锂离子电池测试基础培训

锂离子电池基础培训目录概况结构工艺材料评测方法电性能测试安全性能测试概况锂离子电池在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌。锂离子电池动力电池高功率动力电池（电动工具）高容量动力电池（电动汽车）容量电池（移动电源、笔记本电脑）结构正极活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2)导电剂、溶剂、粘结剂、基体负极活性物质（石墨、硅碳）导电剂、溶剂、粘结剂、基体隔膜干法膜、湿法膜\基膜、陶瓷膜电解液LiPF6+DMC/EC/EMC正极极耳铝带负极极耳镍带盖板钢壳结构正极基体：铝箔（约0.013mm厚)正极物质：镍钴锰酸锂+导电剂+PVDF正极极耳：铝带作用：提供锂源正极片结构负极基体：铜箔（约0.08mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR/石墨+PVDF负极极耳：镍带作用：接受容纳锂离子负极片结构作用：密封+安全保护电池盖板的CID在内压达到10kg会断开，此时电池断路。内压进一步增大20kg就会冲开防爆阀卸压，保证电池不发生爆炸。（不可恢复），在外部短路时盖板内的PTC阻值急剧增大，迅速减小短路电流，达到安全保护盖板工艺配料卷绕注液检测合浆封口烘烤裁切制片涂布辊压装配化成包装粉尘水分毛刺工艺—化成/预充锂离子电池在首次充放电过程中，电极材料与电解液在固液相界面上发生反应，形成一层覆盖于电极材料表面的钝化层。形成的这层钝化膜能有效地阻止溶剂分子通过，但Li+却可以经过该钝化层自由嵌入和脱出，这层膜被称为SEI膜。锂离子电池化成（预充）的作用：1、使电池中的活性物质借第一次充电转成正常电化学作用；2、使电极（主要是负极）表面形成有效的SEI膜。材料评测方法—电极材料锂离子电池正极材料一般为嵌入化合物，常见的有钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸亚铁锂等负极材料一般为石墨化炭材料、无定形炭材料、硅基材料等。常用指标测试方法粒径激光粒度仪pH值pH计比表面积低温N2吸附比表面测试仪振实密度振实密度仪杂质含量原子吸收光谱影响加工性能、容量、倍率等pH值高，含碱量大，影响加工性能粘接效果容量自放电、安全颗粒形貌扫描电镜/透射电镜加工性能、电性能材料评测方法—电极材料电化学性能指标首次效率克容量电压平台电池内阻倍率性能存储性能温度特性循环性能安全性能加工性能指标分散难易程度浆料稳定性浆料粘度浆料流变性能压实密度压实后反弹极片剥离强度极片电子电导极片孔隙率极片吸液率满电态/放电态极片厚度材料评测方法—电极材料材料评测方法—电极材料XRD（X射线衍射法）XRD是利用X射线在样品中的衍射现象来分析材料的结晶程度、晶体参数、晶体缺陷、不同结构相的含量和内应力等。是确定物质结构的一种简单而有效的手段。XPS红外光谱&拉曼光谱扫描电镜&透射电镜光学最多能看清0.2μm的细微结构。扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像，可以用来观察块状或粉末颗粒试样的表面结构和形貌。热分析热分析技术是指在等速升温（或等速降温）条件下连续测定试样的某种物理性质随温度变化的技术。1.热重分析法（TGA）：温度v.s.质量2.差示扫描量热法（DSC）：使样品处于程序控制的温度下，观测样品和参比物之间的热流差随温度或时间的函数。比表面积测量通过测试氮气分子在试样表面的吸附量表征试样比表面积。粒径分析通过激光光束遇到颗粒阻挡时，一部分光发生散射现象，不同大小的颗粒产生的散射角度不同，通过测量不同角度的光强可得到样品粒度分布。材料评测方法—电极材料材料评测方法—电极材料充放电测试通过半电池的充放电测试可以确定电极材料的充放电曲线、容量、倍率特性、开路和极化电位等基本电化学性能参数。循环伏安法（CV）循环伏安法可探测物质的电化学活性、测量物质的氧化还原电位、考察电化学反应的可逆性和反应机理，以及用于反应速率的半定量分析等。交流阻抗法材料评测方法—电解液电解液在正、负极之间起着输送离子传导电流的作用，一般由溶质（锂盐）、溶剂和某些效果添加剂构成。锂盐1溶解度2解离度3热稳定性4电化学稳定性溶剂1相对介电常数→电导率2粘度→离子的可移动性3熔点、沸点→工作温度添加剂1阻燃添加剂2防过充添加剂3除水分/酸添加剂常用指标测试方法电导率电导率仪水分卡尔费休水分测试仪粘度乌氏粘度计酸度酸碱滴定管杂质分析原子吸收光谱仪影响阻抗电性能工序性能/阻抗电性能电性能表面张力表面张力计工序性能/渗液效果密度密度计工序性能材料评测方法—电解液隔膜干法单拉干法双拉湿法双拉材料评测方法—隔膜材料评测方法—隔膜隔膜的作用是将电池正、负极隔开，防止两极短路。厚度透气率透气率由膜的孔径大小、孔径分布、孔隙率等决定。Gurley法：一定的压力及一定体积气体通过隔膜所需要的时间。孔结构和孔径分布孔隙率&孔径大小及分布吸液保液率渗液能力→生产效率&电池性能热关闭性能PE膜闭孔温度为：120~130℃，熔断温度为：140~150℃PP膜闭孔温度为：160℃左右，熔断温度：180℃以上力学性能拉伸强度穿刺强度常用指标测试方法横纵向拉伸强度拉力机穿刺强度拉力机热收缩烘箱尺寸振实密度仪差热谱图DSC（差示扫描量热法）影响安全性能安全性能安全性能工序性能/安全性能成分分析孔隙率压汞仪形貌扫描电镜一致性/电性能透气值透气度分析仪内阻/安全性能材料评测方法—隔膜材料评测方法—集流体机械强度拉伸强度、穿刺强度、抗弯折疲劳测试等导电性化学与电化学稳定性铜箔在许多电解液中由于氧化而出现电流振动现象；高氧化电位下，铝在电解液中会存在腐蚀现象。集流体的作用是传导电子和均匀分布电流铜箔铝箔材料评测方法—粘结剂粘度粘结力→极片剥离强度电化学性能粘结剂起到粘接箔材和活性物质的作用CMCSBRPVDF电性能测试基本性能：容量电压内阻电性能：循环寿命存储性能高低温性能倍率性能电性能测试-容量放电容量：电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。标称容量：电池0.2C放电时的放电容量。容量密度：单位质量或体积所能释放出的电量，一般用mAh/L或mAh/kg表示。电性能测试-电压开路电压：电池没有负荷时正负极两端的电压。工作电压：电池有负荷时正负极两端的电压。标称电压：电池0.2C放电时全过程的平均电压。电性能测试-内阻电流通过电池内部时受到阻力，使电池的电压降低，此阻力称为电池的内阻。电池的内阻不是常数，在放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。电性能测试-循环电池在完全充电后完全放电，循环进行，直至容量衰减至初始放电容量的80%，此时循环周数周数则为电池循环寿命。循环寿命与充放电条件密切相关。电性能测试-存储性能常温存储常温存储下，电池内部会不断发生微反应，引起电压下降和容量损失（自放电），不同荷电态自放电速率有所不同。高温存储高温环境会加速电池内部的微反应，电池内部SEI膜遭到破坏，会不断生成气体，高温条件下，电解液也会发生气化，严重情况下电池内部气压过高甚至引起CID翻转，导致电池失效。电性能测试-高低温性能较高温度下充放电容量会略有提升，过高温度则对电池有害。低温下充电和放电电池的极化较大，充电时电压平台上移，放电时电压平台下移。0℃下充电，一般的锂离子电池都会存在极化大的现象，并且有负极析锂的风险，造成容量的不可逆衰减。电性能测试-倍率性能大倍率放电时，受到极化影响，放电容量大大降低。大倍率充电会破坏负极结构、损坏SEI膜、引起析锂等，对电池造成不可逆影响。安全性能锂离子电池的不安全主要是由电池的热失控造成，如电池发生内部短路、大电流放电、过充电时，电池内部会产生大量的热，导致体系的温度增加。较高的体系温度会激发电池内部的物理化学过程，这些过程产生的热量造成电池热失控，加上电解液易燃，可能发生着火甚至爆炸。安全性能-安全保障材料选择安全性能更好的材料，如正极、负极材料、隔膜。盖板电池盖板的CID在内压达到10kg会断开，此时电池断路。内压进一步增大20kg就会冲开防爆阀卸压，保证电池不发生爆炸。（不可恢复），在外部短路时盖板内的PTC阻值急剧增大，迅速减小短路电流，达到安全保护。隔膜在电池升温达到120℃的情况下，复合膜的PE膜孔闭合，电池内阻增大，电池内部升温减缓，电池升温达到135℃时PP膜孔闭合（隔膜从白色变透明，电池内部断路，不再升温，确保电池安全可靠。（不可恢复）电解液电解液添加剂发生聚合反应，使电池内阻大幅增加，电池内部形成大面积断路，电池不再升温。同时产生大量气体，气压增大使CID断开。（不可恢复）安全性能-过充考察当充电器和电流控制回路同时失灵时电池的安全行为。电池组多支串联或者并联使用，由于压差增大或者电路板故障导致单只电池出现过充现象。过充添加剂反应引起安全性能-短路当电池正负极短接后，电压迅速降低、瞬间电流增大，可能引发电池内部的相关反应发生，同时外短路的电池向周围环境散热。电池内部产生热量的多少以及热量散逸的快慢，影响电池的热失控与否。安全性能-过放单体蓄电池以1CCCD直至单体蓄电池电压0V后继续强制放电30min。安全性能-其他热冲击将被测电池放在烘箱中，烘箱以5℃/min的速率由室温升至130℃，保持此温度30min后停止加热。跌落单体电池正负端子向下从1.5m高处自由跌落到水泥地面上。重物锤击将9.1kg钢锤从610mm高度自由落体到垂直放置在圆柱电池上的钢轴上边针刺用φ5mm～φ8mm的耐高温钢针（针尖的角度60°，针的表面光洁、无锈蚀、氧化层及油污)、以20-30mm/s的速度，从垂直于蓄电池极板的方向贯穿（钢针停留在蓄电池中）。挤压海水浸泡低气压ThankYou!