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18650锂电池知识全面讲解

来源:钜大LARGE    2018-04-27    点击量:972

  在三百多年前,本杰明富兰克林开始捕捉雷电,开启了人们对雷电的认识,也开启了人们对电的认识,从那个时候开始,也有很多人在考虑如何将捕捉到的电进行储存,于是逐渐的电池这种东西就产生了,确实,作为历史上的一个非常重要的发明,电池的出现确实解决了很多的问题,极大的提高各种生活效率,而锂电池的出现更加使得人们对电的认识越来越深入了,18650锂电池就是使用时间最为悠久,并且目前依然存在的一种锂电池,在很多地方领域都能够看到18650锂电池的影子,因为这种电池相比其他的电池,优势非常的明显,并且安全性也相对来讲比较好,甚至已经被用在了大型设备上,本文就为大家介绍一下18650电池的知识,介绍一下为何会出现爆炸的事件。


  18650锂电池


  一、18650锂电池的优点


  【干货】18650锂电池知识详解


  一般认为将锂电池的空载电压放到3.0V以下就认为电用完了(具体值需要看电池保护板的门限值,比如有低到2.8V,也有3.2V的)。大部分锂电池放电不能将空载电压放到3.2V以下的,否则过度放电会损害电池(一般市场上的锂电池基本都是带保护板才使用的,因此过度放电还会导致保护板检测不到电池,从而无法给电池充电)。


  4.2V是电池充电的最高限制电压,一般认为将锂电池的空载电压充到4.2V就认为电充满了,电池充电过程中,电池的电压在3.7V逐渐上升到4.2V,锂电池充电不能将空载电压充到4.2V以上的,否则也会损害电池,这就是锂电池特殊的地方,一般来讲,18650锂电池具有以下的优点。


  1、使用范围广


  笔记本电脑、对讲机、便携式DVD,仪器仪表、音响设备、航模、玩具、摄像机、数码照相机等电子设备。


  2、串联


  可串联或并联组合成18650锂电池组。


  3、内阻小


  聚合物电芯的内阻较一般液态电芯小,国产聚合物电芯的内阻甚至可以做到35mΩ以下,极大的减低了电池的自耗电,延长手机的待机时间,完全可以达到与国际接轨的水平。这种支持大放电电流的聚合物锂电更是遥控模型的理想选择,成为最有希望替代镍氢电池的产品。


  4、没有记忆效应


  【干货】18650锂电池知识详解


  在充电前不必将剩余电量放空,使用方便。


  5、电压高


  18650锂电池的电压一般都在3.6V、3.8V和4.2V,远高于镍镉和镍氢电池的1.2V电压。


  6、安全性能高


  18650锂电池安全性能高,不爆炸,不燃烧;无毒,无污染,经过RoHS商标认证;各种安全性能一气呵成,循环次数大于500次;耐高温性能好,65度条件下放电效率达100%。为防止电池短路现象,18650锂电池的正负极是分开的。所以它发生短路现象的可能已经降到了极致。可以加装保护板,避免电池过充过放,这样还能延长了电池的使用寿命。


  7、使用寿命长


  18650锂电池的使用寿命很长,正常使用时循环寿命可达500次以上,是普通电池的两倍以上。


  8、容量大


  18650锂电池的容量一般为1200mah~3600mah之间,而一般电池容量只有800左右,如果组合起18650锂电池来成18650锂电池组,那18650锂电池组是随随便便都可以突破5000mah的。


  二、18650锂电池对比聚合物电池


  【干货】18650锂电池知识详解


  所谓聚合物锂电池是指使用了聚合物作为电解质的锂离子电池,具体来分又分为“半聚合物”与“全聚合物”两种。“半聚合物”是指在隔离膜上涂一层聚合物(一般是PVDF),使电芯的粘合力更强,电池可以做得更硬,其电解质仍然是液态电解液。而“全聚合物”是指使用聚合物在电芯内部形成凝胶网络,然后再注入电解液形成电解质。虽然“全聚合物”电池仍然要使用液态电解液,但用量要少很多,这对锂离子电池的安全性能有极大的提高。据笔者所知,现在只有SONY在量产“全聚合物”锂离子电池。


  从另一个方面来说,聚合物电池是指使用铝塑包装膜作为外包装的锂离子电池,也就是俗称的软包电池。这种包装膜由三层构成,分别是PP层、Al层与尼龙层,由于PP与尼龙是聚合物,所以这种电芯被称为聚合物电池。


  1、价格更低


  18650的国际价格大约在1USD/pcs,按照2Ah来计算的话大约合3RMB/Ah。而聚合物锂电的价格,低端的山寨厂在4RMB/Ah,中端的在5~7RMB/Ah,中高端的在7RMB/Ah以上。像ATL、力神这种的,一般都能卖到10RMB/Ah左右,而且你单小了人家还不愿意接。


  2、不可定做


  SONY一直想把锂离子电池做成像碱性电池一样,有一定的工业标准,就像5号电池、7号电池,全世界基本上都一样。但由于锂离子电池的一大优点就是可以根据客户的需求进行外形设计,不可能有一个统一的标准,所以到现在锂离子电池工业界基本上只有18650这一个标准型号,其他的都是根据客户需求进行设计的。


  3、安全性差


  【干货】18650锂电池知识详解


  我们知道锂离子电池在极端情况下(如过充、高温等),内部会发生剧烈的化学反应,产生大量的气体。18650电池使用的是金属外壳,有一定的强度,当内部气压达到一定的时候钢壳会破裂爆炸,发生极恐怖的安全事故。


  这也是为什么测试18650电池的房间一般都必须用层层保护,而且测试时绝对不能进人。聚合物电池就不存在这个问题,即使同样在极端情况下,由于包装膜强度较低,只要气压稍高就会破裂,不会产生爆炸,最最恶劣的情况就是燃烧。所以从安全性上来说聚合物电池要优于18650电池。


  4、能量密度低


  一般的18650电池容量能做到2200mAh左右,这样算下来能量密度大约在500Wh/L,而聚合物电池的能量密度现阶段量产能够接近600Wh/L。


  但聚合物电池也有自己的缺点。主要是成本较高,由于可以按照客户需求设计,这里面的研发成本就要算进去。而且外形多变、种类繁多,导致在制造过程中各种工装夹具是非标准件,也相应的增加了成本。聚合物电池本身的通用性差,这也是灵活设计带来的,往往为了那么1mm的区别就需要重新为客户设计一款。


  三、18650锂电池的应用


  【干货】18650锂电池知识详解


  在能源电池行业锂二次电池的应用得益于其优越的性能。随着锂二次电池技术的不断发展,已广泛的应用于我们的日常生活中;多次使用的充电电池越来越受到消费者的青睐。关注能源电池行业、充分认识电池进而让我们做到“为我所用”,目前18650锂电池在下面的领域有一定的应用。


  1、储能类


  主要应用于基站电源、清洁能源储能、电网电力储能、家庭光储系统等。


  2、动力类


  主要指电动交通工具,电动自行车、新能源汽车等。


  3、数码类


  手机、平板、笔记本电脑、电动玩具、MP3/MP4、耳机、充电宝、航模、移动电源等。


  四、18650锂电池分类


  【干货】18650锂电池知识详解


  18650锂电池生产均需要有保护线路,防止电池被过充过放电。当然这个对于锂电池来说都是必须的,这也是锂电池的一个通弊,因为锂电池采用的材料基本都是钴酸锂材料,而钴酸锂材料的锂电池不能大电流放电,安全性较差,从分类上来看,18650锂电池的分类可以通过下面的方式来进行分类。


  1、按电池实用性能分类


  功率型电池和能量型电池。能量型电池以高能量密度为特点,主要用于高能量输出;功率型电池以高功率密度为特点,主要用于瞬间高功率输出、输出的电池。而功率能量型锂电池是伴随着插电式混合动力车的出现而出现的。它要求电池储存的能量较高,可以支持一段距离的纯电行驶,也要具备较好的功率特性,在低电量的时候进入混合动力模式。


  简单理解,能量型类似于马拉松选手,要有耐力,就是要求高容量,对大电流放电性能要求不高;那么功率型就是短跑选手,拼的是暴发力,但耐力也要有,不然容量太小就跑不远。


  2、按电解质材料分


  锂离子电池分为液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)。


  液态锂离子电池使用液体电解质(目前动力用电池多为此种)。聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物凝胶电解质。关于固态电池,严格意义上的是指电极和电解质均为固态的。


  3、按产品外观分类


  【干货】18650锂电池知识详解


  分为:圆柱、软包、方形。


  圆柱和方形外包装多为钢壳或者铝壳。软包外包装为铝塑膜,其实软包也是一种方形,市场上习惯将铝塑膜包装的称为软包,也有人将软包电池称为聚合物电池。


  对于圆柱形锂离子电池,其型号一般为5位数字。前两位数字为电池的直径,中间两位数字为电池的高度。单位为毫米。例如18650锂电池,它的直径为18毫米,高度为65毫米。


  4、按极片材料分类


  正极材料:磷酸铁锂电池(LFP)、钴酸锂电池(LCO)、锰酸锂电池(LMO)、(二元电池:镍锰酸锂/镍钴酸锂)、(三元:镍钴锰酸锂电池(NCM)、镍钴铝酸锂电池(NCA))。


  负极材料:钛酸锂电池(LTO)、石墨烯电池、纳米碳纤维电池。


  关于市场上的石墨烯概念,主要是指石墨烯基电池,即在极片中加入石墨烯浆料,或在隔膜上加入石墨烯涂层。镍酸锂、镁基电池市场上基本不存在。


  五、18650锂电池的充放电


  按工业标准来说,对于锂电池,一般标称的容量是最小容量,这个容量是一批电池中,在25度室温条件下,先以cc/cv0.5c充满,并静置一段时间后(一般是12小时)。以0.2c电流恒流放电放电至3.0v(也有标准是2.75V,不过影响不大,3v到2.75v下降的很快没多少容量的),所放出的容量值,由于一批电池肯定有个体差异,实际放出容量最低的那个电池的容量值。也就是是说,这一批任何一个电池实际容量都应该大于或等于标称容量。


  1、18650锂电池的充电过程


  有些充电器使用廉价的方案实现的,在控制精度上不够好,容易造成电池充电异常,甚至损坏电池。选购充电器的时候尽量选择大品牌的18650锂离子电池充电器,质量和售后有保证,延长电池的使用寿命。品牌保障的18650锂离子电池充电器拥有四重保护:短路保护、过流保护、过压保护、电池反接保护功能等。过充电保护:当充电器对锂离子电池过充电时,为防止因温度上升所导致的内压上升,需终止充电状态。


  为此,保护器件需监测电池电压,当其到达电池过充电压时,即激活过充电保护功能,中止充电。过放电保护:为了防止锂离子电池的过放电状态,当锂离子电池电压低于其过放电电压检测点时,即激活过放电保护,中止放电,并将电池保持在低静态电流的待机模式。过电流及短路保护:当锂离子电池的放电电流过大或短路情况产生时,保护器件将激活过电流保护功能。


  锂电池充电控制是分为两个阶段的,第一阶段是恒流充电,在电池电压低于4.2V时,充电器会以恒定电流充电。第二阶段是恒压充电阶段,当电池电压达到4.2V时,由于锂电池特性,如果电压再高,就会损坏,充电器会将电压固定在4.2V,充电电流会逐步减小,当电流减小到一定值时(一般是1/10设置电流时),切断充电电路,充电完成指示灯亮,充电完成。


  锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷,而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入;过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构,而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。


  2、18650锂电池的充电原理


  【干货】18650锂电池知识详解


  锂离子电池的工作原理就是指其充放电原理。当对电池进行充电时,电池的正极上有锂离子生成,生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构,它有很多微孔,到达负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中,嵌入的锂离子越多,充电容量越高。


  同样道理,当对电池进行放电时(即我们使用电池的过程),嵌在负极碳层中的锂离子脱出,又运动回到正极。回到正极的锂离子越多,放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。


  不难看出,在锂离子电池的充放电过程中,锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。如果我们把锂离子电池形象地比喻为一把摇椅,摇椅的两端为电池的两极,而锂离子就象优秀的运动健将,在摇椅的两端来回奔跑。所以,专家们又给了锂离子电池一个可爱的名字摇椅式电池。


  六、18650锂电池为什么有爆炸历史


  【干货】18650锂电池知识详解


  18650电池绝大多数使用钢壳封装,质量不过关的电池由于没有保护功能,在过充(过度充电)的情况下,会使其内部压力骤增,当超过承受值时,便会爆炸。而短路、温度过高或电池被挤压变形甚至刺穿等问题都可能会引起电池爆炸。


  经过30年的发展,18650电池制备工艺已经非常成熟,除了性能有了极大提升之外,其安全性也非常完善。为了避免密封的金属外壳发生爆炸,现在18650电池都会在顶部配有一个安全阀,安全阀是每一颗18650电池的标配,也是最重要的一道防爆屏障。


  当电池内部压力过大时,其顶部安全阀会开启排气减压,避免爆炸。但是,当安全阀开启之后,电池内部泄露出的化学物质在高温的条件下会与空气中的氧气发生化学反应,仍然有可能出现起火的情况。另外,现在部分18650电池还自带保护板,具有过充过放和短路保护等功能,安全性能十分高。


  而此前发生的移动电源爆炸事件,全部是因为无良厂家为节省成本使用不合格的劣质18650电池,甚至是二手废电引起的。目前各大电池厂商如松下、索尼、三星等等生产的18650电池其实是非常安全的,而且18650电池使用率非常高,我们在日常使用时能够做到正确的使用以及避免电池短路,受损或温度过高,完全不用担心电池会爆炸。我们不能一竹竿打翻一船人,以个别劣质产品来定性18650的安全性。


  七、总结:其实对于锂电池来讲,会出现爆炸原因也是可以理解的,毕竟在以前的时候,对于这种稳定性的把握不会那么厉害,但是18650作为一种性能对比性非常高的锂电池,其应用肯定会越来越广泛的,毕竟目前对于这种不可或缺的电池来讲,18650锂电池是最好的一个选择。


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