锂离子电池基础知识

1锂离子电池基础知识主讲：时间：2011.5.272内容一、电池分类二、锂离子电池简介三、锂离子电池之电化学反应机理四、锂离子电池之应用领域五、锂离子电池之结构六、液态锂离子电池之工艺流程七、锂离子电池之性能指标八、锂离子电池质量认证3一、电池分类我们生活中经常接触的电池总结起来可分为五大类：第一类：铅酸电池Lead-acidbattery第二类：镍镉电池Nickel-Cadmium(Ni-Cd)第三类：镍氢电池Nickel-MetalHudride(Ni-MH)第四类：碱性电池(Alkaline)第五类：锂电池(Lithium)4铅酸电池VRLA正极为二氧化铅PbO2，负极为铅Pb，电解质为稀硫酸H2SO4水溶液，目前最常见的是一种免维护阀控式铅酸电池(ValveRegulatedLeadAcidBattery，VRLA)铅酸电池的优点是放电时电压较稳定，价格便宜；缺点是比能量（单位重量所蓄电能）小，对环境腐蚀性强。单个铅酸电池的电压约为2V左右，常用串联方式组成6伏或12伏的蓄电池组。5镍镉电池Ni-Cd正极为羟基氧化镍NiOOH，负极为金属镉Cd，电解质为KOH或者NaOH水溶液。这种电池具有良好的大电流放电特征、低温特性好等优点。但是镍镉电池还有许多致命的缺点，例如记忆效应、寿命短、重金属造成的严重污染等。单个镍镉电池的电压约为1.2V左右，满电状态下约为1.4V，常用串联方式组成9V电池组。6镍氢电池Ni-MH正极为羟基氧化镍NiOOH，负极为储氢合金MH，电解质为KOH水溶液。Ni-MH中，M为储氢合金，MH为吸附了氢原子的储氢合金，最常用储氢合金为LaNi5。镍氢电池容量比镍镉电池大一倍，对人体和环境无伤害，价格比锂电要低，在同等设计和一样的使用环境下，Ni-MH电池的寿命一般比Ni-Cd电池长40%。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。单个镍氢电池的电压约为1.2V左右，满电状态下约为1.4V，常用串联方式组成9V电池组。7碱性电池它是我们日常生活中常用的一种电池，这类电池全称为碱性锌锰电池，它是以锌粉为负极，电解二氧化锰为正极，以氢氧化钾为电解液制成的电池。它的优点包括有电量大、电流强、寿命长、输出稳定、低温特性良好，保存时间长等。但是，一般情况下大多数碱性电池都不能充电，一次使用完就没用了，所以使用代价是比较高的，而且对环境也会造成一定的污染。单个碱性电池的电压约为1.5V左右。8锂电池采用含有锂元素的材料作为电极的电池都称为锂电池。大致可分为锂电池和锂离子电池两种类型。锂电池：正极为二氧化锰(MnO2)或亚硫酰氯(Li--SOCl₂)，负极为金属锂，电解质为有机溶剂。锂离子电池：这种电池无论在正负极还是在电池隔膜中，锂都是以离子形式存在的，所以称之为锂离子电池，锂离子电池负极是碳素材料，如石墨等。正极则是含锂的过渡金属氧化物。电解质是含锂盐的有机溶液。锂-二氧化锰电池Li-MO2（CR）锂—亚硫酰氯电池Li--SOCl₂锂离子电池Li--ion9锂离子电池的优点能量密度高，输出功率大平均输出电压高（约3.6V），为Ni-Cd、Ni-MH电池的3倍自放电小，不到Ni-Cd、Ni-MH电池的一半没有Ni-Cd、Ni-MH电池一样的记忆效应可快速充放电，充放电效率高工作温度范围宽-30~+45C，无需维修对环境较为“友好”，称为绿色电池，使用寿命长10锂离子电池的缺点成本高，主要是正极材料LiCoO2的价格高，随着正极技术的不断发展，采用LiMn2O4、LiFePO4等为正极材料，有望大大降低成本；必须有特殊的保护电路，以防过充过放；与普通电池的相容性差，一般要在用3节普通电池（3.6V）的情况下才能用锂离子电池替代同优点相比，这些缺点不成为主要问题，特别是用于一些高科技、高附加值的产品中，故应用范围非常广泛11放电电流大小的比较：镍镉电池镍氢电池锂离子电池锂离子电池的缺点：1、电池成本较高。主要表现在LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。2、不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。3、需要保护线路控制。12二、锂离子电池简介锂离子电池是锂电池的改进型产品，锂电池很早以前就有了，但锂是一种高度活跃的金属，它使用时不太安全，经常会在充电时出现燃烧、爆裂的情况，后来就有了改进型的锂离子电池，加入能抑制锂元素活跃的成份（比如钴、锰等等）从而使锂电真正达到了安全、高效、方便，而老的锂电池也随之基本上淘汰了。如何区分锂电池和锂离子电池：从电池的标识上就能识别，锂电池为Li、锂离子电池为Li-ion。现在，笔记本和手机使用的所谓“锂电池”，其实都是锂离子电池。13二、锂电池简介目前市面上所使用的锂离子(Li-ion)电池量产的有两种类型。1、液体锂离子电池（LiB)：使用液体电解液的锂离子电池。目前市场上80%以上的锂离子电池均为此类。2、聚合物锂离子电池（LiP）：在正极、负极、电解液这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要材料的锂离子电池。目前高分子材料主要是被应用于正极及电解质。14各种“锂”电池之间的区别聚合物锂离子电池(LIP)液态锂离子电池(LIB)锂锰电池(LithiumButtonCell)“锂”电池可充不可充15二、锂离子电池简介正极：一般采用锂化合物钴酸锂LiXCoO2、镍酸锂LiXNiO2、锰酸锂LiXMnO2、三元材料镍钴锰酸锂Li(NiCoMn)O2、磷酸铁锂LiFePO4。目前绝大部分锂离子电池采用的是钴酸锂作为正极。负极：采用锂-碳层间化合物LiXC6。电解质：溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液。16LiNiO2LiCoO2LiMn2O4三元复合材料LiFePO4实用正极材料实用正极材料17类别安全性能比容量mAh/g循环寿命/次电压平台材料成本所占成本比重适合领域钴酸锂差145＞5003.6高40%中小型移动电池锰酸锂较好105＞5003.7低25%对体积不敏感的中型动力电池三元素较好160＞8003.6较高33%中小型动力电池磷酸铁锂很好150＞15003.2低廉25%对体积不敏感的大型动力电源几种正极材料应用优劣势比较目前看来，磷酸铁锂材料最适合制作大型动力电池，已成为世界各国竞相研究和开发的重要方向！锂离子电池关键正极材料18锂电池用负极材料碳材料非碳材料石墨非石墨天然石墨人工石墨软碳硬碳金属氧化物金属间化合物其他过渡金属氧化物锡基氧化物金属氮化物等锡基、锑基等19三、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：C+xLi++xe-===CLix电池总反应：LiCoO2+C====Li1-xCoO2+CLix放电时发生上述反应的逆反应。20四、应用领域Li-ionBattery21五、锂离子电池结构正极活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2)导电剂、溶剂、粘合剂、基体负极活性物质（石墨、MCMB)粘合剂、溶剂、基体隔膜（PP+PE）电解液（LiPF6+DMCECEMC)外壳五金件（铝壳、盖板、极耳、绝缘片）22锂离子电池的结构组成电芯PTC保护电路板热敏电阻MOSFET保护IC23锂离电电池保护电路原理说明保护ICID电阻电芯热敏电阻MOSFETPTC或FUSE24保护板保护板通常包括控制IC、MOS开关。其中控制IC，在一切正常的去年高考下控制MOS开关导通，使电芯与外电路沟通，而当电芯电压或回路电路超过规定值时，它立刻控制MOS开关关断，保护电芯的安全。功能：过压保护，欠压保护，过流保护。25圆柱形锂离子电池结构图密封圈限流开关隔膜绝缘垫26软包装锂离子电池结构图27锂离子电池结构——正极正极基体：铝箔（约0.020mm厚)正极物质：钴酸锂+碳黑+PVDF正极集流体：铝带（约0.1mm厚）28锂离子电池结构——负极负极基体：铜箔（约0.015mm厚)负极物质：石墨+CMC+SBR负极集流体：镍带（约0.07mm厚）29锂离子电池结构——隔膜材质：单层PE（聚乙烯）或者三层复合PP（聚丙烯）+PE+PP厚度：单层一般为0.016～0.020mm三层一般为0.020～0.025mm30锂离子电池结构——电解液性质：无色透明液体，具有较强吸湿性。应用：主要用于可充电锂离子电池的电解液，只能在干燥环境下使用操作（如环境水分小于20ppm的手套箱内）。规格：溶剂组成DMC:EMC:EC=1:1:1（重量比）LiPF6浓度1mol/l质量指标：密度（25℃）g/cm31.23±0.03水分（卡尔费休法）≤20ppm游离酸（以HF计）≤50ppm电导率（25℃）10.4±0.5ms／cm31六、液态锂离子电池生产工艺流程配料卷绕注液检测包装拉浆制片化成激光焊裁片32七、液态锂离子电池性能常规性能：容量电压内阻可靠性性能：循环寿命放电平台自放电贮存性能高低温性能安全性能过充短路针刺跌落湿水低压振动33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）。电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg（mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah，其值小于理论容量。额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。34mAh与W·h——(毫安时与瓦时的概念)mAh:电池容量的计量单位，实际就是电池中可以释放为外部使用的电子的总数。–例：1000mAh：以1A的电流向外界持续释放1小时W·h:电池能量的计量单位，电池容量乘以电池电压即为瓦时。–例：1W·h=1V*1A·h–NOKIA:3.7V1200mAh的电池所蕴含的能量为：3.7V*1.2Ah=4.44W·h–继续换算成热量：4.44W·h*3600=15984J–这些热量用来烧1瓶500ml农夫山泉的话：Δt=7.6℃35猜一猜：诺基亚：聚合物锂电池3.7V1200mAh哪颗电池能量大？品胜：镍氢电池1.2V2500mAh36电压开路电压电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差。工作电压工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。37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。欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。38循环寿命电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命循环寿命与电池充放电条件有关锂离子电池室温下1C充放电循环寿命可达300-500次（行业标准），最高可达800-1000次。39放电平台锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台行业标准1C放电平台为70%以上，我们现在可以作到83%-