锂离子电池基础知识

电池的认识电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电能，电池即是一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供能源。电池分为一次电池、二次电池和其它类电池等。1、一次电池包括碱性锌锰电池、氧化银电池、一次锂电池等，主要用于收音机、遥控器、电动玩具，手表、计算器、照相机等。2、二次电池：铅酸电池：铅酸电池的正负极活性物质是二氧化铅，电解质是硫酸，标称电压2.0V，主要用于汽车、摩托车、电动车等。镍镉电池：典型的碱性二次电池，正极是由氢氧化镍构成，负极是由镉构成，内部注碱性电解液。标称电压1.2V，容量范围：100-7000mAh；充电最高电压1.6V，放电截止电压0.8V；充电温度范围：0℃-45℃放电电温度范围：-20℃-65℃，储藏温度范围：-20℃-65℃；充电-ΔV：10mV-20mV，充电ΔT/Δt：1℃-2℃/min，充放循环次数：300-500次；有记忆效应。含镉、汞，属于非环保电池。符号为Ni-CD。镍氢电池：正极是由氢氧化镍构成，负极是由吸氢合金构成，内部注了碱性电解液。标称电压1.2V，容量范围：100-6000mAh，比同比容的镍镉电池的能量大两倍左右，充电最高电压1.6V，放电截止电压0.8V；充电温度范围：0℃-45℃放电温度范围：-20℃-65℃，储藏温度范围：-20℃-65℃；充电-ΔV：5mV-10mV，充电ΔT/Δt：1℃-2℃/min，充放循环次数：300-500次；无记忆效应。因为他不含镉、汞，人们称它为环保化学电源。符号为Ni-MH。锂离子电池：1990年日本Sony公司率先推出锂离子电池，正极是由二氧化钴锂构成，负极是由高结晶碳构成，内部注了有机电解液。标称电压3.6V-3.7V（相当于三个镍镉或镍氢电池串联电压），容量范围：100-2400mAh；充电最高电压4.2V，放电截止电压2.75V-3.0V；充电温度范围：0℃-45℃放电温度范围：-20℃-60℃，储藏温度范围：-20℃-45℃；充放循环次数：300-500次；无记忆效应，与其它二次电池相比较，具有电压高、高能量密度、工作电流大、放电平稳、自放电率低、使用寿命长、体积小、重量轻、可任意形状使用、无污染，属于绿色能源。主要用于便携式移动电子产品，如手机、数码相机、摄像机、DVD、手提电脑、PDA、MP3等。符号为Lithium-ion。3、其它类电池：如动力电池、燃料电池、太阳能电池等。电池术语定义1、额定容量：生产厂标明的电池容量，指电池在环境温度为20±5℃条件下的以5h率放电至终止电压时，所应提供的电量。用C5表示，单位为安时(Ah)或毫安时(mAh)。2、标称电压：用以表示电池电压的近似值。3、终止电压：规定放电终止电池的负载电压，其值为n×2.75V(锂离子单体电池的串联只数用“n”表示)。4、电池内阻：电池由许多化学材料组成，其都具有一定的阻抗。由于电池内阻为有源电阻，所以需要专用设备测量；二次电池的内阻远远小于一次电池，使其具备大电流放电功能，单位为毫欧(mΩ)。5、充放电率C：表示充电的速度，若不考虑充电过程的损耗，则充电率C=充电电流(mA)/电池的容量(mAh)；若电池的容量为500mAh，C=1，则充电电流为500mA。二次锂离子电池锂离子电池按电池外形来分类，可分为圆柱形、方形、钮扣形和片状形等。我司电池型号标识方法如下：1、圆柱形电池标识由3个字母加5个数字加1个字母加2或3个数字组成。2、方形电池标识由3个字母加6个数字加1或2个字母加2或3个数字组成组成。3、第一个字母I表示有内置锂离子电池。4、第二个字母表示电池的正极材料基于钴的电极。5、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、S表示软包装电池。6、圆柱形电池5个数字分别表示电池直径与高度，方形电池6个数字分别表示电池的厚、宽、高；单位mm。7、圆柱形电池第四个字母表示电池的级别，有A级、C级；最后2或3个数字表示电池的容量缩写。8、方形电池第四个字母表示电池壳体的材料，A表示铝壳，S表示钢壳，第五个字母R表示壳体边缘的形状。例如：圆柱形电池ICR18650A180ICR18650A180电池容量缩写电池级别电池高度(65mm)电池外径(18mm)R表示圆柱形电池表示基于钴的电极表示内置锂离子电池例如：方形电池ICP533436AR65ICP533436AR65电池容量缩写A表示铝壳、R表示圆角电池高度（36mm）电池宽度(34mm)电池厚度(5.3mm)P表示方形电池表示基于钴的电极表示内置锂离子电池二次锂离子电池的组成与材料一般锂离子电池由正极片、负极片、隔膜纸、电解液、盖板（盖帽）、绝缘片、壳体（铝塑膜）等部件组成。正极片：锂离子化合物(LiCoO2/LiNiO2/LiMn2O4)、导电剂(Super-P)、溶剂(NMP)、粘接剂(PVDF)和铝箔组成。负极片：碳粉(CMP2)、粘接剂（SBR）、添加剂（CMC）和铜箔组成。隔膜纸：PP、PE、PP/PE/PP；主要作用是绝缘并传导离子，除此之外，在安全上若电池内中短路温度升高时，隔膜纸亦具有ShutDown功能，造成内部电阻升高，避免ThermalRunway。电解液：由锂离子盐类（LiPF6、LiBF4、LiCIO6）和非水有机溶剂（EC、PC、DEC、DMC、EMC）组成。圆柱形电池结构图二次锂离子电池的工作原理及特性二次锂离子电池所使用的活性物质，正极材料为锂金属氧化物，负极材料为碳。充电时，电子由充电器外部经过负极的碳材料，同时正极材料的锂离子则离开正极经过电解液进入负极；放电时，电子和锂离子则反向而行，电池工作的电化学反应原理如下：正极反应式：LiMO2Li(1-x)MO2+xLi++xe-负极反应式：C6+xLi+xe-LixC6电池总反应式：LiMO2+C6Li(1-x)MO2+LixC6（M为金属元素，Co、Ni、Mn等）二次锂离子电池的制造过程及要求二次锂离子电池的制造主要包括极片制作、电池组装、电池化成三部分。电池的极片质量对电池的性能影响最大，配料与涂布工序则是决定极片质量的关键。配料是将活性物质、粘接剂、导电剂和溶剂均匀搅拌，使成分散均匀的浆料。涂布是将浆料涂于基材上，要求极片的厚度、面密度、平整度符合工艺。卷绕、注液、封口等组装过程决定了电池的制程控制质量。电池活化也是一个非常重要的过程，对电池的性能和安全性有很大影响。在二次锂离子电池制造过程中，最忌讳是的水份存在，此因素直接关系着电池的优劣，所以物料、半成品水份的控制，成为制程控制的重中之重。制造过程中需要保证工序质量、机台参数、车间湿度、制程时间均符合工艺标准，工艺各项内容必须得到彻底执行，未经批准，任何人都不得对工艺要求进行增减或违反工艺操作。二次锂离子电池的安全性自从锂离子电池面世以来，其安全性能引起人们的极大的关注，如1995年美国Apple笔记本电脑使用锂离子电池发生冒烟现象，Sony公司郡山工厂出现的大火，锂离子电池的安全性成了亟待解决的问题。二次锂离子电池在安全上的设计，可分为内部设计和外部设计两部分。内部设计包括选用的正负极材料、正负极材料间的平衡、电解液、隔膜纸、盖帽的设计。若正极材料为LiCoO2、负极为碳，当充电时正极材料的锂离子离开正极而进入负极，若碳含量较少，则过量的锂金属会在碳的表面沉积，经过多次循环使用后，亦会形成树枝状物而造成内部短路，所以电池设计时，负极会比正极多10-15%容量。因电池在第一次充电时，电解液会和锂离子在碳的表面反应形成钝性膜并产生气体，为防止生成大量气体造成内部压力太大，一般碳的表面积以小于6m2/g为佳。隔膜纸具有Shutdown作用。为了防止电池内部压力过大，避免电池发生爆炸，对盖帽的设计提出较高的要求，在盖帽的结构上增加安全保护装置。盖帽的结构中有连接片、防爆片、PTC，三重安全保护装置。由防爆片之冲薄凹痕形成结构上之缺陷，当电池内压过大时，连接片将会变形向上鼓起，造成连接片焊点拉断，形成断路。如气压仍在增大，当达到一定值后，防爆片中的防爆阀则被气压冲开，气压、电解液由此泄出，以防止爆炸。PTC位于上盖与防爆片之间，形成桥梁作用，由于PTC属感应性材料元件，即正温度系统热敏电阻，温度升高，其阻值随之增大。当电池被短路或大电流放电时，PTC阻值迅速增大，由此电路中的电流控制在相当低的水平，当故障排除，PTC阻值又恢复到正常状态。外部设计主要通过IC控制保护电路和外加感应元件来实现。二次锂离子电池对过充电和过放电非常的敏感。过充电充电放电放电充电放电充电时除了造成电解液分解，内压升高外，锂离子会沉积在碳表面上，最后形成树枝状物而造成短路。过放电时，尤其电压低于0V，会造成铜箔的分解，铜离子会沉积在正极上，最后形成树枝状物而造成短路。当电池在实际使用中，Pack电池制造商会增加IC控制保护电路和外加感应元件来确保电池的安全及性能并延长电池使用寿命。通常是使用PCM，以智能IC监控充电/放电电压、电流、温度等，控制MOSFET进行动作，另外也会增加温度或电流敏感元件来控制电池大电流充电或放电。锂离子电池需要进行哪些安全性、可靠性测试？包括短路测试、持续充电测试、过充电、大电流充电、强迫放电、坠落测试、穿透试验、平面压碎试验、切割试验、浸水试验、冲击测试、灼烧试验、高压试验、烘烤试验；循环寿命、不同倍率放电特性、不同温度放电特性、存贮特性、高温测试、振动测试等。二次锂离子电池的使用要求由于锂离子电池很娇气，在使用过程中须好做好相应的保护措施，才确保其性能发挥良好、得到安全保证、延长循环使用寿命等。为防止电池被过充、过放、过流，需要增加电路保护装置，并使用专用的充电设备，要求其具备电流、电压、温度监测功能；通常锂离子电池采用恒流恒压方式充电，即电池首先以恒流充电，当电池电压升高到一定值时，电压保持不变，电路中电流降至很小，最终趋于0（0.01C）。当电池装配成PACK电池，在串并联时要注意电压、容量、内阻的配套使用，确保PACK电池性能良好。电池串联时电压值成倍增大，容量不变；并联时容量成倍增大，电压不变。锂离子电池在使用过程中，需要特别注意：不得反向充电、直接短路正负极、锡焊电池正负极、投入水中和火中、电池混用、拆除电池、冲压、敲打；还要注意电池的存放环境，用完电后还需要及时充电。PCMIC控制电路MOSFETPACK+PACK-PolyswitchCELLPACK电池控制图