锂离子电池基础知识

培训教程锂离子电池基础知识主讲：邵小龙1教程大纲电池的定义电池分类锂离子电池之电化学反应机理锂离子电池之应用领域锂离子电池之结构液态锂离子电池之工艺流程液态锂离子电池之生产设备锂离子电池之性能指标手机锂离子电池的使用2电池的定义什么叫电池？电池是一种能够将化学能转化为电能的一种装置。3电池的分类1.按工作性质分2.按电解液分3.按电池所用正、负极材料划分4.按用途分5.其它分类（使用领域、性能）4电池的分类1.按工作性质分一次电池（原电池）二次电池（可充电池）5电池的分类2.按电解液分碱性电池（锌锰电池、镉镍电池，镍氢电池等）酸性电池（锌锰电池、铅酸电池）有机电解液电池（锂离子电池）6电池的分类3.按电池所用正、负极材料划分锌系：锌锰电池、锌银电池等镍系：镉镍电池、氢镍电池、镍锌电池等锂系：锂锰、锂铁、锂镍钴锰电池等其它体系7电池的分类4.按电池用途分数码电池：手机、电脑、MP3、MP4等动力电池：汽车动力、自行车动力等仪器仪表电池：万用表、电子称等储能电池：蓄电池（备用电源）8什么叫锂离子电池？锂离子电池是指Li+嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物LiXCoO2、LiXNiO2、LiFePO4或LiXMnO2负极采用锂-碳层间化合物LiXC6。电解质为溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6等有机溶液。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，被形象的称为“摇椅电池”。充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态。放电时则相反。9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。10锂离子电池特点高能量密度高工作电压长循环寿命电化学特性稳定荷电保持能力强无污染无记忆效应11应用领域Li-ionBattery12锂离子电池结构正极活性物质（LiCoO2\LiMnO2\LiNixCo1-xO2、LiFePO4)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）13方（角）形锂离子电池结构图14圆柱形锂离子电池结构图密封圈限流开关隔膜绝缘垫15软包装锂离子电池结构图16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）17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）18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0.020～0.025mm19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／cm20液态锂离子电池生产工艺流程配料卷绕注液检测包装涂布制片化成激光焊裁片21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22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）。23容量的几种表达方式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。24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。25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。26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80%，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1000次以上。27放电平台（1C）（手机电池）时间平台电压平台容量平台28放电平台时间平台1.标称平台：根据客户要求或国家（国外、国际）、行业标准要求，电池在1C倍率下的最低放电时间。表达方式为分钟。（标准、要求）2.实际平台：在1C倍率下，3.6V的放电时间与截止3V时的放电时间的比值。表达方式为百分比。（测试）3.使用平台：在1C倍率下，以60min为标准放电平台，实际放至3.6V的时间与60分钟的比值。表达方式为百分比。（出货）29放电平台电压平台：按表达方式分。1.电压值：包括中值电压和平台电压，表达方式为电压值，如3.73V。（材料评估）中值电压：放电至3V的时间中点对应的电压值。（材料测试、性能评估）平台电压：电池电压平稳下降的电压段的中点。（材料评估）2.电压范围：电池电压平稳下降的范围。其表达方式为范围值，如3.63～3.85V。（材料性能评估）30放电平台容量平台1.标称平台。根据国家（国外、国际）、行业标准要求，放电至3.6V的最小要求容量。2.实际平台。实际放电至3.6V的容量。3.百分比平台。包括测试平台和出货平台。测试平台：电池放电至3.6V的容量与放电至3.0V的容量比。出货平台。电池放电至3.6V的容量与标称容量的比值。31放电平台实例：标称800mAh，实际825mAhM047第二次实验A组11号电池第二周曲线2.93.13.33.53.73.94.14.3020406080100120140160时间.(min)电压.(V)恒流49.3min恒压52.27min平台41.07min4.1V3.5V3.6V162min101min32自放电电池完全充电后，放置一个月。然后用1C放电至3.0V，其容量记为C2；电池初始容量记为C0；1-C2/C0即为该电池之月自放电率行业标准锂离子电池月自放电率小于15%，我们可以做到6%-8%电池自放电与电池的放置性能有关，其大小和电池内阻结构和材料性能有关33记忆效应记忆效应是针对镍镉电池而言，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，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。镍氢电池和锂离子电池均无记忆效应34手机锂离子电池的使用山寨版新电池使用说明：1.完全放电2.完全充电3.完全放电以上称之为激活，为错误使用方法。山寨版的使用方法：1.每次用到自动关机再充2.边充边打（开机充电）3.充长时间一些电池的电量（容量）会满一些4.电池长时间不用时，充满电搁置。35手机锂离子电池的使用正确的使用方法1.新电池无需激活直接可以使用2.最好在关机状态下充电3.充电时不要打电话4.指示充满后即停止充电5.长时间不用时，充电至一半左右电容量6.电池在接近没电时充电。36总结电池是个比较复杂的电化学体系，涉及到电化学、材料、机械、物理等学科锂离子电池生产流程较长，每个质量控制点都非常重要大家可以根据自己工作岗位性质有针对性的进行研究、讨论37其他信息：杂志信息《电池》《电源技术》《电池工业》《电化学》38其他信息：网站信息中国电池网：（）中国电池在线：（）电池网主页:（）电池英才网:（）电池黄页:（）电池行业网址导航:（）中国锂电网：（）中国电源网：（）锂离子电池论:()39