锂电池基础培训资料

1：常见电池分类2：锂电池的基础知识3：锂电池的应用场合4：电芯品牌的鉴别5：电池保护板浅谈6：电池的相关认证7：关于电池的安全问题8：电池的价格组成与核算9：公司锂电池的发展方向一次电池（不可充电电池）™金属锂电池：锂锰电池、锂亚电池、锂铁电池™干电池：锌锰干电池、碱性锌锰电池™贮备电池：银锌电池二次电池（可充电电池）™可充电电池：铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锌空气电池、液态锂离子电池、聚合物锂离子电池其它电池（只能发电，不能储电）™燃料电池：氢氧燃料电池、直接甲醇燃料电池™太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、光敏化学太阳能电池常见电池分类锂电池与其他二次电池的对比项目镍镉电池镍氢电池铅酸电池锂离子电池聚合物锂离子电池能量密度(Wh/kg)45~8060~12030~50110~160~160循环寿命1500300~500200~300500500快速充电时间（h）12~48~162~42~4耐过充能力中等低高低低自放电（/月）20%30%5%10%10%单体电压(V)1.251.2523.63.6负载电流(峰值)20C5C5C2C2C负载电流(最佳值)1C0.5C或更低0.2C1C或更低1C或更低工作温度（℃）-40~60-20~60-40~60-20~60-20~60维护要求30~60天60~90天3~6月不需不需典型价格(相对值)506025100100环境影响含有毒金属轻微毒性环境污染环境友好环境友好记忆效应有轻微无无无耐滥用性高高低低中等运输问题无限制无限制受限制受限制受限制锂离子电池的基础知识锂离子电池外壳的分类●钢壳锂离子电池1：早期角形锂离子电池大多为钢壳，多用于手机电池，后由于钢壳重量比能量低，且安全性差，逐步被铝壳和软包装锂离子电池所替代。目前仍有一些小厂采用钢壳制作B品手机电池和一些低附加值的MP3,MP4电池。2：但在柱式锂电池当中，有另外一种景象，绝大部分厂商都以钢材作为电池外壳材质，因为钢质材料的物理稳定性，抗压力远远高于铝壳材质，在各个厂家的设计结构优化后，安全装置已经放置在电池芯内部，钢壳柱式电池的安全性已经达到了一个新的高度，君不见目前绝大部分的笔记型电脑电池的电芯均以钢壳作为载体的。●铝壳锂离子电池铝壳锂离子电池由于质量较轻且安全性稍优于钢壳锂离子电池，目前已成为手机电池的主力军。由于铝壳开模成本较高，因此型号比较少，且订单起订量要求较高，主要型号集中于一些常见手机电池型号。●软包装锂离子电池软包装锂离子电池由于其质量轻，开模成本较低，安全性高等优点，逐步在扩大其市场份额。主要应用于数码产品，目前也逐渐往手机、笔记本电脑、电动工具等市场发展。可以预见在未来几年内软包装锂离子电池的市场份额还将继续稳步扩大，应用范围更加广泛，因外包为铝塑膜，抗压力很弱，限于目前国内封装厂的技术和环境限制，发生鼓胀的比例还是较为偏高。锂离子电池正极材料的分类●钴酸锂正极材料目前用量最大最普遍的锂离子电池正极材料，其结构稳定、比容量高、综合性能突出、但是其安全性差、成本非常高，主要用于中小型号电芯，标称电压3.7V。●锰酸锂正极材料一种成本低、安全性好的正极材料，但是其材料本身并不太稳定，容易分解产生气体，因此多用于和其它材料混合使用，以降低电芯成本，但其循环寿命衰减较快，容易发生鼓胀，寿命相对短，主要用于大中型号电芯，动力电池方面，其标称电压为3.8V。●锂镍钴锰三元正极材料一种在容量与安全性方面比较均衡的材料，循环性能好于正常钴酸锂，前期由于技术原因其标称电压只有3.5-3.6V，在使用范围方面有所限制，但到目前，随着配方的不断改进和结构完善，电池的标称电压已达到3.7V，在容量上已经达到或超过钴酸锂水平，全球5大电芯品牌SANYO，PANASONIC，SONY，LG，SAMSUNG已推出三元材料的电芯，相当部分的笔记型电池线都用三元材料的电芯替换了之前的钴酸锂电芯，SANYO，SAMSUNG柱式电池方面更是全面停产钴酸锂电芯转向三元电芯的制造，目前国内外小型的高倍率动力电池大部分使用三元正极材料。●磷酸铁锂正极材料目前广受关注的一种新兴锂离子电池材料，其突出特点是安全性非常好，不会爆炸，循环性能非常优秀可达到2000周，这些特点使其非常适合电动汽车、电动工具等领域。其标称电压只有3.2-3.3V，因此其保护线路部分也与常用锂离子电池有所区别，但他的缺点也比较明显，能量密度远低于钴酸锂和三元材料。锂离子电池正极材料的特性项目钴酸锂(LiCoO2)锂镍钴锰三元(LiNiCoMnO2)锰酸锂(LiMn2O4)磷酸铁锂(LiFePO4)振实密度（g/cm3）2.8～3.02.0～2.32.2～2.41.0～1.4比表面积（m2/g）0.4～0.60.2～0.40.4～0.812～20克容量(mAh/g)135～140140～18090～100130～140电压平台(V)3.73.53.83.2循环性能≥500次≥500次≥300次≥2000次过渡金属贫乏贫乏丰富非常丰富原料成本很高高低廉低廉环保含钴含镍、钴无毒无毒安全性能差较好良好优秀适用领域中小电池小电池/小型动力电池动力电池、低成本电池动力电池/超大容量电源锂离子电池主要结构成分●正极材料（钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂、镍钴酸锂等及其混合物）●负极材料（人造石墨、改性天然石墨等）●隔膜材料（聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜或两者的复合膜）●电解液（EC、PC、DEC、DMC、EMC等溶剂和六氟磷酸锂配成的溶液）●正负极端子（正负极耳）●外壳（钢壳、铝壳、铝塑膜）102019/10/20软包装锂离子电池结构图锂离子电池的工作原理122019/10/20锂离子电池电化学反应机理正极反应：LiCoO2====Li1-xCoO2+xLi++xe-负极反应：6C+xLi++xe-===LixC6电池总反应：LiCoO2+C6====Li1-xCoO2+LixC6放电时发生上述反应的逆反应。充电放电充电放电充电放电132019/10/20在电池化成初次充电过程中：电池电压大约在0~2.5V左右，电解质在负极表面还原，形成固态电解质界面（SEI膜：烷基碳酸锂、氧化锂、碳酸锂、氟化锂等），作用是使溶剂化锂离子脱去表面溶剂分子得到电子嵌入石墨层内。此时正极开始脱出锂离子,容量占总体容量的10%左右。对电池而言表现为产生气体：主要成分为溶剂还原产物如乙烯、丙烯和CO2等。由于电池初期的产气现象，电池内部压力增大同时使电液在极组中分布不均匀，出现析锂和电池鼓胀现象。目前解决方案就是开口排气，使化成初期产生的气体排出电池之外，采用真空的方法可能效果更好，使气体排出的同时，使电液进一步在极组内部扩散。电压在2.5~4.2V时,电池的活性物质开始发生电化学反应,负极活性物质开始嵌入锂离子,正极继续脱出锂离子。锂离子电池电化学反应机理锂电池的应用场合消费类电子消费类电子消费类电子消费类电子消费类电子高端消费类电子工业工具类电子新型电子产品仪器仪表产品仪器仪表产品仪器仪表产品医用设备仪器产品行政办公产品342019/10/20锂离子电池电性能352019/10/20Cycle次数12放电容量1急速衰减：电极中的电解液浸润不足实质的电流密度上升使得Li-ion不能移动Cycle衰减2缓慢衰减：电解液枯竭Li-ion的导电性恶化Cycle衰减锂离子电池电性能急速衰减主要原因：1电解液量的不足2SEI保护膜的破坏3添加剂不足4由于水分造成电解液的分解、保护膜的破坏LiPF6的分解－生成HFLiPF6LiF+PF5PF5+H2OPF3O+HF5Separator的保液性欠佳缓慢衰减的主要原因：1电极密度不适合2电解液浸润时间的不足3电极的黏结性4电解液溶剂的不适合5Separator中的电解液浸润362019/10/20LishenConfidentialProprietarySEMPicturesofCathode&AnodeSEMPicturesofCathode&AnodeBeforecyclingAfter100CyclesByproductonAnodeCathodeAnode锂离子电池电性能382019/10/20过充情况下，电池的反应过程：产生氧气：3CoO2Co3O4+O2溶剂的氧化：ROCO2R+3O23CO2+3H2O溶剂与水反应：ROCO2R+H2O2ROH+CO2盐与水反应：LiPF6+H2O2HF+LiF+POF3HF与正极反应：4HF+CoO2CoF4+2H2O因此正极表面包覆Al2O3作用就是抑制副反应，从而提高电池的安全性。锂离子电池安全性能392019/10/20过放电情况下，电池的反应过程：溶剂的还原和铜集流体的阳极化溶解：产生大量的烷烃气和铜离子在正极上还原成金属铜。ROCO2R+1/2H2+eROLiCO2+AlkylROCO2R+H2+2e+2LiLi2CO3+R.R正常充放电情况下，电池的失效过程:溶剂的不可逆反应:2EMCDEC+DMC正负极表面反应产物的积累：Li2CO3、LiF等内部产生气体造成内压增大正极材料结构发生变化,如粉化、晶格塌陷等锂离子电池安全性能锂电池保护板浅谈锂电池（可充型）之所以需要保护，是由它本身特性决定的。由于锂电池本身的材料决定了它不能被过充、过放、过流、短路及超高温充放电，因此锂电池锂电组件总会跟着一块精致的保护板出现。主流保护IC提供商●硬件保护系列日系主流：精工、理光、美之美、三菱台系主流：新德、富晶●软件保护系列美系：德州仪器、美信日系：索尼、三菱台系：O2、ATMEL硬件保护和软件保护的对比●硬件保护电路的保护参数是预先在IC内部设定好的，外部无法更改保护参数，优点是性能稳定价格低廉，缺点是参数只能一对一对号入座。●软件保护智能保护芯片的保护参数可以通过上位机电脑对线路板进行设定编程，以达到最终想要的保护参数，优点是通用性强，应用范围广，缺点是价格昂贵，软件操作稍复杂。硬件保护充电控制IC过放控制过充控制+-充电电量硬件保护充电控制IC过放控制过充控制+-充电电量硬件保护充电控制IC过放控制过充控制+-充电电量硬件保护充电控制IC过放控制过充控制+-充电电量硬件保护充电控制IC过放控制过充控制+-充电电量3.8-4.1V此时充电控制MOS打开硬件保护放电控制IC过放控制过充控制+-放电电量硬件保护放电控制IC过放控制过充控制+-放电电量硬件保护放电控制IC过放控制过充控制+-放电电量硬件保护放电控制IC过放控制过充控制+-放电电量硬件保护放电控制IC过放控制过充控制+-放电电压2.3-2.5V此时放电控制MOS打开主流硬件保护电路原理图主题以目前主流硬件保护IC厂家精工（SEIKO）作为参考范例主流单节保护原理图S-8261系列电路主流两节保护原理图S-8242系列电路S-8232系列电路主流三节保护原理图S-8254A系列三节接线电路主流四节保护原理图S-8254A系列四节电路采用BQ26500单节智能电池硬件保护原理图采用BQ20Z75多节智能SMBUS通讯协议软件电池原理图18650专用3.7V单节板保护板实物图普通两节7.4V保护板带温度开关的两节7.4V保护板带电量管理两节7.4V智能硬件保护板普通三节11.1V保护板大电流三节11.1V保护板带SMBUS通讯协议的三节大电流硬件保护板普通四节保护板大电流普通四节保护板大电流带虚拟电量显示及充放电独立的四节保护板带I2C通讯协议和电量平衡的智能大电流七节软件控制保护板锂电池的相关认证●CE认证●UL认证●3C认证●RoHS指令锂电池的相关认证CE认证“CE”标志是一种安全认证标志，被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照。凡是贴有“CE”标志的产品就可在欧盟各成员国内销售，无须符合每个成员国的要求，从而实现了商品在欧盟成员国范围内的自由流通。在欧盟市场“CE”标志属强制性认证标志，不论是欧盟内部企业生产的产品，还是其他国家生产的产品，要想在欧盟市场上自由流通，就必须加贴“CE”标志，以