,電池的內阻增大較為明顯。因此,實際生產中需嚴格控制極片的周轉時間。

  5 注液

  電解液的離子電導率決定了電池的內阻和倍率特性,電解液電導率的大小與溶劑的粘度程反比,同時還受鋰鹽濃度和陰離子大小的影響。除了對電導率的優化研究之外,注液量和注液后的浸潤時間也直接影響著電池內阻,注液量較少或浸潤時間不充分,都會引起電池內阻偏大,從而影響電池的容量發揮。

  四.使用條件影響

  1 溫度

  溫度對內阻大小的影響是顯而易見的,溫度越低,電池內部的離子傳輸就越慢,電池的內阻就越大。電池阻抗可以分為體相阻抗、SEI 膜阻抗和電荷轉移阻抗,體相阻抗和 SEI 膜阻抗主要受電解液離子電導率影響,在低溫下的變化趨勢與電解液電導率變化趨勢一致。相較體相阻抗和SEI膜阻在低溫下的增幅,電荷反應阻抗隨溫度降低增加更加顯著,在-20℃以下,電荷反應阻抗占電池總內阻的比例幾乎達到 100 %。

  2 SOC

  當電池處于不同的SOC時,其內阻大小也不相同,尤其是直流內阻直接影響著電池的功率性能,進而反映電池在實際狀態下的電池性能:鋰電池直流內阻隨電池放電深度DOD的增加而增加,在10%~80%的放電區間時內阻大小基本不變,一般在較深的放電深度時內阻增加顯著。

  3 存儲

  隨著鋰離子電池存儲時間的增加,電池不斷老化,其內阻不斷增大。不同類型的鋰電池內阻變化程度不同。在經歷9-10月長時間的存儲后,LFP電池的內阻增加率比NCA和NCM電池的內阻增加率高。內阻的增加率與存儲時間、存儲溫度和存儲SOC相關,Stroe 等通過對 LFP/C 電池24~36個月的存儲研究量化了它們之間的關系(如下):

  其中,溫度單位為 K,SOC單位為百分比,時間單位為月。

  4 循環

  不管是存儲還是循環,溫度對電池內阻的影響都是一致的,循環溫度越高,內阻增加率越大。而不同的循環區間對電池的內阻影響也不相同,電池內阻隨著充放電深度的提高而加速增長,內阻的增幅與充放電深度的加強成正比。

  除了循環中充放電深度的影響,充電截至電壓也有影響:太低或太高的充電電壓上限會使得電極的界面阻抗加大,Zheng等認為LFP/C電池在循環中的最優上限充電電壓為,實驗發現太低的上限電壓下不能夠很好地形成鈍化膜,而太高的電壓上限會導致電解液在 LiFePO4電極表面氧化分解形成電導率低的產物。

  5 其它

  車載鋰電池在實際應用中不可避免的會經歷較差的路況,但研究發現鋰電池在應用過程中振動環境對鋰電池內阻幾乎沒有影響。

  內阻是衡量鋰離子功率性能和評估電池壽命的重要參數,內阻越大,電池的倍率性能越差,且在存儲和循環使用中增加的越快。而內阻與電池結構、電池材料特性和制造工藝相關,并隨著環境溫度和荷電狀態的變化而變化。

  

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