方形磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品特點解析

來源：存能電氣  日期：2019-08-02 14:03  瀏覽量：次

　　方形磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品特點解析。在動力電池市場，方形、圓柱、軟包作為動力電池“三劍客”過去一段時間一直處于三足鼎立狀態(tài)，其中方形電池的市場份額領(lǐng)先于軟包和圓柱，但總體相對平衡。而如今這種局面已悄然發(fā)生改變，三足鼎立的平衡狀態(tài)已經(jīng)被打破！從2018年上半年的裝機量上來看，方形電池已經(jīng)對圓柱和軟包電池形成絕對碾壓之勢，總量遠超過圓柱和軟包電池之和，繼續(xù)保持磷酸鐵鋰電池最主流類型地位。本文將解析方形磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品特點。

　　方形磷酸鐵鋰電池

　　方形磷酸鐵鋰電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，方形電池的普及率在國內(nèi)很高，隨著近年汽車動力電池的興起，汽車續(xù)航里程與電池容量之間的矛盾日漸突顯，國內(nèi)動力電池廠商多采用電池能量密度較高的鋁殼方形電池為主，因為方形電池的結(jié)構(gòu)較為簡單，不像圓柱電池采用強度較高的不銹鋼作為殼體及具有防爆安全閥的等附件，所以整體附件重量要輕，相對能量密度較高。方型電池有采用卷繞和疊片兩種不同的工藝。

　　但由于方形鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一。方形電池在普通的電子產(chǎn)品上使用沒有問題，但對于需要多只串、并聯(lián)的工業(yè)設(shè)備產(chǎn)品，最好使用標準化生產(chǎn)的圓柱形磷酸鐵鋰電池，這樣生產(chǎn)工藝有保證，以后也更容易找到可替換的電池。

　　方形電池基本結(jié)構(gòu)

　　一個典型的方形磷酸鐵鋰電池，主要組成部件包括：頂蓋，殼體，正極板、負極板、隔膜組成的疊片或者卷繞，絕緣件，安全組件等。其中，紅圈中的兩個是安全結(jié)構(gòu)，NSD針刺安全裝置；OSD過充保護裝置。

　　針刺安全保護裝置(NSD，NailSafetyDevice)。這是在卷芯的最外面加上了金屬層，例如銅薄片。當針刺發(fā)生時，在針刺位置產(chǎn)生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低，這樣可以防止針刺位置局部過熱，緩減電池熱失控發(fā)生。

　　過充安全保護裝置(OSD，OverchargeSafetyDevice)，目前這個安全設(shè)計在很多電池上都能看到。一般是一個金屬薄片，配合fuse使用，fuse可以設(shè)計到正極集流體上，過充時電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓力使得OSD觸發(fā)內(nèi)部短路，產(chǎn)生瞬間大電流，從而使Fuse熔斷，從而切斷電池內(nèi)部電流回路。

　　殼體一般為鋼殼或者鋁殼，隨著市場對能量密度的追求的驅(qū)動以及生產(chǎn)工藝的進步，鋁殼逐漸成為主流。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計對大型方形電池熱特性的影響

　　鋰離子電池的極耳形狀和位置對于電池內(nèi)的電流的分布、產(chǎn)熱和散熱都有著極其重要的影響，因此對于大尺寸磷酸鐵電池熱特性的分析還需要考慮極耳的形狀和位置等特性。

　　為了提高鋰離子電池的能量密度減小極耳的尺寸，降低集流體的厚度時常用的方法，因此StephanKosch利用上述模型的四種接耳結(jié)構(gòu)和分布方式進行了模擬，并分析了不同的集流體厚度(TCC1，負極=15um，正極=25um；TCC2，負極=10um，正極=17um和TCC3，負極=7.5um，正極=12.5um)對方形磷酸鐵鋰電池熱特性的影響，這極耳和不同厚度的銅箔的組合方式的方形鋰離子電池的溫度和能量密度特點?？梢钥吹酵ㄟ^降低集流體的厚度，可以將電池的能量密度從134Wh/kg，提高到約147Wh/kg。

　　大尺寸方形鋰離子電池在放電過程，特別是大電流放電過程中，由于電池極化和歐姆阻抗的作用會導(dǎo)致電池的內(nèi)部產(chǎn)熱極速增加，受到電池散熱邊界條件的影響，電池中間溫度升高要明顯快于電池邊緣部分，因此會在電池內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度，同時在垂直于電池極片的方向由于散熱受到電極極片自身的阻擋也存在明顯的溫度梯度，溫度梯度的存在會導(dǎo)致電池內(nèi)的電流分布和SoC狀態(tài)不均勻，從而導(dǎo)致鋰離子電池局部老化的加速，影響鋰離子電池的使用壽命。

　　方形磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品特點解析

　　優(yōu)點：

　　方形磷酸鐵鋰電池封裝可靠度高；系統(tǒng)能量效率高；相對重量輕，能量密度較高；結(jié)構(gòu)較為簡單，擴容相對方便，是當前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項；單體容量大，則系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，使得對單體的逐一監(jiān)控成為可能；系統(tǒng)簡單帶來的另外一個好處是穩(wěn)定性相對好。

　　缺點：

　　由于方形磷酸鐵鋰電池可以根據(jù)產(chǎn)品的尺寸進行定制化生產(chǎn)，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統(tǒng)一；生產(chǎn)自動化水平不高，單體差異性較大，在大規(guī)模應(yīng)用中，存在系統(tǒng)壽命遠低于單體壽命的問題。

　　由于特定的包裝材料與結(jié)構(gòu)不同，方形、圓柱、軟包電池各有優(yōu)劣勢。而且當前動力電池行業(yè)正處在大變革時期，各種技術(shù)創(chuàng)新層出不窮，未來哪種技術(shù)路線會脫穎而出還未可知。目前方形磷酸鐵電池產(chǎn)能集中度過于明顯，一旦未來市場有變，電池企業(yè)將面臨很大的風險。