锂离子电池之的设计.pptVIP

鋰離子電池之設計 Reporter: Amy 設計 設計除了展現各材料的特性外,安全性的考量更是首要的課題 圓筒型與方型電池所採用的電解液為有機液態,為避免電解液洩漏,而需採用堅固的金屬罐,但金屬罐在加工時,經過多到的身抽與退火程序,使得罐壁不宜過薄,所以整個罐體的最小厚度是有所限制的 電池設計 電池設計可分為內部與外部設計 內部設計所涵蓋有正負極材料選用,正負極 間平衡,電解液與隔離膜,甚至是端蓋的設 計 外部設計則針對IC控制保護線路設計 電池設計 內部設計 一般設計會將負極比正極多10~15%容量, 以彌補鋰金屬沉積在碳材表面 碳材的表面積選擇,表面積太大提供過多的 反應面積而產生大量的氣體而造成電池內 壓太大而有危險之慮 電池設計 內部設計 電解液選擇除了考慮導電度外,溫度與電壓的穩定性也同樣的重要,為避免內壓升高所以有機溶劑選用低揮發性材料 電池設計 隔膜的主要功能為絕緣與傳導離子,而外還 有Shut Down的功能,在某一特定溫度時, 隔膜會熔掉造成內阻升高,為避免Thermal Runaway所以隔膜的材質有PE,PP以及 PE/PP/PE等發展,所考量的因素為內阻開 始上升溫度與內阻開始下降溫度 罐子 罐子 以罐體的材質區分為不銹鋼,鍍鎳低碳鋼,鋁與鋁合金系列 同體積鋁罐的重量僅為不銹鋼罐的1/3,具有輕量與低價的優勢,已為是日本主要電池製造商所使用,但因為不銹鋼具高的強度,所以罐壁可以做的較鋁罐薄,內部的體積空間增加而具有較高的電容量 罐子 罐體的厚度影響極板的長度,安全閥的設計以及電解易系統的不同 基本上可以利用量測電池內壓與罐體變形量來決定厚度 Laser封焊 鋁合金的熱傳導性能佳,在laser封焊時熱量較易傳到封焊點之外,而且鋁的反射率比不銹鋼來得高,都會造成laser封焊的困難度增加;由於封焊處與極板及導電柄位置都很接近,所以封焊時產生大量的熱會使得活性物質與電解易產生變化,也可能影響極板與基材的附著度與隔膜性能,因此如何再封焊時避免大量的熱散失就成一個重要的技術 端蓋設計 以方型為例,可分為三個部份,其中包括證或負極端子,注液口與安全設計,由於端蓋端子與罐體是不同極性,所以需以絕緣物質加以隔開,其方法可利用鉚合將導電柄,絕緣片,上蓋,鉚合封套與端蓋及端子鉚在一起,只要設計得當則不會有漏液的問題發生而且還降低成本 端蓋設計 注液口設計也有幾種不同,其可以在端蓋處或在罐體側邊,視極板捲繞方向而定 注液口封口可以利用雷射銲接,球封及活塞塞住 設計 電池的多餘電壓來自於離子導電度.而增加離子導電度的方法為 (1) 增加鋰離子活動性 電解質溶劑的介電常數 (2) 增加鋰分子濃度 安全設計 SONY堪稱是原筒型電池的代表,也是第一家生產圓筒型電池,其後的各家皆以其為設計藍本.在罐體與端蓋部分以安全閥設計差異較大,安全閥的設計為避面電池內部壓力過高而爆炸.基本上,安全閥的設計是利用蝕刻或衝壓的薄膜作為釋氣的出口. 而方型電池的安全設計理念與圓電相同,不外乎斷電,限流與釋氣. 單一電池的內部保護線路,一般採用PTC來阻止高電流的流動,PTC在圓筒型電池使用較為廣泛 安全設計 電池發生異常時,內壓會上升所以要有安全閥的設計,以釋出過高的壓力以免爆炸 二次鋰離子電池對過充與過放非常敏感,過充除了造成電解液分解內壓升高外,鋰離子會沉積在碳材表面形成樹枝狀而造成短路,如此也會使正極材料變的不穩定而起火 過放時,尤其是電壓低於0伏時,會造成銅箔分解造成銅離子沉積在正極,最後形成樹枝狀物而短路 安全測試 測試分為環境,電路及機械測試,而測試對象又分為單一電池與電池組 環境測試如高溫儲存,加熱板,高度測試,溼度,鹽霧,燃燒,低溫,熱震與溫度循環 電路測試有強制充電,強制放電與大電流放電 機械測試項目為鑽孔或穿刺,壓碎,振動,掉落,投擲,衝擊等 電池的危險來自 可大概歸納為電解液產生的危險與能量釋放時的危險 電解液的危險又分成電解液本身的化學性質是否有毒性或腐蝕性,以及在異常情形下,電解液分解所產生高壓氣體與有害氣體. 高壓氣體在罐內累積對氣密性不良的電池形成漏液污染,而有害氣體溢出對生態環境或人體都造成影響 更嚴重,如果電池缺乏安全閥裝置,則電解液分解所產生的壓力會將電池端蓋像子彈般彈射 高分子電池 膠態高分子電池為在正極與負極間存在一層膠態電解質,其組成可分為壓克力,氟系與PAN系統.而外包裝為鋁箔與其他防水層,保護層,黏合層所組成 封裝時利用加熱將黏合層熔化,在真空低壓環境下進行黏合密封 高分子電池 高分子電池所採用的高分子電解質依特