Комплексный анализ литиевых батарей: от основ к производству, структуре, процессам, применениям и тенденциям отрасли

Литиевые батареи уже давно являются «энергетическим ядром» таких секторов, как бытовая электроника, новые автомобили, использующие энергию, системы хранения энергии и даже экономика, работающая на малых-высотных высотах. От небольших устройств, таких как мобильные телефоны и ноутбуки, до крупномасштабного-оборудования, такого как электромобили и аккумуляторные электростанции, их производительность напрямую определяет надежность, уровень безопасности и срок службы оборудования. В этой статье всесторонне разбирается этот важнейший энергетический компонент, рассматривается его основной состав, сравнение преимуществ и недостатков, система классификации, профессиональная терминология, правила наименования, а также весь производственный процесс и отраслевая практика, раскрывая вам технические тайны литиевых батарей.

I. Основной состав литиевых батарей: синергия между «сердцем» и «мозгом»

Стабильная работа литиевой батареи зависит от синергии двух основных систем: «энергообеспечения» и «контроля безопасности». Конкретно его можно разделить на две части: аккумуляторный элемент и плату защиты (или BMS), каждая из которых выполняет незаменимую функцию.

1. Батарейный элемент: «энергетическое сердце» литиевых батарей.

Аккумуляторный элемент — это ядро ​​для хранения и высвобождения электрической энергии, эквивалентное «сердцу» литиевой батареи. Его производительность напрямую определяет плотность энергии, срок службы и безопасность аккумулятора. Аккумуляторный элемент в основном состоит из 5 ключевых компонентов:

Материал катода: «Источник» выработки энергии, который выделяет ионы лития во время разряда. Обычные материалы включают оксид лития-кобальта (LiCoO₂, используемый в бытовой электронике, такой как мобильные телефоны и ноутбуки, с высоковольтной платформой, но слабой безопасностью), литий-железофосфат (LiFePO₄, используемый в накопителях энергии и электромобилях, с высокой безопасностью и длительным сроком службы), тройной литий (LiNiₓCoᵧMn_zO₂, используемый в электромобилях высокого класса-, обладающий высокой плотностью энергии) и манганат лития. (LiMn₂O₄, используется в электроинструментах, имеет низкую стоимость, но плохую стабильность при высоких-температурах).

Материал анода: «Склад» для хранения энергии, который адсорбирует ионы лития во время зарядки и отправляет их обратно на катод при разряде. В настоящее время графит является основным направлением (с низкой стоимостью и хорошей стабильностью, на его долю приходится более 90% рынка анодных материалов). Новое поколение анодов на основе кремния- (с теоретической емкостью, более чем в 10 раз превышающей емкость графита) постепенно выводится на рынок, в то время как аноды из металлического лития все еще находятся на стадии исследований и разработок из-за проблем с дендритами.

Электролит: «Канал» для миграции ионов лития, обычно состоящий из солей лития (например, LiPF₆, обеспечивающих ионы лития), органических растворителей (например, карбонатов, растворяющих соли лития) и добавок (улучшающих срок службы и безопасность). Его чистота и стабильность напрямую влияют на работу аккумулятора при высоких и низких-температурах, а также на уровень безопасности. Например, чрезмерная влага вступит в реакцию с солями лития с образованием вредных газов, создавая потенциальную угрозу безопасности.

Сепаратор: «Барьер безопасности» между катодом и анодом представляет собой пористую полимерную пленку (чаще всего полиэтилен ПЭ и полипропилен ПП). Он не только предотвращает прямой контакт и короткое замыкание между катодом и анодом, но также пропускает ионы лития. Сепараторы высокого-качества должны иметь одинаковый размер пор, достаточную механическую прочность и химическую стабильность. При высоких температурах они также могут блокировать передачу ионов за счет «эффекта отключения», чтобы избежать теплового выхода из-под контроля.

Оболочка: «Защитная крышка» аккумуляторного элемента, разделенная по форме на алюминиевую оболочку (призматические батареи, например, аккумуляторы для мобильных телефонов), стальную оболочку (цилиндрические аккумуляторы, например 18650) и алюминиевую-композитную пластиковую пленку (аккумуляторы-сумки, например, тонкие мобильные телефоны и носимые устройства). Корпус должен иметь -взрывобезопасность, устойчивость к высоким-температурам и коррозии-, а также быть максимально легким, чтобы повысить плотность энергии батареи.

2. Плата защиты: «мозг безопасности» литиевых батарей.

Если аккумуляторная ячейка является «энергетическим сердцем», то защитная плата является «мозгом безопасности», отвечающим за контроль состояния зарядки и разрядки аккумулятора, чтобы избежать таких рисков, как перезарядка, чрезмерная-разрядка и короткое замыкание. Плата защиты силовых батарей обычно называется системой управления батареями (BMS) и имеет более сложную структуру, тогда как плата защиты потребительских батарей (например, батарей мобильных телефонов) относительно упрощена. Основные компоненты включают в себя:

Чип защиты/чип управления: основной блок управления, который в реальном-времени контролирует напряжение, силу тока и температуру аккумулятора. При обнаружении отклонений от нормы (например, перезаряд с напряжением выше 4,2В, чрезмерная-разрядка с напряжением ниже 3,0В) срабатывает механизм защиты.

МОП-транзистор: «Выключатель» тока, который размыкает или замыкает цепь зарядки и разрядки по команде чипа. Например, во время перезарядки MOSFET отключает путь зарядки, чтобы избежать повреждения элементов батареи.

Резисторы и конденсаторы: Вспомогательные компоненты, используемые для выборки тока и фильтрации напряжения для обеспечения точности данных обнаружения.

Печатная плата: «носитель» компонентов, интегрирующих микросхем, МОП-транзисторов и других деталей для формирования стабильной схемной системы.

ПТК/НТЦ: Компоненты температурной защиты. PTC (термистор с положительным температурным коэффициентом) имеет резкое увеличение сопротивления при высоких температурах для ограничения тока; NTC (термистор с отрицательным температурным коэффициентом) измеряет температуру в режиме реального времени и предоставляет данные о температуре для чипа.

II. Преимущества и недостатки литиевых батарей: почему они могут стать основным источником энергии?

Литиевые аккумуляторы могут заменить свинцово--кислотные, никель--кадмиевые и никель--металлогидридные аккумуляторы и стать выбором номер один в бытовой электронике и новых областях энергетики благодаря своим выдающимся преимуществам в производительности, но у них есть и неоспоримые недостатки. Мы можем более интуитивно понять позиционирование литиевых батарей путем горизонтального сравнения четырех основных типов батарей:

1. Основные преимущества: почему литиевые батареи незаменимы?

Высокая плотность энергии: Гравиметрическая плотность энергии в 4-8 раз выше, чем у свинцово-кислотных батарей, а объемная плотность энергии в 4-5 раз выше, чем у свинцово-кислотных батарей. Это означает, что литиевые батареи могут хранить больше электрической энергии при том же весе/объеме. Например, литиевая батарея мобильного телефона емкостью 1900 мАч весит всего около 20 г, тогда как свинцово-кислотная батарея такой же емкости весит более 1 кг, что совершенно не подходит для портативных устройств.

Длинный цикл жизни: Высококачественные литиевые батареи-выдерживают более 1500 циклов, а литий-железо-фосфатные батареи – даже более 6000 циклов, в то время как свинцово--кислотные батареи – всего 200-300 циклов. Если взять в качестве примера электромобили, то модели, оснащенные литиевыми батареями, имеют срок службы 5–8 лет, что намного превышает 1–2 года свинцово-кислотных батарей.

Экологичность и отсутствие загрязнений-: Не содержит токсичных тяжелых металлов, таких как свинец, ртуть и кадмий, он является экологически чистым на протяжении всего жизненного цикла производства, использования и утилизации, что соответствует глобальной тенденции «двойного углерода». Напротив, во многих странах ограничено загрязнение свинцом от свинцово-кислотных-аккумуляторов и загрязнение кадмием от никель--кадмиевых аккумуляторов.

Низкая скорость саморазряда-: Ежемесячная скорость саморазряда-составляет всего 2 %-9 %, что намного ниже, чем 20 %-30 % у никель-металлогидридных батарей. Полностью заряженная литиевая батарея мобильного телефона может сохранять более 80% своей мощности после простоя в течение одного месяца, тогда как у никель-металлогидридной батареи может оставаться только 50%.

Платформа высокого напряжения: Номинальное напряжение одной ячейки составляет 3,2-3,7 В, что эквивалентно последовательному напряжению трех никель-кадмиевых/никель-металлогидридных батарей. Он может удовлетворить требования к оборудованию без нескольких последовательных соединений, что упрощает конструкцию аккумуляторной батареи.

2. Основные недостатки: какие проблемы еще предстоит решить?

Высокая стоимость: Стоимость аккумулятора составляет около 2,0-3,5 юаней за Втч, что в 2-5 раз выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Хотя она постепенно снижается по мере масштабного производства, она по-прежнему остается основной статьей затрат новых энергетических транспортных средств и систем хранения энергии.

Плохая температурная адаптация: Оптимальная рабочая температура составляет 0-45 градусов. Когда температура ниже 0 градусов, емкость значительно снижается (например, при -20 градусах емкость может оставаться только на 50%); когда температура превышает 60 градусов, существует угроза безопасности. Необходимо настроить дополнительные системы отопления/охлаждения, что увеличивает затраты и сложность.

Угрозы безопасности: Жидкие электролиты огнеопасны. Если система защиты выйдет из строя (например, из-за перезарядки, прокола, выдавливания), это может привести к тепловому выходу из строя, что приведет к возгоранию и взрыву. Поэтому литиевые батареи должны быть оснащены BMS или защитными платами и не могут использоваться «голыми», как свинцово--кислотные батареи.

Высокие требования к зарядным устройствам: Зарядные устройства постоянного тока и постоянного напряжения необходимы для обеспечения стабильного процесса зарядки и предотвращения перезарядки, в то время как для свинцово-кислотных аккумуляторов требуется только простой регулятор напряжения, а стоимость зарядного устройства ниже.

III. Система классификации литиевых батарей: как выбрать для разных сценариев?

Существует множество типов литиевых батарей, которые можно разделить на несколько категорий в зависимости от размеров. Батареи разных категорий имеют существенные различия в производительности и подходят для разных сценариев. Освоение логики классификации может помочь вам лучше понять, «почему кобальт-литиевые батареи используются в мобильных телефонах, а литий-железо-фосфатные/тройные литиевые батареи используются в электромобилях».

1. По характеристикам зарядки и разрядки: первичные и вторичные батареи.

Первичные (не-перезаряжаемые) батареи: также известны как литиевые первичные батареи, такие как литий-диоксид-марганцевые батареи (таблеточные батарейки CR2032, используемые в пультах дистанционного управления и часах) и литий-тионилхлоридные батареи (используемые в устройствах Интернета вещей и медицинских имплантируемых инструментах). Они характеризуются высокой емкостью и длительным сроком хранения (до 10 лет), но не подлежат перезарядке и после использования выбрасываются.

Вторичные (перезаряжаемые) батареи: Также известные как аккумуляторные батареи, они являются наиболее часто используемым типом в повседневной жизни, например, аккумуляторы для мобильных телефонов и аккумуляторы для электромобилей. Их можно заряжать и разряжать повторно 500-1500 раз. В основе лежит обратимая реакция «миграции ионов лития между катодом и анодом», которой также посвящена данная статья.

2. По материалу катода: определение основных характеристик батарей.

Это самый основной метод классификации, и материал катода напрямую определяет плотность энергии, безопасность и стоимость аккумулятора:

Оксид лития-кобальта (LiCoO₂): Высокая плотность энергии (200–250 Втч/кг), платформа высокого напряжения (3,7 В), но плохая безопасность и короткий срок службы (500–800 циклов), в основном используется в бытовой электронике, такой как мобильные телефоны и ноутбуки.

Литий-железо-фосфат (LiFePO₄): Чрезвычайно высокая безопасность (температура выхода из-под контроля превышает 200 градусов), длительный срок службы (1500-6000 циклов), низкая стоимость, но низкая плотность энергии (120-180 Втч/кг), в основном используется в системах хранения энергии, электрических автобусах и электромобилях бюджетного класса.

Тройной литий (LiNiₓCoᵧMn_zO₂): Высокая плотность энергии (200-300 Втч/кг), хорошие характеристики при низких-температурах, но средняя безопасность и высокая стоимость. Он разделен на NCM523, NCM622 и NCM811 в зависимости от содержания никеля (чем выше содержание никеля, тем выше плотность энергии), в основном используется в высокотехнологичных электромобилях и дронах.

Манганат лития (LiMn₂O₄): низкая стоимость, хорошая -стабильность при высоких температурах, но низкая плотность энергии (100-150 Втч/кг) и короткий срок службы (300–500 циклов), в основном используются в электроинструментах и ​​тихоходных электромобилях.

3. По форме: адаптация к различным помещениям для оборудования

Цилиндрические батареи: такие как 18650 (диаметр 18 мм, высота 65 мм) и 21700 (диаметр 21 мм, высота 70 мм), со стабильной структурой и высокой эффективностью массового производства, в основном используются в ноутбуках и электромобилях (например, ранние модели Tesla использовали 18650, а позже перешли на 21700).

Призматические батареи: Например, аккумуляторы для мобильных телефонов (толщина 3–5 мм, ширина 40–60 мм) и аккумуляторы для электромобилей (толщина 10–20 мм, ширина 100–200 мм), с высокой степенью использования пространства и могут быть настроены в соответствии с размером оборудования, что в настоящее время является основной формой электромобилей.

Сумки для батареек: инкапсулированные алюминиевой-пластиковой композитной пленкой, они могут быть ультра-тонкими (толщиной 0,5–2 мм) и гибкими, в основном используются в тонких мобильных телефонах, носимых устройствах (например, умных часах) и складных мобильных телефонах.

4. По состоянию электролита: жидкость против полимера

Литий-ионные аккумуляторы (LIB): Использование жидких электролитов с высокой плотностью энергии и низкой стоимостью, но существует риск утечки. К этой категории относится большинство цилиндрических и призматических аккумуляторов с твердым-корпусом.

Полимерно-литиевые батареи (ПЛБ): Использование геля или твердых электролитов без риска утечки и гибкой деформации. Большинство аккумуляторов относятся к этой категории и в основном используются в бытовой электронике.

5. По применению: обычные батареи против мощных батарей.

Обычные батареи: Используется в бытовой электронике, такой как мобильные телефоны и ноутбуки, с небольшой емкостью (1000 мАч-10 Ач) и низкой скоростью разряда (0,5-2C), требующей высокой плотности энергии.

Силовые батареи: Используется в электромобилях и дронах, с большой емкостью (50–500 Ач) и высокой скоростью разряда (5–30°С), которым необходимо выдерживать разряды большого тока (например, при ускорении автомобиля), что требует более высокой безопасности и срока службы.

IV. Основная терминология литиевых батарей: различие понятий от емкости до SOC

При покупке или использовании литиевых батарей вы часто сталкиваетесь с такими терминами, как «емкость», «C-рейт» и «SOC». Понимание этих концепций может помочь вам точно оценить производительность батареи и избежать введения в заблуждение «ложно отмеченных параметров».

1. Емкость: сколько электроэнергии может хранить аккумулятор?

Определение: количество электричества, которое аккумулятор может высвободить при определенных условиях разряда, рассчитывается по формуле Q=I×t (I — ток, t — время) в единицах Ач (ампер-час) или мАч (миллиампер-час).

Простое объяснение: 1 Ач означает, что аккумулятор может разряжаться током 1 А в течение 1 часа, а 1 мАч означает, что он может разряжаться током 1 мА в течение 1 часа. Например, аккумулятор мобильного телефона емкостью 1900 мАч означает, что он может разряжаться током 190 мА в течение 10 часов.

Распространенные сценарии: Аккумуляторы для мобильных телефонов: 800–1900 мАч; электровелосипеды: 10-20Ач; электромобили: 20-200Ач; аккумуляторы энергии: 100-1000Ач.

2. Скорость зарядки/разрядки (скорость C-): насколько быстро происходит зарядка/разрядка?

Определение: Ток заряда/разряда, выраженный как кратное номинальной емкости аккумулятора.. 1C — это ток для «полной зарядки/разрядки за 1 час».

Метод расчета: Если емкость аккумулятора 1500 мАч, 1С=1500мА, 2С=3000мА (полный разряд за 0,5 часа), 0,1С=150мА (полный разряд за 10 часов).

Примечания: Чем выше скорость разряда, тем ниже фактическая емкость аккумулятора (например, емкость при разряде 2C может составлять только 80% от емкости при разряде 1C) и тем серьезнее выделение тепла. Следовательно, силовые батареи должны иметь высокую-разрядную способность (например, электромобилям требуется температура выше 5°C).

3. Напряжение (OCV): «Платформа напряжения» аккумуляторов.

Номинальное напряжение: Номинальное напряжение аккумулятора. Обычные литиевые батареи имеют напряжение 3,2–3,7 В (оксид лития-кобальта: 3,7 В; литий-железо-фосфат: 3,2 В), что является важным показателем производительности батареи.

Напряжение разомкнутой цепи (OCV): напряжение батареи при отсутствии нагрузки, которое можно использовать для оценки состояния батареи (например, напряжение OCV полностью заряженной литий-кобальт-оксидной батареи составляет около 4,2 В и около 3,0 В, когда она обесточена).

Платформа напряжения: Диапазон стабильного напряжения во время зарядки и разрядки аккумулятора (обычно 20–80 % емкости), при котором напряжение меняется незначительно. Например, напряжение литий-кобальт-оксидных батарей составляет 3,6–3,9 В, что также является нормальным диапазоном рабочего напряжения оборудования.

4. Энергия и мощность: как долго можно ее использовать? Сколько мощности он может выдать?

Энергия: общая электрическая энергия, которую может хранить аккумулятор, рассчитывается по формуле E=U×Q (U — напряжение, Q — емкость) в единицах Втч (ватт-час) или кВтч (киловатт-час, 1кВтч=1 градус электроэнергии). Например, аккумулятор мобильного телефона емкостью 1900 мАч и напряжением 3,7 В имеет энергию 3,7 В×1,9 Ач=7.03Втч.

Власть: Энергия, которую аккумулятор может отдать в единицу времени, рассчитывается по формуле P=U×I, в Вт (ватт). Мощность определяет «взрывную мощность» оборудования. Например, электромобилям при ускорении требуются аккумуляторы большой-мощности, а мобильным телефонам — только аккумуляторы-мощности.

5. Срок службы: сколько раз аккумулятор можно заряжать и разряжать?

Определение: Одна зарядка и разрядка аккумулятора составляет один цикл. Когда емкость снижается до 60–70% от первоначальной, это считается окончанием срока службы.

Стандартный тест: Стандарт IEC предусматривает, что литиевые батареи мобильных телефонов, разряженные до напряжения 3,0 В при 0,2°С и заряженные до 4,2 В при температуре 1°С, должны иметь емкость не менее 60 % после 500 циклов; национальный стандарт предусматривает, что емкость должна быть больше или равна 70% после 300 циклов.

Предложение по использованию: Избегайте глубокой зарядки и разрядки (например, не заряжайте до 100% и не разряжайте до 0% каждый раз), что может продлить срок службы. Например, поддержание заряда аккумулятора мобильного телефона на уровне 20–80 % может продлить срок его службы более чем до 1000 циклов.

6. Глубина разряда (DOD) и состояние заряда (SOC): сколько энергии осталось в аккумуляторе?

Министерство Обороны: Процент разряженной емкости от номинальной. Например, если разряженная емкость составляет 500 мАч, а номинальная емкость — 1000 мАч, DOD=50%. Чем глубже DOD, тем короче срок службы батареи.

СОЦ: Процент оставшейся емкости по отношению к номинальной емкости. 0% означает отсутствие питания, а 100 % означает полную зарядку. BMS оценивает оставшийся заряд батареи с помощью SOC, а отображение мощности мобильного телефона рассчитывается на основе SOC.

7. Отключение-напряжения: «красная линия» зарядки/разрядки.

Прекращение заряда-Выключение напряжения: Напряжение, при котором аккумулятор не может заряжаться дальше. Для литий-кобальтовых аккумуляторов оно составляет 4,2 В; для литий-железо-фосфатных аккумуляторов оно составляет 3,65 В. Превышение этого напряжения приведет к повреждению элементов батареи и выходу из строя.

Разрядка-Отключение напряжения: Напряжение, при котором аккумулятор не может быть разряжен дальше. Для литий-кобальтовых батарей оно составляет 3,0 В; для литий-железо-фосфатных аккумуляторов оно составляет 2,5 В. Ниже этого напряжения произойдет необратимое повреждение анода, и емкость не будет восстановлена.

8. Внутреннее сопротивление: «невидимая потеря» батарей.

Определение: Сопротивление внутри батареи, препятствующее прохождению тока, измеряется в мОм (миллиомах), разделяется на омическое внутреннее сопротивление (вызванное материалами и структурой) и внутреннее поляризационное сопротивление (вызванное электрохимическими реакциями).

Влияние: Чем меньше внутреннее сопротивление, тем выше эффективность зарядки и разрядки аккумулятора и меньше выделение тепла. Например, внутреннее сопротивление силовых батарей необходимо контролировать на уровне ниже 50 мОм, в противном случае при сильном-разряде произойдет сильное выделение тепла.

V. Правила наименования литиевых батарей: понимание размеров на моделях

Названия литиевых батарей различаются у разных производителей, но в целом батареи соответствуют стандарту IEC61960. О типе и размере аккумулятора можно судить по модели, чтобы не купить неправильную модель.

1. Цилиндрические батареи: 3 буквы + 5 цифры

Значение буквы: первая буква указывает материал анода (я=встроенный-литий-ионный, L=литий-металлический); вторая буква указывает материал катода (С=кобальт, N=никель, М=марганец, V=ванадий); третья буква=R (цилиндрическая).

Значение числа: первые 2 цифры=диаметр (мм), последние 3 цифры=высота (мм).

Примеры: ICR18650 - I (литий-ионный анод), C (литий-кобальт-оксидный катод), R (цилиндрический), диаметр 18 мм, высота 65 мм, наиболее распространенный аккумулятор для ноутбуков и электромобилей; INR21700 - I (литий-ионный анод), N (катод на основе никеля-, тройной литий), R (цилиндрический), диаметр 21 мм, высота 70 мм, емкость на 50 % выше, чем у 18650, используемого в Tesla Model 3.

2. Призматические батареи: 3 буквы + 6 цифры

Значение буквы: Первые две буквы такие же, как у цилиндрических батарей, третья буква=П (призматическая).

Значение числа: первые 2 цифры=толщина (мм), средние 2 цифры=ширина (мм), последние 2 цифры=высота (мм).

Примеры: ICP053353 - I (литий-ионный анод), C (литий-кобальт-оксидный катод), P (призматический), толщина 5 мм, ширина 33 мм, высота 53 мм, типичная батарея для мобильного телефона; IFP101520 - I (литий-ионный анод), F (катод на основе железа-, литий-железо-фосфат), P (призматический), толщина 10 мм, ширина 15 мм, высота 20 мм, используются в умных часах.

VI. Весь процесс производства литиевых батарей: стремление к совершенству на каждом этапе: от материалов до элементов

Производство литиевых батарей – это сложный и высокоавтоматизированный процесс, включающий три основных звена: внешний-, средний-и внутренний-процессы. Точное управление каждым звеном напрямую влияет на производительность и безопасность аккумулятора, что известно как «сочетание тонкой химической промышленности и точного производства».

1. Предварительный-процесс: производство электродных листов (ключ к определению емкости аккумулятора)

Смешивание суспензии: Смешайте катодные активные материалы (например, LiCoO₂), проводящие агенты (технический углерод), связующие вещества (ПВДФ) и растворители (NMP) в вакуумном смесителе до образования однородной суспензии; то же самое относится и к аноду с графитом в качестве активного материала, CMC/SBR в качестве связующего и водой в качестве растворителя. Основное требование: суспензия должна быть однородной, без частиц, в противном случае это приведет к неравномерной производительности.

Покрытие: Равномерно нанесите суспензию катода/анода на токосъемник (алюминиевая фольга для катода, медная фольга для анода), контролируя толщину покрытия (± 1 мкм) и плотность покрытия (вес активного материала на единицу площади). Основное требование: покрытие должно быть равномерным, в противном случае это приведет к локальному нагреву и снижению емкости аккумулятора.

Сушка: Выпарить растворитель (NMP или воду) в духовке при температуре 80-120 градусов. Скорость и скорость ветра должны быть точными, чтобы избежать растрескивания и скручивания покрытия.

Каландрирование: Холодное-прессование высушенных листов электродов с помощью прецизионного каландра для увеличения плотности покрытия (уменьшения пористости), улучшения плотности энергии и обеспечения однородной толщины (±0,5 мкм).

резка: Широкие электродные листы разрезать вдоль на узкие полоски необходимой ширины, не допуская заусенцев (заусенцы приводят к короткому замыканию).

Вкладка Сварка: Приварите металлические выступы (алюминиевые для катода, никелевые для анода) в определенных местах на пластинах электродов в качестве точек вывода тока. Качество сварки должно обеспечивать отсутствие соединений холодной пайки и ложной сварки.

2. Промежуточный-процесс: сборка элемента (ключ к определению безопасности батареи)

Намотка/укладка: Сложите катод, сепаратор и анод в порядке «сепаратор - анод - сепаратор - катод» и намотайте их в цилиндрические/призматические ячейки с помощью намоточной машины (намоточного типа) или сложите их в призматические ячейки с помощью укладочной машины (штабелируемого типа). Многоуровневый тип имеет более высокий коэффициент использования пространства и более низкое внутреннее сопротивление, но низкую эффективность; намоточный тип имеет высокую эффективность и подходит для массового производства.

Корпус/Инкапсуляция: Поместите цилиндрические/призматические элементы с твердым-корпусом в металлические корпуса (стальные/алюминиевые корпуса); поместите элементы-пакеты в оболочки из алюминиевой-композитной пластиковой пленки.

Выпечка: Поместите инкапсулированные элементы в вакуумную печь и запекайте при температуре 80–120 градусов в течение 4–8 часов, чтобы полностью удалить влагу из элементов (содержание влаги должно контролироваться ниже 50 частей на миллион), в противном случае они вступят в реакцию с электролитом с образованием вредных газов.

Электролит для инъекций: Введите точно отмеренное количество электролита в элементы в сухом помещении с точкой росы ниже -40 градусов. Электролит должен полностью проникнуть в электродные пластины и сепараторы. Погрешность количества впрыска должна контролироваться в пределах ±0,1 г, в противном случае это повлияет на емкость аккумулятора.

Уплотнение: Вакуумно-термическая-герметизация порта впрыска электролита в пакетных элементах; закройте отверстие для впрыска электролита в элементах с твердым-корпусом стальными шариками (цилиндрические) или герметизирующими гвоздями (призматические) и обеспечьте герметичность с помощью лазерной сварки (утечка воздуха приведет к испарению электролита и снижению емкости).

3. Завершающий-процесс: формирование и тестирование (проверка соответствующих продуктов)

Формирование: Зарядите элементы в первый раз, чтобы сформировать на поверхности анода стабильную пленку интерфейса твердого электролита (SEI), которая пропускает ионы лития, но блокирует электроны, что является ключом к сроку службы батареи и безопасности. Ток зарядки небольшой (0,1-0,2С), а время длительное (8-12 часов).

Старение: Оставьте сформированные элементы при комнатной температуре или высокой температуре (45 градусов) в течение 3-7 дней, чтобы стабилизировать пленку SEI и отсеять дефектные элементы с чрезмерным саморазрядом (например, элементы с падением напряжения более 50 мВ).

Классификация мощности: выполните стандартные испытания на зарядку-разрядку старых аккумуляторов (заряд до верхнего предельного напряжения, разрядку до нижнего предельного напряжения), измерьте фактическую емкость и классифицируйте аккумуляторы в соответствии с емкостью (например, класс A: 4950–5050 мАч, класс B: 4850–4950 мАч), чтобы обеспечить постоянную емкость элементов в одной группе.

Сортировка: Классифицировать элементы по таким параметрам, как емкость, напряжение холостого хода и внутреннее сопротивление, и устранять дефектные изделия (например, элементы с чрезмерным внутренним сопротивлением и недостаточной емкостью).

Тестирование внешнего вида и производительности: Проверьте внешний вид элементов (нет царапин, утечек или деформации), проведите испытания на сопротивление изоляции, внутреннее сопротивление переменному току и короткое замыкание, чтобы убедиться, что характеристики безопасности соответствуют стандартам.

VII. Тенденции отрасли и практика предприятий: какое будущее у литиевых батарей?

С быстрым развитием новой энергетической отрасли технология литиевых батарей продолжает прорываться, и появился ряд предприятий, специализирующихся на сегментированных областях, способствуя распространению литиевых батарей из области «бытовой электроники» в области «промышленности и энергетики».

1. Технологические тенденции: от жидкости к твердой форме, от высокой производительности к высокой безопасности

Твердотельные-батареи: Замените жидкие электролиты и сепараторы твердыми электролитами, что значительно повысит безопасность (отсутствие утечек или риска перегрева) с плотностью энергии до 400-600 Втч/кг (в два раза выше, чем у существующих литиевых батарей), которые могут обеспечивать работу электромобилей с запасом хода более 1000 км. В настоящее время полу-твердотельные батареи (с содержанием электролита 5%-10%) перешли на стадию массового производства (например, версия полу-твердотельной батареи NIO ET7), и ожидается, что все-твердотельные батареи начнут массово производиться примерно в 2030 году.

Технология быстрой зарядки: Достигните «80 % заряда за 10 минут» за счет оптимизации материалов (например, анодов на основе кремния-, электролитов для быстрой-зарядки) и конструкции конструкции. Например, супер-зарядная батарея S4, установленная на Xpeng G9, позволяет зарядить 400 км за 10 минут.

Снижение затрат: Благодаря крупномасштабному-производству (мировая мощность производства литиевых батарей превысила 2 ТВт-ч), инновациям в материалах (например, литий-марганцево-железо-фосфат вместо тройного лития) и оптимизации процессов (например, технологии CTP/CTC, уменьшению количества компонентов модуля) стоимость аккумуляторов снизилась с 5 юаней/ч в 2015 г. до менее 1,5 юаней/ч в 2025 г. и, как ожидается, в будущем снизится до 1 юаня/ч.

2. Корпоративная практика: Чжунчжуан Фейюэ - фокусируется на «революции замены аккумуляторов» в двух-колесных электромобилях.

В области двух-колесных электромобилей применение литиевых батарей переходит от «зарядки» к «замене батарей». Zhongchuang Feiyue (дочерняя компания Zhongchuang New Energy Technology Group) является представителем этого направления. Его основные практики включают в себя:

Решения на основе сценариев-: Обеспечьте высокую-безопасность и длительный-срок службы литиевых батарей для таких сценариев, как общие электрические велосипеды, мгновенная доставка (на вынос, экспресс-доставка) и личные поездки. Например, аккумулятор транспортных средств имеет срок службы более 2000 раз, что соответствует ежедневной потребности в запасе хода в 100 км.

Инновационная модель замены батарей: Выдвинуть концепцию «замена аккумуляторов вместо зарядки безопаснее» и развернуть станции замены аккумуляторов более чем в 100 городах страны. Пользователи могут заменить батарею всего за 30 секунд, решая проблемы «медленной зарядки и угроз безопасности при зарядке» двух-колесных транспортных средств, обслуживая более 400 миллионов двух-пользователей, путешествующих на двухколесных транспортных средствах.

Производственный потенциал и глобализация: Продукция с годовой производственной мощностью более 5 ГВтч экспортируется в более чем 10 стран, адаптируясь к стандартам напряжения и климатическим условиям разных стран (например, высокотемпературные аккумуляторы для Юго-Восточной Азии, которые могут стабильно работать при температуре 60 градусов).

Вывод: литиевые батареи - — основной двигатель энергетической революции

От мобильных телефонов до электромобилей, от накопителей энергии до экономики на малых-высотных высотах — литиевые батареи стали основным двигателем энергетической революции. Их технологическая эволюция связана не только с улучшением характеристик оборудования, но и с реализацией цели «двойного углерода» и трансформацией энергетической структуры. В будущем, благодаря прорыву в области твердотельных-батарей и технологии быстрой зарядки, а также постоянному снижению затрат, литиевые батареи будут играть важную роль во многих областях (например, в аэрокосмической и глубоководной-морской разведке), обеспечивая надежную поддержку будущего зеленой энергетики человечества.

Обычным пользователям понимание основных принципов и рабочих параметров литиевых батарей может помочь использовать батареи более научно (например, избегать перезарядки и чрезмерной-разрядки); для специалистов отрасли понимание технических тенденций и потребностей сценариев является ключом к поиску возможностей на «сто-миллиардном-уровне» литиевых батарей. Независимо от того, являетесь ли вы потребителем или практикующим специалистом, история литиевых батарей все еще продолжается.