新时期锂电池生产标准化研究

新时期锂电池生产标准化研究

田小军

惠州市三协精密有限公司广东东莞516006

摘要：锂电本身的应用也很广，从市场统计来看，锂离子电池在电子产品方面主要是手机、笔记本电脑、数码相机等便携式数码产品；在交通工具上则是电动自行车和电动汽车等电动交通工具；同样也在国防军事上、在航天航空方面以及储能方面的应用。伴随着电动汽车和绿色能源行业的兴起，在动力和储能应用领域有着优异表现的锂电池得到了较快发展。但受限于技术水平，锂电池的发展遇到瓶颈并一定程度上限制了其应用。本文旨在探讨标准化在锂电池生产领域的可行性，以期突破技术限制，扩展锂电应用。

关键词：锂电池；标准化；技术限制

引言：

20世纪70年代爆发了两次世界性的石油危机使人们意识到了能源的重要性，而实验证明电能是最干净最便捷的能源。此外，我们知道石油资源是不可再生的，而我国又是资源短缺的大国，这使得我国从使用有污染的石油资源转向无污染又可再生的化学电池的迫切性又增强。锂电池凭借比能量大、循环寿命长、安全性能好、无公害、无记忆效应、自放电小、工作温度范围高等优点逐渐地取代了电动车的市场成为当今电动车电池的主流。锂电池因其在能量密度、循环寿命、安全性等方面具有较好的综合性能而得到了广泛应用，在电动汽车领域更是占有重要地位。目前，锂电池的充电速度、续航里程、使用寿命等参数是评价电动车性能的重要依据。1锂电池内涵及其发展现状

1.1锂电池内涵概述

锂电池是指电化学体系中（包括金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物）的电池。锂电池大致可以分为两类：锂金属电池和锂离子电池。锂金属电池通常是不可充电的，且内含金属态的锂。锂离子电池不含有金属态的锂，并且是可以充电的。由于锂离子电池性能优越，锂金属电池逐渐被淘汰，通常人们喜欢把锂离子电池叫做锂电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间来回移动工作。锂离子电池正极材料常用锂离子嵌入化合物（含锂氧化物或复合氧化物）如钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等。锂离子负极材料常用锂离子插入化合物，主要有锂-碳层间化合物LixC6、TiS2、WO3、NbS2、V2O5等，其中LixC6应用最为广泛，通常用石墨结构碳素材料，也可用焦炭素材料。在充电过程中，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；而放电过程则是相反。锂离子电池的电解质溶液有两种，一种是有机溶剂-无机电解质体系，碳酸丙酯是常用的有机溶剂，常用的无机电解质是LiPF6。另一种则是固体聚合物电解质，如凝胶聚合物和全固态聚合物等。锂离子电池这样在正负极之间往返，被形象地称为摇椅电池。

1.2锂电池发展现状

我国的智能手机、平板电脑、移动电源等便携式消费电子行业突飞猛进的发展，带动了小型锂离子电池的稳步上涨。另外，新能源汽车相继问世，国家也纷纷出台了许多扶持新年能源汽车的政策，大型动力锂离子电池市场需求逐渐增多，中国的锂离子电池产业进入了高发展的阶段。TollefsonJ的Carindustry：chargingupthefuture文章中提出运用在电动车上的镍氢电池的发展已经出现了局限性，虽然镍氢电池在储蓄方面高于铅酸电池，但是随着电动车的发展，镍氢电池的缺点已经显露出来了。在longcyclelifelithium-airbattery这篇论文中介绍了一种正在研发的固态锂空气电池，这种电池工作温度范围可达到30摄氏度到105摄氏度，且稳定性和比能量高。由此可见，锂电池在国内外都有很广阔的应用前景。

2锂电池的局限

化学电池的性能主要体现在能量密度、充放电速率、循环寿命、安全性等方面。目前常见的锂电池材料有钴酸锂、锰酸锂、三元锂、磷酸铁锂和钛酸锂。通过对比可知，锂电池的几大性能指标之间存在相互制约的关系[1]。目前从综合性能的角度出发，动力锂电池采用较多的是磷酸铁锂和三元锂。受当前技术水平的制约，锂电池的发展遇到了能量密度和充放电倍率两个瓶颈。当前锂电池的能量密度为200Wh/kg，近期预计能提升到300Wh/kg，远期计划达到500Wh/kg。即便预想的性能提升均能实现，锂电池的能量密度相比汽油的12000Wh/kg依然偏低。这就限制了电动汽车的续航能力，其长距离行驶中必然需要多次充电。

目前，动力锂电池的常规充电速率为1C，充至满电状态的典型时间为3小时左右。相对于燃油车数分钟的加油时长，电动车漫长的充电时间给车辆使用带来诸多不便。虽然一些动力锂电池的极限充电速率可达4-5C，但这样的充电速度会牺牲电池的使用寿命，不可长期使用。同时，过快的充电速度也会影响锂电池的安全性，加大热失控的风险。由此可见，锂电池使用中面临的主要问题是容量受限和充电时间过长。这使得目前的电动汽车相对传统的燃油汽车显得“跑不远、停靠久”。同时，锂电池的理论使用寿命虽然较长（可达10年），但受到使用工况、环境温度等的影响，动力锂电池的实际寿命往往只有5-7年。这就导致电池的寿命比车辆要短，车辆全寿命期内电池需要更换，从而显著增加了电动车的使用成本。因此，锂电池的局限制约了电动车的发展，而要想突破这种局限需要电化学和材料领域取得突破性进展，这在当前难以预期[2]。

3锂电池标准化生产的优势

在技术突破尚未可期的当下，我们可以通过改变锂电池的生产和应用模式来绕开部分技术问题，推进锂电池的应用。由国家对锂电池生产工艺进行评估，选取技术与经济上有优势的工艺为行业标准，进行单体、电池包、接口等统一的规范化生产。同时，车载电池封装成可人工现场装卸的插拔式模块，模块规格统一并可根据实际需求加装工况指示、散热等附件。这种生产、应用方式具有如下优势：（1）电池通用性提高，同类型车辆的电池可以互换，降低了电池的使用和维护成本[3]。（2）电动车可以和电池解绑销售，电池可以采用租赁使用或者仅作为出售电能的容器收取服务费，从而大大降低电动车购买和养护费用。（3）电动车补充电能时可以直接在充电站快速更换电池模块，能够大大节省充电时间。（4）可插拔式电池模块体积适中，便于运输，可以采用汽车运载，提供移动充电和应急电源的服务，增强了锂电池的使用灵活性，扩展了应用领域[4]。（5）充电站可以利用每天的用电低谷时段为电池模块充能，提高低谷电网闲置电能利用率，在帮助市政电网“削峰填谷”的同时还可以利用峰谷销售电价差额获利。这样既利于节能，又利于充电站的经营。综上所述，通过锂电池标准化生产，可以避开当前的技术瓶颈，利用现有的技术手段改善和扩展锂电池的应用。

结论：

在现有技术条件下，通过锂电池生产标准化统一化，可以克服电池技术上的部分不足，使锂电池的应用通用化、便捷化、低成本化。在电动车行业快速发展的今天，规格统一、性能稳定的锂电池将为清洁能源的应用和普及注入新的活力。

参考文献：

[1]凌翔,白小波.锂电池生产全流程物料跟踪追溯系统研究[J].电源技术,2017,41(01):34-37.

[2]唐堃,金虹,潘广宏,王国文,薛嘉渔.钛酸锂电池技术及其产业发展现状[J].新材料产业,2015(09):12-17.

[3]陈忠民.锂电池生产过程中NMP的产生及回收控制措施分析[J].化学工程与装备,2015(08):265-267+287.

[4]张立娟,韩沁沁,赵金怀.锂电池生产企业的D类火灾扑救对策[J].工业安全与环保,2014,40(07):38-39.