锂离子电池基本知识

-1-锂离子二次电池简介概述：锂离子二次电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池，正极采用锂化合物LiCoO2、LiMn2O4,负极采用锂—碳层间化合物LixC6，电解质为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等的有机溶液。在充、放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象地称为“摇椅电池”（RockingChairBatteries,缩写为RCB）。锂离子二次电池由于工作电压高（3.6V）、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，在移动电话、摄相机、笔记本电脑、便携式电器上得到大量应用。一、工作原理1、化学反应方程式锂离子电池正极主要成分为LiCoO2，负极主要为C，充电时正极反应：LiCoO2Li(1-x)CoO2+xLi++xe-负极反应：C+xLi++xe-CLix电池总反应：LiCoO2+CLi(1-x)CoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。2、化学反应原理图二、命名根据IEC61960标准二次锂电池的标识如下:1.电池标识组成3个字母后跟5个数字（圆柱形）或6个（方形数字）；2.第一个字母表示电池的负极材料：I表示有内置电池的锂离子，L表示锂金属电极或锂合金电极;3.第二个字母表示电池的正极材料：C基于钴的电极，N基于镍的电极，M基于锰的电极V基于钒的电极;4.第三个字母表示电池的形状：R表示圆柱形电池，P表示方形电池;-2-5.数字:圆柱形电池5个数字分别表示电池的直径和高度,直径的单位为毫米,高度的单位为十分之一毫米，直径或高度任一尺寸大于或等100mm时两个尺寸之间应加一条斜线。方型电池6个数字分别表示电池的厚度、宽度和高度，单位均为毫米，三个尺寸任一个大于或等于100mm时尺寸之间应加斜线，三个尺寸中若有任一小于1mm,则在此尺寸前加字母t，此尺寸单位为十分之一毫米。例如：ICR18650：表示一个圆柱形二次锂离子电池正极材料为钴其直径约为18mm高约为65mm。ICR20/1050ICP083448：表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴，其厚度约为8mm,宽度约为34mm，高约为48mm。ICP08/34/150：表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为8mm,宽度约为34mm，高约为150mm。ICPt73448：表示一个方形二次锂离子电池正极材料为钴其厚度约为0.7mm,宽度约为34mm，高约为48mm。三、组成结构1、正极正极材料一般由钴酸锂、导电石墨、碳黑、粘接剂、溶剂等组成。2、负极负极材料一般由碳黑、粘接剂、溶剂等组成。3、隔膜纸隔膜纸由PP、PE复合膜组成，厚度一般为25微米，国内有些厂家也有用16微米的，著名的生产厂家有日本UBE。4、电解液电解液为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等的有机溶液，常用的有机溶液有EC（碳酸乙烯酯）、DEC（二乙基碳酸）、DMC（二甲基碳酸）等。5、绝缘垫片6、外壳有钢壳和铝壳。四、制造工艺-3-五、性能指标1、充电模式①标准充电：在环境温度20±5℃的条件下，以0.2C5A恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压4.20V时，改为恒压充电，直到充电电流小于0.01C5A，停止充电。正极配料正极拉浆干燥正极分片铝箔（集流体）正极压片负极配料负极拉浆干燥负极分片铜箔（集流体）负极压片卷绕80℃真空烘烤卷芯浸液封壳清洗隔膜纸化成分容全检内阻、电压包装入库电解液40℃烘烤好字壳后盖点焊卷芯-4-②快速充电：在环境温度20±5℃的条件下，以1C5A恒流充电，当电池端电压达到充电限制电压4.2V时，改为恒压充电，直到充电电流小于10mA，停止充电。2、电压①标称电压：指的是在正常工作过程中表现出来的电压,二次锂电池标称电压为3.6V。②开路电压：指在外电路断开时，电池两个极端间的电位差；③终点电压：指电池放电实验中，规定的结束放电的截止电压；④中点电压：指放到50%容量时，电池的电压主要用来衡量大电流放电系列电池高倍率放电能力，是电池的一个重要指标。3、内阻电池的内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部所受到的阻力,一般分为交流内阻和直流内阻,由于充电电池内阻很小,测直流内阻时由于电极容量极化,产生极化内阻,故无法测出其真实值,而测其交流内阻可免除极化内阻的影响,得出真实的内值.交流内阻测试方法为:利用电池等效于一个有源电阻的特点,给电池一个1000HZ,50mA的恒定电流,对其电压采样整流滤波等一系列处理从而精确地测量其阻值.充电态内阻指电池100%充满电时的内阻,放电态内阻指电池充分放电时后的内阻.一般说来,放电态内阻不太稳定,且偏大,充电态内阻较小,阻值也较为稳定.在电池的使用过程中,只有充电态内阻具有实际意义,在电池使用的后期,由于电解液的枯竭以及内部化学物质活性的降低,电池内阻会有不同程度的升高.4、容量指在一定放电条件下,电池放电至截止电压时放出的电量。IEC标准规定电池在20±5℃环境下,恒流(1C)恒压(4.2V)控制的充电条件下,充电3h再以0.2C放电至2.75V时,所放出的电量为其额定容量（电池容量）,电池容量的单位有Ah,mAh(1Ah=1000mAh).5、平台指电池充满电（即4.2V）后，以恒定电流放电至3.60V时的放电时间，放电平台有0.2C5放电平台和0.5C5放电平台。6、温度特性高温性能电池充电结束后，将电池放入55±2℃的高温箱中恒温2h，然后以1C5A电流恒流放电至2.75V。放电时间不小于51分钟。后将电池取出在环境温度20±5℃的条件下搁置2h,电池外观无变形、无爆裂。-5-低温性能电池充电结束后，将电池放入-20±2℃的低温箱中恒温16—24h后，以0.2C5A电流恒流放电至终止电压2.75V。放电时间不小于3.5h。后将电池取出在环境温度20±5℃的条件下搁置2h，电池外观无变形、无爆裂。7、自放电率（荷电保持能力）自放电又称荷电保持能力，它是指在开路状态下，电池储存的电量在一定环境条件下的保持能力。一般而言，自放电主要受制造工艺，材料，储存条件的影响自放电是衡量电池性能的主要参数之一。一般而言，电池储存温度越低，自放电率也越低，但也应注意温度过低或过高均有可能造成电池损坏无法使用，BYD常规电池要求储存温度范围为-20—45℃。电池充满电开路搁置一段时间后，一定程度的自放电属于正常现象。IEC标准规定：电池充满电后，在温度为20±5℃的条件下，开路搁置28天，再以0.2C放电至终止电压，放电时间应不低于4.25小时。一般采用24小时自放电来快速测试其荷电保持能力,将电池以0.2C放电至3.0V,恒流恒压1C充电至4.20V,截止电流:10mA,搁置15分钟后,以1C放电至3.0V测其放电容量C1,再将电池恒流恒压1C充电至4.2V,截止电流10mA,搁置24小时后测1C容量C2,C2/C1*100%应大于99%。8、循环寿命IEC规定锂电池标准循环寿命测试为:在环境温度20±5℃的条件下，以1C充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于20mAh，停止充电，搁置0.5—1小时，然后以1C电流放电至终止电压，放电结束后，搁置0.5—1小时，再进行下一个充放电循环，直至连续两次放电时间小于36分钟，则认为寿命终止。9、安全保护性能①过充电保护②过放电保护③短路保护10、贮存性能进行贮存性能试验的电池应选自生产日期到试验日期不足3个月的电池，电池贮存前应先充入40%—50%的容量，然后在环境温度20±5℃，相对湿度45%—85%的环境中贮存。贮存12个月后，电池经完全充电，0.2C放电时间不小于4小时。六、常见故障分析-6-1、电池出现零电压或低电压的可能原因是什么？1.电池遭受外部短路或过充,反充(强制过放)；2.电池受高倍率大电流连续过充,导致电池极芯膨胀,正极直接接触短路。3.电池内部短路，或微短路，如：正负极片有毛刺穿透隔膜纸接触短路，正负极片放置不当，造成极片接触短路，或正极片接触钢壳短路，负极掉料进隔膜纸，隔膜纸本身有缺陷，正极极耳接触负极片短路。2、电池组零电压或低电压的可能原因有哪些？1.是否单支电池零电压；2.插头短路,断路,与插头连接不好；3.引线与电池脱焊,虚焊；4.电池内部连接错误,连接片与电池之间漏焊,虚焊,脱焊等；5.电池内部电子组件连接不正确,损坏。3、电池电池组充不进电的可能原因是什么?1.电池零电压或电池组中有零电压电池；2.电池组连接错误,内部电子组件,保护电路出现异常；3.充电设备故障,无输出电流;4.外部因素导致充电效率太低(如极低或极高温度)。4、电池电池组无法放电的可能原因是什么?1.电池经储存,使用后,寿命衰减;2.充电不足或未充电;3.环境温度过低;4.放电效率较低,如大电流放电时普通电池由于内部物质扩散速度跟不上反应速度,造成电压急剧下降而无法放出电。5、环境温度对电池性能有何影响？在所有的环境因素中，温度对电池的充放电性能影响最大，在电极/电解液界面上的电化学反应与环境温度有关，电极/电解液界面被视为电池的心脏。如果温度下降，电极的反应率也下降，假设电池电压保持恒定，放电电流降低，电池的功率输出也会下降。如果温度上升则相反，即电池输出功率会上升，温度也影响电解液的传送速度温度上升则加快，传送温度下降，传送减慢，电池充放电性能也会受到影响。但温度太高，超过45℃，会破坏电池内的化学平衡，导致副反应。镍镉镍氢电池的放电效率在低温会有显著的降低（如低于-15℃），而在-20℃时，碱液达到起凝固点，电池充电速度也将大大降低。在低温充电低于0℃会增大电池内压并可能时安全阀开启。为了有效充电，环境温度范围应在5~30℃之间，一般充电效率会随温度的升高而升高，但当温度升到45℃以上，高温下充电电池材料的性能会退化，电池的循环寿命也将大大缩短。-7-6、不同容量的电池组合在一起使用会出现什么问题?如果将不同容量或新旧电池混在一起使用,有可能出现漏液,零电压等现象。这是由于充电过程中，容量差异导致充电时有些电池被过充，有些电池未充满电，放电时有容量高的电池未放完电，而容量低的则被过放。如此恶性循环，电池受到损害而漏液或低（零）电压。7、什么是短路对电池性能有何影响？电池外两端连接在任何导体上都会造成外部短路，电池类型不同，短路有可能带来不同严重程度的后果。如：电解液温度升，内部气压升高，等气压值如果超过电池盖帽耐压值，电池将漏液。这种情况严重损坏电池。如果安全阀失效，甚至会引起爆炸。因此切勿将电池外部短路。8、什么是记忆效应怎样消除记忆效应？记忆效应是针对镍镉电池而言的，由于传统工艺中负极为烧结式，镉晶粒较粗，如果镍镉电池在它们被完全放电之前就重新充电，镉晶粒容易聚集成块而使电池放电时形成次级放电平台。电池会储存这一放电平台并在下次循环中将其作为放电的终点，尽管电池本身的容量可以使电池放电到更低的平台上。在以后的放电过程中电池将只记得这一低容量。同样在每一次使用中，任何一次不完全的放电都将加深这一效应，使电池的容量变得更低。要消除这种效应，有两种方法，一是采用小电流深度放电（如用0.1C放至0V）一是采用大电流充放电（如1C）几次。对BYD镍镉电池来说，由于负极的工艺全部为拉浆式，镉晶粒不会聚集，不存在记忆效应的问题。9、锂离子电池的优势是什么?1.高的能量密度2.高的工作电压3.无记忆效应4.循环寿命长5.无污染6.重量轻7.自放电小10、锂聚合物电池具有哪些优点?1.无电池漏液问题,其电池内部不含液态电解液,使用胶态的固体。2.可制成薄型电池：以3.6V400mAh的容量，其厚度可薄至0.5mm。3.电池可设计成多种形状4.电池可弯曲变形：高分子电池最大可弯曲900左右5.可制成单颗高电压：液态电解质的电池仅能以数颗电池串联得到高电压，高分子电池-8-6.由于本身无液体，可在单颗内做成多层组合来达到高电压。7.容量将比同样大小的锂离子电池高出一倍。