电动工具用锂离子电池的性能研究文库

1、电动工具用锂离子电池的性能研究王兴威1，唐琛明2，黄钟琪2（1. 江苏海四达电源股份公司，江苏启东 226200；2. 江苏省新动力电池及其材料工程技术研究中心，江苏启东 226200）摘要：锂离子电池具有高比能量、长寿命、对环境友好等显著优点，在电动工具中使用越来越广泛。目前使用的主要有镍钴锰酸锂三元材料电池、磷酸亚铁锂电池、锰酸锂电池。但在安全、低温下的高倍率性能、配组工艺方面有待进一步提高。高安全的锂离子电池在电动工具领域的广泛使用、宽温幅高倍率锂离子电池、配组工艺的优化将成为今后电动工具用锂离子电池的研究热点。关键词：电动工具；锂离子电池；高功率；高安全；长寿命；一致性中图分类号：TM

2、912.9 文献编识码：AResearch on the performance of lithium ion batteries for power toolsWANG Xing-wei; TANG Chen-ming; HUANG Zhong-qi(1. Jiangsu highstar battery manufacturing Co. Ltd., Qidong Jiangsu 226200, China; 2. Jiangsu technology&research center on new power battery and material engineering, Qi

3、dong Jiangsu 226200, ChinaAbstract: Lithium ion battery has some outstanding advantages of high energy density, long cycle life, environment friendly and so on, then it is widely used in power tools. Li(NiCoMnO2, LiFePO4 and LiMn2O4 were three kinds of cathode materials mainly used for high power li

4、thium ion battery. However, safety, high rate performance in the low temperature and matching group technology may be further improved. The extensive application of high safety lithium ion batteries in power tool, high power lithium ion batteries with widely operated temperature range and the optimi

5、zation of matching group technology will be the future research hotspots.Key words: power tool; lithium ion battery; high power; high safety; long cycle life; consistency近年来，电动工具市场日益庞大，已经增至年需求量大约5亿只电池。因此，世界各国都在致力于开发电动工具用绿色环保型锂离子电池1。锂离子电池是一种先进的化学储能装置，具有比能量高，循环寿命长和对环境友好等显著优点。然而，锂离子电池高的比能量就意味着高的危险性，所以安

6、全问题一直制约着锂离子电池的应用2。目前一些高功率设计的锂离子电池已经进入电动工具的应用，在这些电池中都不采用热稳定性较差的钴酸锂作为正极材料3。三元材料、磷酸亚铁锂、锰酸锂安全性比钴酸锂具有明显的优势，因此凭借各自的优势在电动工具领域均占有一席之地。目前中国电动工具生产量占世界总产量的30%以上，而且每年对欧美均有大量的出口。1 电动工具用锂离子电池的主要特性目前，电动工具用锂离子电池以圆柱形锂离子电池为主，一般都组合使用（图1）。单体电池主要有14500、18650、22430、22650、26650等（图2）。电动工具正常使用时电流较大，使用时还经常碰到堵钻、卡钻等异常情况，这时电流较大

7、，所以电动工具用锂离子电池与一般电池要求不同，电池要求除了具有高倍率连续放电性能，还必须具有更高倍率的脉冲放电性能。图1 电动工具用电池组图2 电动工具用锂离子单体电池1.1 高功率电动工具中使用的锂离子电池一般都要求具有较高的功率特性。小型的电动工具（如螺丝批等）可以单支使用，电池放电要求在5C倍率左右。枪钻的使用要求单体电池放电在10C倍率左右，同时可以20C连续放电，30C脉冲放电。1.2 长寿命通常要求单体电池具有1C充电，10C放电循环300次，容量保持初次容量的80%以上。目前，有的锂离子电池可以做到10C放电循环500次，容量保持初次容量的80%以上。1.3 高安全电池能通过针刺

8、、挤压、重物撞击等安全性能测试项目，测试时电池应不起火、不爆炸。同时电池还能通过过充、过放、短路、高温、温度冲击、低气压等安全性能项目测试。试验电池应不起火、不爆炸。图3 电动工具用锂离子电池的安全测试1.4一致性要求电动工具用锂离子电池一般都是经过串并联后组合使用。为了延长使用寿命和提高安全可靠性，这就要求电池组中各单体电池之间具有较高的一致性。一致性不仅只是要求使用初期的电池组内单体电池间的性能一致性，而且最好能确保整个使用寿命周期内性能一致。目前，以18650电池为例，在电动工具中使用一般要求电池组初期电池容量偏差20mAh，电压差10mV，内阻差1m。2 目前在电动工具中使用的锂离子电

9、池的类型 目前在电动工具中使用的锂离子电池按照正极材料体系分可以主要分为镍钴锰酸锂三元材料、磷酸亚铁锂、锰酸锂三大类。根据我们的测试结果，三种电池有如下优缺点。2.1 镍钴锰酸锂三元材料电池优点：镍钴锰酸锂材料比容量高，可以达到145mAh以上：18650型电池可以容量做到1300mAh以上，电池循环性能好，10C放电循环可以达到500次以上；高低温性能优越；极片压实密度高，可以达到3.4 g/cm3以上。缺点：电压平台低，1C放电中值电压3.66V左右，10C放电平台在3.45V左右；电池安全性能相对差一点；成本较高。图4 三元体系电池不同倍率放电曲线图5 三元体系电池10C循环曲线图6 三

10、元体系电池不同温度放电曲线2.2 磷酸亚铁锂电池优点：安全性好，是目前电动工具锂离子电池中最安全的电池，电池高温性能优越，循环性能好，自放电小，对环境友好。缺点：电压平台低，1C放电中值电压3.25V左右，10C放电平台在3.0V左右；极片压实密度低，只有2.25 g/cm3左右；电池容量偏低，以18650动力电池为例，容量只有1100mAh左右。图7 磷酸亚铁锂体系电池不同倍率放电曲线图8 磷酸亚铁锂体系电池10C循环曲线图9 磷酸亚铁锂体系电池不同温度10C放电曲线2.3 锰酸锂电池优点：安全性略好于镍钴锰酸锂三元材料；电压平台高，1C放电中值电压3.80V左右，10C放电平台在3.5V左

11、右；电池低温性能优越；对环境友好；成本低。缺点：电池高温循环性能差；极片压实密度低于三元材料，只能达到3.0 g/cm3左右；锰酸锂比容量低一般只有105mAh/g左右；循环性能比三元材料差。图10 锰酸锂体系电池不同倍率放电曲线图11 锰酸锂体系电池10C循环寿命图12 锰酸锂体系电池不同温度10C放电曲线3 存在问题及今后的发展方向3.1 存在问题目前锂离子电池在电动工具使用中还存在如下主要问题：电动工具用锂离子电池经过多年的发展，安全性能得到了很大的提高。目前主要存在以下问题：锂离子电池的过充保护主要依赖下列措施：充电器的电压保护、保护板的电压保护、电解液中耐过充添加剂、电池盖帽的防爆功

12、能。但这些还不够，仍然存在一定的安全隐患。目前，常用的耐过充安全测试条件是单体电池在不用保护板条件下3C过充到10V，电池不起火、不爆炸。如果单支使用的锂电池充电器充电电压失控，并同时电池组的保护板上过充电控制芯片或相关元器件失效，就会发生上述情况，需要电池能避免发生起火、爆炸的事故发生。电解液中添加耐过充添加剂、具有防爆功能的电池盖帽可缓解因过充而造成的危害，但没有彻底解决锂电池的过充安全问题。保护板的使用起到了电池能在正常范围内工作从而避免电池在非正常情况下使用造成对电池的损害。电池在经受热冲击时如果温度较高，会导致电池负极表面的SEI膜发生分解4，高度嵌锂的负极材料会与电解液发生放热反应

13、，电池开始进入危险期，如果电池散热速度慢，导致电池内部温度进一步上升，隔膜熔化，电池内部发生短路，温度急剧升高，引发正极材料参加反应，最后发生爆炸等安全事故，这个过程一般称为“热失控”3。锂离子电池的热失控是锂离子电池发生恶性事故的最主要因素。如能深入了解锂离子电池的热失控机理，采取相应的防范措施就能有效地提高锂离子电池的本质安全。对电池进行针刺试验可以部分模拟电池发生内部短路的情景。当电池受到针刺时，很容易导致电池内部的隔膜破裂，造成电池在极短的时间内有很大的电流通过，这样就直接导致电池内部温度急剧升高，从而在很短的时间内引发一系列的剧烈反应，甚至发生燃烧、爆炸等安全问题3。虽然经过业界专家

14、的努力，通过优化电池制作工艺，如优选材料、优化配方、在电解液中添加阻燃剂等，改进电池结构，如卷绕时采用基带外包、电芯内插钢芯等，针刺性能有了较大的改进。但仍有少量的电池在针刺时发生冒烟、起火、爆炸等安全问题。提高电池耐针刺性能是一项综合性工作，具有一定的挑战性。锂离子电池的高倍率性能通常指常温下的电池的高倍率性能，由于锂离子电池的电解液是有机电解液，在考虑高倍率性能时低温性能会受到影响。虽然经过优化电解液配方的改进，低温性能有了较大的改善，仍达不到常温下的使用效果。这就使得电动工具在低温下（一般指-20以下）使用受到一定的限制。虽然锂离子电池组在电动工具上使用时保护板功能中大都考虑用均衡来弥补

15、电池组失衡导致的过充、过放。电动工具用锂离子电池在配组时还要考虑容量、内阻、荷电保持的一致性。这是静态的一致性，但仅仅这些条件还远远不够，使用时必须是动态的一致性。也就是说同组电池在不同倍率、不同温度等使用条件下充电、放电、搁置及整个使用寿命周期都保持良好的一致性。因此配组工艺的进一步优化是保证电池组具有良好一致性的有效保障。3.2 今后的发展方向：近几年来，人们在电动工具用锂离子电池的安全性能及电性能方面进行了大量的研究，在安全性能和电性能方面有了很大的进步。随着人们对安全和绿色环保要求的不断提高，安全环保的锂离子电池将在电动工具领域得到广泛使用。能宽温幅高倍率使用的锂离子电池也会成为人们的研究方向。由于电动工具制造商各家对锂离子电池的特性在理解上有所不同，所以对锂离子电池组的要求也有所不同，但其使用本质要求差异并不太大。锂离子电池在电动工具上使用己从3串使用发展到8串及10串，对电池组内的单体电池间的一致性提出了更高的要求。锂离子电池组配组工艺的优化也将成为未来新的研究热点。参考文献：1 孟蕊, 邱瑞珍, 高俊奎. 电动工具用锂离子电池的开发和性能研究J. 电源技术, 2007, 31(1: 30-33.2 李狄. 电化学原理M. 北京: 北京航空航天大学出版社, 1999.3 冯祥明